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基于数字孪生技术的城市实景地图构建



一、 实景三维地图建设概述

2019年2月的全国国土测绘会议知悉,自然资源部将启动“十四五”基础测绘规划编制,欲推进国家测绘基准体系建设与精化、“实景中国”建设等工作。且随着各省级、市级、县级相关单位前期“智慧城市”工作的开展和实施,已完成了不同尺度、不同视角的无人机航空摄影测量及城市实景构建。而此类多尺度、多视角的城市实景三维地图是项目建设的重要基础和应用支撑,不仅可用于不动产权籍调查、违法用地监察、城市现状土地调查等项目中,还可促推实景中国形成。同时,该技术的应用还颠覆了传统手工建模的效率和效果,将进一步推进测绘行业的高效、智能化发展。固加强核心实景构建技术(数字孪生技术)的探讨,有利于实景城市乃至实景中国形成,还可为相关测绘基准体系建设与精化提供建设经验和参考依据。

二、 实景三维建模实例

现以某城市级建设项目为例,对其建设流程和关键技术进行系统梳理和总结,以之为大型建设项目提供相关建设经验和参考方案。实景三维地图建设流程如图2-1。


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2-1实景三维建模流程图


(1)投入设备

此项目使用的相机为F200-O倾斜模块、D-OP300倾斜模块、V-OP100倾斜模块,分辨率分别为(5456*3632)*2、(2400万)×5、9600万(2400万×4),可快捷、安全地安装于F300、D200和V100飞机上。同时,飞马无人机系统自带任务规划、飞控软件、图像预处理软件。经15天左右的航飞及像控测量,获取100多平方公里的地面数据。


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(2)多视角影像采集

通常项目执行的航高和飞行范围都将影响航摄数据质量和建模效果。因此,合理、科学的航区、航向、航飞参数都是项目执行的关键。


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2-2航线规划示意图(D200)


在某城市级建设项目中,根据地形、建筑高度特征,将测区整体划分为15个航飞摄影区,主要采用V100、F300进行东西向的航摄。其中对航摄区域内地形地物最大高差大于1/2相对航高时,采用旋翼航摄系统D200(如图2-2),再按照最大高差的2倍进行加密航摄。设置航向、旁向重叠度分别为75%、70%。

获取数据图示如下:


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2-3双镜头获取的倾斜影像效果图


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2-4五镜头获取的倾斜影像效果图


在大面积、高精度的实景三维地图建设项目中,鉴于测区面积较大且地面影像数据较多,而计算机处理能力有限的情况,需要将测区划分为多个具有重叠度的四边形小区快,以保证计算机能高效的处理数据。除测区形状和地形特征,将其划分为具有重叠度的四边形小区块。


(3)三维重建

针对该城市级建设项目,运用摄影测量原理,对获得的航空摄影影像数据进行空三计算、空三加密、模型构建、三维场景修饰等过程。建设流程如图2-5。


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图2-5城市实景三维模型建设技术流程图


1)空三加密计算

在摄影测量的过程中,生产预处理是重要的环节,对于生产成果的质量有着决定性的影响。项目采用多视角联合平差方法来实现数据匹配。多视角影像空中三角测量过程为先从影像中提取特征点,然后运用多视密集匹配进行同名点自动匹配,最后进行平差计算、畸变改正等获得每一幅影像精准的外方位元素。同时,通过建立连接点和控制点坐标文件,结合GPS/IMU信息,实现多视角影像自检校区域网平差迭代计算,通过多次反复联合解算,最终得到符合精度要求的结果。整体空三平面、高程残差分别为0.12厘米、0.11厘米,表明点云匹配程度较高。

(2)三维重建及纹理映射

模型构建采用分块计算,自动选择不同视角上的最佳像对模型,生成三维尺度的密集点云。点云自动转换为不规则三角网构TIN模型,基于内在几何关系,将TIN模型进行平滑和优化。根据三维TIN的空间位置信息,获取最佳视角影像纹理,自动赋予模型纹理,输出三维模型成果。对高密度点云数据进行处理,自动构建不规则三角网(TIN),如下图2-6所示。


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图2-6 TIN网构建示例图


3)模型效果展示

多视角、大重叠影像密集匹配后得到的不规则三角网有效表达了地物几何特征,并用不同密度的三角网表达地物几何特征的差异。实景建模处理系统在获得地物的几何特征的同时提取地物的纹理信息,在经过纹理信息均衡化处理后进行自动映射,得到实景三维模型。效果展示如下:


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4)多尺度、多视角的影像密集匹配

针对模型构建不完整或不清晰的重点地物,采用多尺度航摄技术,实现多尺度、多视角的影像融合和模型重建。解算外方位元素时,仍运用多视角联合平差法,获取多尺度影像的同名像点,并引入控制点和连接点加速空三匹配。

案例实施中,模型自动匹配效果较差时,可根据低空模型位置,选取多方位、清晰、多角度的多个特征点,构建高低空数据的连接点(如图2-7)并计算空三点云,进一步重建区域模型,最终效果图见图2-8


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图2-7构造多尺度影像连接点图示


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图2-8多尺度融合效果图


三、 总结

构建城市级实景三维模型,可提高城市规划建设、管理服务、应急指挥、公共服务等方面的智能化水平。本文利用无人机航空摄影技术、实景三维建模技术,快速构建了城市级实景三维模型。主要优势有如下几点:

(1)F300、D200、V100三款无人机的组合应用,可应对地势起伏大、测区面积广、建筑高低不齐、建筑疏密程度不一等严峻情况,能高效率、灵活地开展航空摄影测量,为项目建设效率提供有效保障。

(2)飞马无人机管家自带任务规划、飞控软件、图像预处理软件,能高效的记录项目前期工作、执行环节和完成情况,保障建设项目的顺利实施。

(3)项目应用的实景三维建模技术,其空三匹配、模型重建是自动化程度较高的建模方式,可以快速满足大场景实景三维建设需求。


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