基于实景三维的新型基础测绘生产实践与应用

发布时间:2022 年 05 月 11 日  文/广州市城市规划勘测设计研究院 陈朝霞 陶岚 梁飞龙 叶日晨
导读:实景三维作为真实、立体、时序化反映人类生产、生活和生态空间的时空信息,可以突破二维信息表现的束缚,实现国土空间规划各要素从静态到动态的直观展示,还能通过全景分析、智能审查、动态感知、趣味互动等形式,为推动规划科学编制、规划精准实施、规划全程监管以及公众智慧参与提供有效支撑。
2022 年 2 月,自然资源部印发《自然资源部办公厅关于全面推进实景三维中国建设的通知》明确指出,到 2025 年,50%以上的政府决策、生产调度和生活规划可通过线上实景三维空间完成,到 2035 年这一目标提升至 80%。《通知》建设范围覆盖全国,体现了此次建设的广度和深度,预计将对全国的自然资源等各类数据进行新一轮采集和处理,实景三维中国的建设进入快速推进期。
 
实景三维中国建设是测绘地理信息服务的发展方向和基本模式,是对传统基础测绘业务的转型升级,是实现数字空间与现实空间的实时关联互通的关键所在,建设实景三维,不仅能够真实反映自然资源“家底”,还为智慧城市、文博保护、自然资源、不动产、地下空间的权属界定、确认、登记等提供了更精细的表达手法,更是实现数字孪生应用的重要时空信息基底。
 
本文详细描述了广州市城市规划勘测设计研究院(以下简称“我院”)在实景三维建设方面的新探索、新模式和新应用,包括了全国产二三维一体化新型基础测绘生产模式、多人在线协同数据生产平台和数字孪生应用实践。
 
全国产二三维一体化新型基础测绘生产模式
 
为响应国家推进实景三维中国建设的要求,认真贯彻“十四五”自然资源保护和利用规划,切实打破国外相关软硬件技术掣肘的局面,我院依托《中山市 2021-2022 年基础地理信息数据更新项目》,探索出一条全国产化、可复制、低成本、标准化的基础测绘生产模式(以下简称“本模式”),通过协同作业“数据工厂”生产模式,一次测绘可生产包括倾斜三维模型、单体化模型、激光点云、DEM、DSM、TDOM 以及 1:500 地形图等全系列测绘产品。
 
 
在航飞硬件设备方面,本模式基于多视角航空摄影仪与机载激光扫描设备的系统集成倾斜摄影方案,搭载倾斜摄影激光雷达航摄系统,实现高质量倾斜影像及Lidar 数据获取。该系统打破了国外一体化设备垄断局面,一次航飞可同时获取多套成果,可生产全系列测绘产品,对比传统多次外业,可大大节省成本和时间。
 
在实景三维模型生产方面,本模式基于国产化软件大规模实景三维数据生产集群并行处理软件,系统融合摄影测量、计算机视觉、人工智能等技术,支持海量数据多区块联合空三,可自动生成高分辨、逼真的纹理贴图,并且能够自动检测并去除三维模型中的碎片和悬浮物,三维模型生产高效、精准、效果逼真。
 
在地形图测图方面,本模式基于实景三维测图系统,实现1:500 地形图生产流程化协同作业。系统支持二三维多源数据测图和多源异构数据格式转换,符号丰富、采集完整性好、效率高,系统一体化程度高,可极大节省测图工作成本。
 
在 DEM、DSM 生产方面,本模式采用点云分类算法批处理、人工精修正的生产流程,辅以实景三维模型、地形图成果交叉验证,进行参数化定制生产。
 
在单体化模型生产方面,本模式基于快速建模系统集精细化单体建模及 Mesh 网格模型修饰于一体,支持多数据源空地一体化作业模式,可实现高效、参数化、自动化和人机交互方式单体建模。
 
多人在线协同数据生产平台
 
依托自有的强大 GPU 服务器支撑,我院采用“数据工厂”模式搭建空间数据流水化作业生产云平台,将“数据、任务、人员、软件、算法”连接起来,形成“海量、弹性、可定制、协作、在线”的智能计算生产能力,充分发挥“算法 + 算力 + 数据”的联合功效。
 
高精度的航空摄影测量数据成果,通常需要均匀且密集的像控点作为支撑,面积较大的工程伴随着繁重的内业像控刺点任务,该平台采用多人协同刺点策略,通过多人同时参与,分工协作,极大提升像控刺点的效率;同时,多人协同刺点也能一定程度上降低单人操作习惯形成的误差,提升像控刺点精度。
 
大比例尺地形图生产和精细化单体建模,是实景三维建设中繁重的任务之一。我院采用“内容协同作业”模式组织地形图测图工作。其中,“要素集协同”将任务按内容性质和精细程度分解成不同子任务,由不同小组人员负责生产;“平台级协同”根据工作流将建模员、测图员、质检员、项目经理等角色任务集成到平台中,能够完成生产、质检和建库全流程一体化操作,可以实现跨平台、跨区域、跨部门、跨作业阶段协同生产,达到作业生产工艺和流程统一、生产和质检统一的效果,实现数据流转高效化。项目全过程可监控、可追溯,数据安全和成果质量得以保障。
 
实景三维的数字孪生应用实践
 
在基于实景三维模型的数字孪生应用实践上,我院同样具备丰富的研究基础,已贯通数据生产与平台开发的全流程技术环节,包括基础场景搭建、实景三维模型轻量化处理、数字模型构建以及应用平台开发。
 
1. 基础场景搭建:主要有影像贴图、地形加载、数据发布以及 UE 插件接入等内容;基于超图搭建三维场景,支持 DEM 和 DOM、二维以及实景三维模型高效加载渲染同时,基于超图平台,提供多种服务,包括地图功能、数据功能、分析功能、三维分析功能、地址匹配、分布式分析、实时数据处理和分析功能等。
 
2. 实景三维模型的轻量化处理:针对生产好的新型基础测绘数据,剔除多余三角面片,最大化减少倾斜模型体积,瓦片数据则对倾斜进行顶层重建,再将优化后的模型进行格式转换,提升加载效率;
 
3. 数字模型构建:主要通过参数化建模来调整约束性指标以实现模型形态的跟随变化,并且通过基于实景三维图像抓取技术实现对建筑白膜自动贴纹理;
 
4. 应用平台开发:成功打通了传统 GIS 平台分析工具、工作环境与基于 UE4 的三维虚幻引擎的底层衔接,在 UE 平台上实现了多源数据加载、坐标转换、多维空间分析等功能。
 
 
最终为客户提供精度可选、效果可选的多层级数字孪生产品:
LEVEL 1:基础三维场景(DEM+DOM 基本的三维场景)
LEVEL 2:基础地理实体(水流道路等各种元素)
LEVEL 3:基础建筑三维(白模,重点区域精细模型)
LEVEL 4:高精度三维(部分倾斜 + 重点区域精细模型 +参数化建模 + 实时数据)
LEVEL 5:超高精度三维(重点区域精细模型 + 单体化倾斜模型 + 实时数据)
 
我院已将基于实景三维的数字孪生成功应用于城市地灾防治、城市品质提升以及综合管理等方面。在城市地灾防治方面,以北斗 +5G 技术为核心,应用天 - 空 - 地硬件组网,进行多尺度数据融合并结合高清视频,实现城市地灾实时监测,通过地质数据和分析模型,解决突发性地灾的研判和预警难题,例如地面沉降监测和城市内涝监测。
 
 
在城市品质提升方面,集成了最新的时空数据,便于用户了解城市的数据变化,并通过三维分析及场景模拟功能实现真实情境或应急方案的模拟和分析,能够有效提升城市管理的时效性及服务能力;平台通过提供高质量的画面场景、灵活的模型调整功能,能够更加直观地展现不同规划设计方案的生成效果并实时修改,且能通过三维分析功能对比不同方案的差异及合理性,从而为城市的发展决策提供有效支撑。
 
在城市综合管理方面,主要有城市粒度级场景还原、城市规划设计支撑、城市运行管理支撑、重点区域实时监测等功能。
 
 
小结
 
我院依托《中山市 2021-2022 年基础地理信息数据更新项目》探索出一条基于实景三维模型的全国产化新型基础测绘生产新模式。在此基础上,我院采用“数据工厂”模式搭建了多人在线协同生产平台,实现跨平台、跨区域、跨部门、跨作业阶段协同生产。最后,我院基于超图搭建实景三维基础场景,支撑城市地灾监测、智慧城市品质提升以及数字孪生综合管理等方面应用示范。
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