科普 | 实景三维模型和地形三维模型
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在自然资源三维立体“一张图”的数据体系中，利用倾斜摄影测量技术制作的实景三维模型具有信息丰富、效果直观、展示效果真实等优点，能最大程度发挥调查成果的综合效益，常用于展示地表要素状况等，是三维自然资源数据底板的核心数据之一。
实景三维模型的真实感，来自于其现实、直观的质感，这种和现实相同的色彩，源自无人机在空中拍摄的影像。实景三维模型的制作，要从数据采集开始。
从拍摄角度来看，无人机影像，主要分为垂直影像和倾斜影像两种。（绿色框内影像的视角垂直于地面，被称为“垂直影像”，其他4个框内的影像与地面形成一定的倾斜角度，被称为“倾斜影像”。）
▲图1 无人机影像视角示意图
只有影像做不出实景三维模型，还需要把二维的影像进行一系列处理才能形成实景三维模型。
首先，要通过摄影测量对相邻影像进行计算，获得空间上的三维距离信息。具体来说，摄影测量是基于相邻影像之间重叠部分的同名点进行影像匹配，获得相邻影像之间的视差和深度（距离）信息的一种技术。
▲图2 相邻影像之间的重叠关系示意图
结合每张影像的位置、姿态信息，利用摄影测量技术解算处相邻影像之间的空间关系。（以图3为例，这是4张影像解算后的空间关系示意图，由于参与建模的影像数量通常会非常多，这些空间关系比这个复杂得多。）
▲图3 相邻影像之间的空间关系解算示意图
基于这些关系通过影像密集匹配将影像中的各像素在三维空间中离散化，成为三维空间中一个个离散的带有彩色的点，称之为“彩色点云”。
▲图4 彩色点云效果
彩色点云既有作为点云的几何特性，每个点又带有彩色信息。通过TIN三角构网方法，将一个个离散的点云点连接形成一个个三角形面片并形成三角网，作为实景三维模型中的基础模型——“白模”。
▲图5 白模效果
这时候，发挥彩色点云的彩色属性——根据点云的空间位置，将点云的彩色信息映射到白模表面。这样，既有几何外观、又有真实彩色纹理的实景三维模型就此大功告成了！
▲图6 实景三维模型的效果
经历了上述艰难的制作过程后，如果实景三维模型仅仅只是用来浏览的话，也未免太浪费了吧？实际上，实景三维模型兼具三维和实景两大特性，在自然资源的业务工作上，它有着丰富的空间分析应用，为其他行业提供了强大的数据支撑。
根据研究区的地理位置，利用日照分析功能即可评估实景三维模型所在地一年四季的日照和阴影变化。
▲视频1：某地建筑物夏季某日的日照阴影分析
实景三维模型对某地进行填挖方分析后，即可评估出平整一定范围的地表所需要的填、挖方量分别是多少，大大解放了工程测量人员的内外业工作量。
图7 某山坡广场的填、挖方量评估
广东省地处（亚）热带季风气候区，台风、暴雨天气多发。在实景三维模型的支持下，我们可以直观便利地分析评估暴雨天气对低洼地区的淹没威胁，及早制定相应对策。
图8 某低洼货柜场的淹没威胁评估
图9 某低处工地的淹没风险预测
基于实景三维模型的空间分析应用远不止这些，在自然资源管理工作中常用到的还有三维量测、三维缓冲区、通视性分析、天际线分析等，受限于篇幅的缘故，小编就不在此一一详细列举了。
随着自然资源三维信息化建设和“实景中国”的不断推进，相信实景三维的应用一定会越来越广泛，三维化的自然资源信息化体系将为自然资源管理和决策提供更完备的支撑和保障，更精准、高效地履行自然资源“两统一”职责。
自然资源部发布《2020年自然资源部网络安全与信息化工作要点》中明确提出，推进自然资源三维立体“一张图”建设。那么如何构建三维立体自然资源“一张图”，让小编带你一起看看吧！
构建三维立体自然资源“一张图”
利用基础测绘成果，以数字高程模型（DEM）等三维测绘成果为基底，以遥感影像为背景，集成整合地下空间、地表基质、地表覆盖、业务管理等各类自然资源和国土空间数据，按照统一的标准，构建自然资源三维立体“一张图”，全面真实地反映自然资源现实状况和自然地理格局。
问
小李：按照部文件要求，制作全省地形三维模型，那么什么是地形三维模型呢？
小建：地形三维模型，简单地说，就是融合不同尺度及分辨率的航空影像、卫星影像以及数字高程模型，生成带有精确地理位置的、逼真的地形数据库。
▲地形三维模型构成图
在地形三维模型之上就可以承载二维矢量、实景三维、白模、BIM模型、地下地质模型等各类型数据成果，从而实现二三维一体化展示和分析功能。
▲广东某市地形的展示效果
问
小李：这么炫酷的三维模型是怎么制作的呢？
小建：在数据层面，融合正射影像和数字高程模型，制作覆盖全省范围的地形模型。主要的工作流程如下：
▲地形三维模型制作技术流程图
问
小李：在高要求高标准前提下，我们在地形三维模型的生产过程中主要面临的困难是什么呢？
小建：地形三维模型的生产对于我们也是一项新的挑战。
一是数据处理量大：全省影像约30T，数字高程模型数据约2T，需要在3个月内完成所有的数据处理和加工，包括拼接、匀色、裁切等，对机器设备以及技术工艺要求高；
二是数据源更新不同步：全省影像和数字高程模型目前采用分区域持续更新，难以同时开展全范围的生产；
三是应用效率要求高：为满足三维应用的要求，不仅需要具备共享开放的能力，同时需保障其分析展示等应用效率。
问
小李：那我们是如何化解这些难题呢？
小建：针对以上困难，我们三维制作团队主要从生产工艺流程、提升展示效果、优化算法模型、整合发布创新4个方面进行突破，化解难题。
一是整合优化生产工艺流程：我们三维技术团队仔细分析了数据情况，研究了地形三维模型生产、发布、共享的技术流程，借鉴了电子地图的制作发布方法，制定了详细的地形三维模型制作技术方案，提高地形三维数据处理效率；
二是提升展示效果：采用分层构建数据模型，优化显示效果。在不同比例尺下，分别采用适应的遥感影像和数字高程模型构建地形三维模型，解决了三维模型整体色彩不一致性的问题，提升显示效率；
三是优化数据算法模型：使用金字塔数据引擎、四叉树数据索引算法、快速LOD算法、小波快速压缩等算法将不同时相、不同空间参考、不同分辨率的航空影像、卫星影像和数字高程模型进行融合，构建海量三维地形模型；实现图像高压缩和快速还原，调图响应时间不超过0.5秒，从而在根本上解决了海量数据的网络浏览问题。在保证数据精度的前提下，全省原始影像数据约25T，地形三维模型最终成果约2T，压缩比达1/10；
▲地形三维模型金字塔结构
四是模型整合发布创新：数据成果采用全新的分块建模直连发布方式，按行政区划分块构建地形三维模型后，在服务端整合为完整的全省地形三维服务，直接发布到客户端进行无缝浏览，减少创建三维地形数据集的时间，并实现分块快速更新。
经过广东省国土资源技术中心三维技术团队的努力，现已初步完成全省范围的地形三维模型制作，并开展了与业务系统对接工作。今后，将深入学习研究最新的三维技术，做好广东省三维基础地理信息数据库的建设工作，同时围绕服务自然资源业务，提升省级三维平台共享服务和应用支撑能力。
▲广东某地的地形三维模型效果
来源：广东省国土资源技术中心；转自：GIS前沿
编辑：张永超
初审：齐 阳
审核：彭震中
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