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實景三維模型和地形三維模型

在自然資源三維立體“一張圖”的數據體系中,利用傾斜攝影測量技術制作的實景三維模型具有信息豐富、效果直觀、展示效果真實等優點,能有效發揮調查成果的綜合效益,常用于展示地表要素狀況等,是三維自然資源數據底板的核心數據之一。


今天,就由小編帶你認識一下這神奇的實景三維模型是怎樣做的吧!


實景三維模型怎么來的呢?



步驟1


無人機影像

實景三維模型的真實感,來自于其現實、直觀的質感,這種和現實相同的色彩,源自無人機在空中拍攝的影像。實景三維模型的制作,要從數據采集開始。

從拍攝角度來看,無人機影像,主要分為垂直影像和傾斜影像兩種。(綠色框內影像的視角垂直于地面,被稱為“垂直影像”,其他4個框內的影像與地面形成一定的傾斜角度,被稱為“傾斜影像”。)
圖片
▲圖1 無人機影像視角示意圖


步驟2


攝影測量

只有影像做不出實景三維模型,還需要把二維的影像進行一系列處理才能形成實景三維模型。


首先,要通過攝影測量對相鄰影像進行計算,獲得空間上的三維距離信息。具體來說,攝影測量是基于相鄰影像之間重疊部分的同名點進行影像匹配,獲得相鄰影像之間的視差和深度(距離)信息的一種技術。
圖片
▲圖2 相鄰影像之間的重疊關系示意圖


結合每張影像的位置、姿態信息,利用攝影測量技術解算處相鄰影像之間的空間關系。(以圖3為例,這是4張影像解算后的空間關系示意圖,由于參與建模的影像數量通常會非常多,這些空間關系比這個復雜得多。)
▲圖3 相鄰影像之間的空間關系解算示意圖


步驟3


彩色點云

基于這些關系通過影像密集匹配將影像中的各像素在三維空間中離散化,成為三維空間中一個個離散的帶有彩色的點,稱之為“彩色點云”。
圖片
▲圖4 彩色點云效果


彩色點云既有作為點云的幾何特性,每個點又帶有彩色信息。通過TIN三角構網方法,將一個個離散的點云點連接形成一個個三角形面片并形成三角網,作為實景三維模型中的基礎模型——“白模”。
圖片
▲圖5 白模效果


這時候,發揮彩色點云的彩色屬性——根據點云的空間位置,將點云的彩色信息映射到白模表面。這樣,既有幾何外觀、又有真實彩色紋理的實景三維模型就此大功告成了!
▲圖6 實景三維模型的效果


實景三維模型有哪些應用?



經歷了上述艱難的制作過程后,如果實景三維模型僅僅只是用來瀏覽的話,也未免太浪費了吧?實際上,實景三維模型兼具三維和實景兩大特性,在自然資源的業務工作上,它有著豐富的空間分析應用,為其他行業提供了強大的數據支撐。


應用1


日照分析

根據研究區的地理位置,利用日照分析功能即可評估實景三維模型所在地一年四季的日照和陰影變化。


應用2


填挖方分析

實景三維模型對某地進行填挖方分析后,即可評估出平整一定范圍的地表所需要的填、挖方量分別是多少,大大解放了工程測量人員的內外業工作量。
圖7 某山坡廣場的填、挖方量評估


應用3


淹沒分析

廣東省地處(亞)熱帶季風氣候區,臺風、暴雨天氣多發。在實景三維模型的支持下,我們可以直觀便利地分析評估暴雨天氣對低洼地區的淹沒威脅,及早制定相應對策。
圖片
圖8 某低洼貨柜場的淹沒威脅評估
圖片
圖9 某低處工地的淹沒風險預測


基于實景三維模型的空間分析應用遠不止這些,在自然資源管理工作中常用到的還有三維量測、三維緩沖區、通視性分析、天際線分析等,受限于篇幅的緣故,小編就不在此一一詳細列舉了。


隨著自然資源三維信息化建設和“實景中國”的不斷推進,相信實景三維的應用一定會越來越廣泛,三維化的自然資源信息化體系將為自然資源管理和決策提供更完備的支撐和保障,準確、有效地履行自然資源“兩統一”職責。


引言:自然資源部發布《2020年自然資源部網絡安全與信息化工作要點》中明確提出,推進自然資源三維立體“一張圖”建設。那么如何構建三維立體自然資源“一張圖”,讓小編帶你一起看看吧!


構建三維立體自然資源“一張圖”


利用基礎測繪成果,以數字高程模型(DEM)等三維測繪成果為基底,以遙感影像為背景,集成整合地下空間、地表基質、地表覆蓋、業務管理等各類自然資源和國土空間數據,按照統一的標準,構建自然資源三維立體“一張圖”,真實地反映自然資源現實狀況和自然地理格局。




小李:按照部文件要求,制作全省地形三維模型,那么什么是地形三維模型呢?

小建:地形三維模型,簡單地說,就是融合不同尺度及分辨率的航空影像、衛星影像以及數字高程模型,生成帶有準確地理位置的、逼真的地形數據庫。

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▲地形三維模型構成圖


在地形三維模型之上就可以承載二維矢量、實景三維、白模、BIM模型、地下地質模型等各類型數據成果,從而實現二三維一體化展示和分析功能。




小李:哇,這么炫酷的三維模型是怎么制作的呢?

小建:在數據層面,融合正射影像和數字高程模型,制作覆蓋全省范圍的地形模型。主要的工作流程如下:


▲地形三維模型制作技術流程圖



小李:在高要求高標準前提下,我們在地形三維模型的生產過程中主要面臨的困難是什么呢?

小建:地形三維模型的生產對于我們也是一項新的挑戰。

一是數據處理量大:全省影像約30T,數字高程模型數據約2T,需要在3個月內完成所有的數據處理和加工,包括拼接、勻色、裁切等,對機器設備以及技術工藝要求高;


二是數據源更新不同步:全省影像和數字高程模型目前采用分區域持續更新,難以同時開展全范圍的生產;


三是應用效率要求高:為滿足三維應用的要求,不僅需要具備共享開放的能力,同時需保障其分析展示等應用效率。



小李:那我們是如何化解這些難題呢?

小建:針對以上困難,我們三維制作團隊主要從生產工藝流程、提升展示效果、優化算法模型、整合發布創新4個方面進行突破,化解難題。


一是整合優化生產工藝流程:我們三維技術團隊仔細分析了數據情況,研究了地形三維模型生產、發布、共享的技術流程,借鑒了電子地圖的制作發布方法,制定了詳細的地形三維模型制作技術方案,提高地形三維數據處理效率;


二是提升展示效果:采用分層構建數據模型,優化顯示效果。在不同比例尺下,分別采用適應的遙感影像和數字高程模型構建地形三維模型,解決了三維模型整體色彩不一致性的問題,提升顯示效率;


三是優化數據算法模型:使用金字塔數據引擎、四叉樹數據索引算法、快速LOD算法、小波快速壓縮等算法將不同時相、不同空間參考、不同分辨率的航空影像、衛星影像和數字高程模型進行融合,構建海量三維地形模型;實現圖像高壓縮和快速還原,調圖響應時間不超過0.5秒,從而在根本上解決了海量數據的網絡瀏覽問題。在保證數據精度的前提下,全省原始影像數據約25T,地形三維模型成果約2T,壓縮比達1/10;


▲地形三維模型金字塔結構


四是模型整合發布創新:數據成果采用全新的分塊建模直連發布方式,按行政區劃分塊構建地形三維模型后,在服務端整合為完整的全省地形三維服務,直接發布到客戶端進行無縫瀏覽,減少創建三維地形數據集的時間,并實現分塊快速更新。


經過省國土資源技術中心三維技術團隊的努力,現已初步完成全省范圍的地形三維模型制作,并開展了與業務系統對接工作。今后,將深入學習研究最新的三維技術,做好廣東省三維基礎地理信息數據庫的建設工作,同時圍繞服務自然資源業務,提升省級三維平臺共享服務和應用支撐能力。


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▲廣東某地的地形三維模型效果



文章轉載于:廣東省國土資源技術中心

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