實景三維的內(nèi)涵與分類分級

肖建華，李海亭，李鵬鵬，王詩云，陳凱

(武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

1 引 言

黨的十九大報告明確提出建設數(shù)字中國，而實景三維中國的建設恰恰是自然資源部落實數(shù)字中國、平安中國、數(shù)字經(jīng)濟戰(zhàn)略的重要舉措，是測繪地理信息行業(yè)落實國家新型基礎設施建設的具體部署。《民法典》明確提出了要對地上、地表、地下實施分層管理。2019年印發(fā)的《自然資源部信息化建設總體方案》中提出“推進三維實景數(shù)據(jù)庫建設”。2020年全國國土測繪工作會議提出新時期測繪工作“兩服務、兩支撐”的根本定位，明確要求大力推動新型基礎測繪體系建設，構建實景三維中國。2021年全國自然資源工作電視電話會議要求“加快建設實景三維中國、自然資源一張底圖”。

實景三維中國以打造數(shù)字中國建設的統(tǒng)一時空基底為目標，以滿足各行業(yè)、各部門和社會公眾對自然資源時空基礎數(shù)據(jù)的迫切需求為導向，通過國家、省、市、縣、區(qū)協(xié)同實施，構建地形級、城市級等系列實景三維中國產(chǎn)品，來支撐經(jīng)濟社會發(fā)展，服務各行業(yè)需求，支撐自然資源管理，服務生態(tài)文明建設，提升測繪地理信息工作的自身能力和水平。

本文以國家新型基礎測繪武漢試點和實景三維武漢建設實踐為基礎，結(jié)合武漢市20多年來三維產(chǎn)品的生產(chǎn)和應用服務經(jīng)驗，詳細闡述了實景三維的內(nèi)涵，并按照生產(chǎn)方式、表現(xiàn)形式、組織模式等特點對實景三維產(chǎn)品進行分類分級，與傳統(tǒng)三維產(chǎn)品相對比，進而重點介紹了實景三維武漢的總體布局與生產(chǎn)思路。

2 實景三維概述

2.1 實景三維的定義

廣義上的實景三維[1]是對人類生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間進行真實、立體、時序化反映和表達的數(shù)字虛擬空間，具有真實、現(xiàn)實、景觀可視、三維立體表達的特點，是人機兼容理解的。狹義上的實景三維通常是指采用傾斜攝影測量三維重建技術生產(chǎn)的傾斜三維模型。本文研究的實景三維是廣義上的實景三維，將狹義上的實景三維統(tǒng)稱為傾斜三維。

在多年來城市三維模型和新型基礎測繪武漢試點建設中，武漢市將既有的生產(chǎn)建設經(jīng)驗融入實景三維的總體定義中，提出了實景三維的實體化、語義化和結(jié)構化特征[2]，按照表現(xiàn)形式分為傾斜三維、仿真三維和視頻三維，按照表達內(nèi)容分為地形級、城市級(框架級)和部件級(單體級)。隨著對核心內(nèi)容的深入探討和應用場景的不斷延伸，實景三維不僅是新型基礎測繪的一項標準化產(chǎn)品，更將作為國家新型基礎設施建設的重要組成部分，為經(jīng)濟社會發(fā)展和各部門信息化提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)基礎與空間基底。

2.2 實景三維的內(nèi)涵

實景三維的本質(zhì)是在三維地理場景、地理實體基礎上動態(tài)時空實體數(shù)據(jù)基礎的建設，在統(tǒng)一編碼、分類分級、質(zhì)量控制、組織分工的基礎上，通過在三維場景上承載結(jié)構化、語義化、支持人機兼容理解和物聯(lián)實時感知的地理實體，實現(xiàn)對現(xiàn)實世界的時序化、多尺度、全空間描述，使測繪成果真正用于行業(yè)內(nèi)外的三維可視化、統(tǒng)計分析、管理決策等現(xiàn)實需要，是為經(jīng)濟社會發(fā)展和各行業(yè)各部門信息化提供的統(tǒng)一的空間基底。

實景三維的內(nèi)涵體現(xiàn)在以下5個方面：

一是真實，實景三維核心的內(nèi)涵是建立在統(tǒng)一的地心坐標系空間參考下地理位置和幾何形態(tài)的真實反映，能夠滿足宏觀層面的全球全國層級、中觀層面的省區(qū)城市級乃至微觀層面的部件單體級空間參考的嚴格統(tǒng)一、基準一致，并以三維形式表達地物實體的空間位置與表現(xiàn)形態(tài)，突破了傳統(tǒng)非三維測繪產(chǎn)品空間參考多樣、表現(xiàn)形式單一、專業(yè)性強、表現(xiàn)力弱的局限，是空間域上地上地下、室外室內(nèi)、陸地水域一體化的新的測繪產(chǎn)品。

二是現(xiàn)實。實景三維是立足于滿足自然資源動態(tài)實時監(jiān)測管理、城市治理能力和治理體系現(xiàn)代化建設的需要，充分運用智能測繪時代先進的測繪地理信息技術生產(chǎn)更新周期更短、更靈活的三維實景產(chǎn)品，突出表現(xiàn)是數(shù)據(jù)產(chǎn)品的現(xiàn)勢性，打破了傳統(tǒng)測繪產(chǎn)品階段性節(jié)點表達的局限性，面向全生命周期刻畫生產(chǎn)、生活、生態(tài)空間地物實體的發(fā)展變化，建設更具生命力的時序化、實時化、動態(tài)化的時空數(shù)據(jù)底版。

三是景觀可視。即對現(xiàn)實世界現(xiàn)實感官的數(shù)字化、景觀化的映射，在面向非測繪地理信息專業(yè)領域的應用中，實景三維的景觀可視是最直接、最有效的理解，打破了傳統(tǒng)4D產(chǎn)品是從二維視角抽象描述現(xiàn)實世界的固有模式，著重提升新型三維產(chǎn)品的可視化表達能力，內(nèi)容覆蓋更為立體全面，細節(jié)描述更為精細，展示效果更為真實美觀。

四是模型化。實景三維是人機兼容理解的，即單體化、實體化，但實景三維本質(zhì)上仍然是“模型”，是對客觀世界客體的三維模擬和仿真，對現(xiàn)實中主觀存在的文化、經(jīng)濟、人文、意識等現(xiàn)象和信息是極難準確表達的，在當前階段，完整地實現(xiàn)現(xiàn)實世界“孿生”是不可能的。

五是多維度。實景三維內(nèi)涵包括但不僅僅局限于空間上的點線面體即零、一、二、三維空間數(shù)據(jù)，時間上的第四維變化，也包括無限的、可擴充的語義屬性信息的第五維，乃至通過建立演化演變模型開展仿真模擬、復盤等能力的更高維度的擴展，是具備多維度支撐水平和服務能力的時空基礎數(shù)據(jù)。

2.3 重要關系

我國測繪地理信息領域正在重點推進新型基礎測繪體系、實景三維中國、時空大數(shù)據(jù)云平臺三項建設工作[3]，三者之間關系銜接緊密，共同圍繞“兩支撐、一提升”提供地理信息服務[4]。新型基礎測繪體系建設是實景三維中國建設的能力基礎，實景三維中國是新型基礎測繪建設的一個典型產(chǎn)品，也是時空大數(shù)據(jù)云平臺建設的數(shù)據(jù)基礎，時空大數(shù)據(jù)云平臺是面向新時代、新任務的服務平臺，關系如圖1所示。

圖1 三項工作的關系

3 實景三維分類

實景三維產(chǎn)品的核心特征是真實、現(xiàn)實和景觀可視的，是人機兼容可懂的。實景三維產(chǎn)品以地理場景信息和承載的地理實體數(shù)據(jù)為基底，以軟硬件等環(huán)境為支撐，通過物聯(lián)感知展示、記錄和分析現(xiàn)實世界的動態(tài)變化，實現(xiàn)現(xiàn)實世界的數(shù)字孿生[5]。

實景三維產(chǎn)品分為傾斜三維、仿真三維和視頻三維三類，三者具有統(tǒng)一的時空基準，能夠滿足三維量測、實體關聯(lián)、語義標注等要求。但三者在表現(xiàn)形式、數(shù)據(jù)結(jié)構、應用場景、生產(chǎn)標準等方面仍有顯著差異，傾斜三維在表達上最為直觀、真實，仿真三維融入實時感知信息模擬真實場景，視頻三維以流數(shù)據(jù)的形式實現(xiàn)全空間的動態(tài)表達。

3.1 傾斜三維

傾斜三維是通過傾斜攝影技術獲取正視、側(cè)視等多角度航空影像，經(jīng)影像預處理、空三處理、多視傾斜影像匹配、生成密集點云后，構建不規(guī)則三角網(wǎng)。進而采用混合航攝儀或同區(qū)域激光點云數(shù)據(jù)，將生成的密集點云與激光點云規(guī)劃到統(tǒng)一坐標系下，融合處理以提高建模精細度，從而生成高精度的三維模型。因而傾斜三維實際上是一個Mesh形式的實景三維模型[6～8]。

傾斜三維是狹義上的實景三維，是現(xiàn)實世界在可視化方面最直觀、真實的數(shù)字化映射，不僅準確豐富、高質(zhì)量地反映了地物地貌、建構筑物等空間地物的幾何形態(tài)、特征紋理特點，還高精度地表達了各類地物設施的位置姿態(tài)、拓撲關系、尺寸大小，是城市級、部件級實景三維建設的主力和核心，也是新型基礎測繪體系建設的典型產(chǎn)品。

目前，全國多個地區(qū)已針對城市建成區(qū)(建設區(qū))以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村等城市區(qū)域，開展傾斜攝影測量三維建模工作，運用傾斜三維進行智慧城市建設、地籍管理、城市更新等等，在《“十四五”全國基礎測繪規(guī)劃》和《實景三維中國建設技術大綱》中均明確提出：“‘十四五’期間基本完成地級以上城市和其他有條件區(qū)域的城市級實景三維建設”，城市級實景三維建設即中觀層面的城市級實景三維建設，其核心任務就是建立以傾斜三維為基礎的實景三維。傾斜三維如圖2所示。

圖2 傾斜三維

3.2 仿真三維

仿真三維是以人工方式生產(chǎn)的、模擬現(xiàn)實世界的三維模型為空間數(shù)據(jù)基礎，以實時感知信息為驅(qū)動，運用計算機技術構建的動態(tài)虛擬現(xiàn)實三維模型及場景。仿真三維最突出的特點是臨場環(huán)境逼真，光照、粒子、聲音以及運動物體的模擬效果良好，輔以如專業(yè)的頭盔、手套等虛擬傳感設備，能夠?qū)崿F(xiàn)基于模擬仿真三維場景的特定功能功效。

仿真三維是為充分利用人類感官能力作為時空動態(tài)信息認知理解方式，對看得見的現(xiàn)實世界和看不見的蘊藏信息進行數(shù)字化模擬，使人類提升對客觀世界進行三維描述、實時交互、動態(tài)分析、知識提取的能力。

20世紀90年代中后期，全國一些城市為滿足城市規(guī)劃的需要，開展了城市三維模型的建設，這個時期的三維模型是仿真三維的初期成果。隨著計算機虛擬現(xiàn)實技術的不斷發(fā)展，模型與計算機仿真開始應用于三維模型建設之中。特別是在對城市景觀場景的可視化表達方面，相關技術不斷更新。在新型基礎測繪體系中，仿真三維是實景三維在不同階段和需求下的產(chǎn)品形式，在城市規(guī)劃、建筑設計等方面嶄露頭角并持續(xù)在各個領域發(fā)揮作用。仿真三維如圖3所示。

圖3 仿真三維

3.3 視頻三維

視頻三維即視頻流全景地圖，是采用視頻傳感器采集多視角視頻流數(shù)據(jù)，通過視頻拼接生成全景視頻，同時利用GNSS或SLAM等定位定向技術，或點云與視頻影像融合等技術形成的一種全視角、可量測、沉浸式、語義化的新型實景三維產(chǎn)品。

視頻三維以流數(shù)據(jù)的方式動態(tài)刻畫三維世界，是一種高階形式的動態(tài)的實景三維，具備了實景三維的核心特征，是基礎地理實體的一種三維形式，支撐產(chǎn)品生產(chǎn)的軟硬件、技術路線相對較為成熟，能夠高效地與傳統(tǒng)二維地圖、仿真三維、傾斜三維建立空間聯(lián)動的一體化關系，并通過人工智能、機器學習等技術實現(xiàn)視頻三維的實體化、語義化。視頻三維如圖4所示。

該產(chǎn)品的生產(chǎn)可基于移動測量車、背包等平臺，采用全景攝像機、定姿定位設備，沿道路、街巷等線性路徑開展采集，并在城市環(huán)境整治、大型活動舉辦等多項工作中開展廣泛應用。

圖4 視頻三維

4 實景三維分級

通過國家、省、市(縣、區(qū))和市場等分主體、分層級的協(xié)同聯(lián)動建設，構建宏觀區(qū)域全國覆蓋、陸海兼容的地形級實景三維，和中觀層面中等精度的城市級實景三維，乃至微觀層面的部件級實景三維，從而構成全域廣泛覆蓋、精度分級適用、產(chǎn)品形式多樣的實景三維中國。

4.1 地形級實景三維

地形級實景三維的生產(chǎn)組織與應用需求主要以國家和省區(qū)層面為主導，面向宏觀尺度提供三維可視化、空間量算等服務。將數(shù)字高程模型(DEM)/數(shù)字表面模型(DSM)融合數(shù)字正射影像(DOM)/真正射影像(TDOM)，或傾斜攝影三維模型，疊加以二維形式表達的基礎地理實體，獲取其他實體、物聯(lián)感知數(shù)據(jù)，組裝生成地形級實景三維產(chǎn)品。地形級實景三維如圖5所示。

圖5 地形級實景三維

4.2 城市級(框架級)實景三維

城市級(框架級)實景三維的生產(chǎn)組織與應用需求主要以省區(qū)和市縣層面為主導，面向中觀尺度提供精細化表達與空間統(tǒng)計分析服務，滿足城市級精細化管理需要。城市級實景三維產(chǎn)品一般以傾斜攝影三維模型或其他真實三維模型，如手工模型三維等為數(shù)據(jù)基礎，進一步獲取其他實體、物聯(lián)感知數(shù)據(jù)，進行實體化、語義化處理，從而規(guī)?；a(chǎn)中低精度三維模型。

圖6 城市級實景三維

4.3 部件級(單體級)實景三維

部件級(單體級)實景三維的生產(chǎn)組織與應用需求主要以市縣層面為主導，面向微觀尺度提供精準表達，滿足不同需求的個性化定制服務?；诟呔鹊募す釲iDAR(機載、車載、架站、背包)數(shù)據(jù)、高精度傾斜三維模型、建筑信息模型(BIM)以及精細三維模型等數(shù)據(jù)，獲取其他實體、物聯(lián)感知數(shù)據(jù)，構建或轉(zhuǎn)換生成室內(nèi)外建筑模型、地下空間模型等部件級實景三維產(chǎn)品。部件級實景三維如圖7所示。

圖7 部件級實景三維

4.4 粒度與精度

實景三維的粒度通常指產(chǎn)品表達的最小地理單元。其中，地形級實景三維表現(xiàn)到行政區(qū)劃、自然地理單元和農(nóng)林用地及土質(zhì)單元等層面，城市級實景三維細化至土地利用現(xiàn)狀層面、自然資源登記和不動產(chǎn)登記單元，部件級實景三維則表達到建(構)筑物結(jié)構部件、建筑室內(nèi)部件、道路設施部件、地下空間部件等。

實景三維的精度包括幾何精度、時間精度、紋理精度、類別精度和屬性精度。

幾何精度與其分級密切相關，地形級實景三維的幾何精度為米級；城市級實景三維的幾何精度不低于 0.2 m，城市建成區(qū)及其他重點區(qū)域不低于 0.05 m；部件級的幾何精度為不低于 0.03 m。

時間精度是對產(chǎn)品生產(chǎn)更新的時間間隔進行精度評定的指標，原則上地形級宏觀區(qū)域的時間精度為年，城市級中觀區(qū)域的時間精度為月，部件級重點區(qū)域(重點監(jiān)測、中心城區(qū)建設區(qū)域等)的時間精度為周。

紋理精度是對產(chǎn)品外觀溝紋、圖案、形態(tài)等結(jié)構特征表現(xiàn)能力的尺度描述，紋理精度指標采用圖像特征指標，包括對比度、亮度、色調(diào)、色相、飽和度等。

類別精度是對產(chǎn)品本質(zhì)差異的定性的一種語義描述，類別精度的指標根據(jù)地理信息的來源進行設計。

屬性精度是對性質(zhì)和關系的屬性值(編碼值)與其真實值的符合度的描述，表示屬性值與其真值之間的接近程度和屬性值的正確性、豐富程度。屬性精度是實體進行語義分析、空間分析的重要依據(jù)。

5 產(chǎn)品對比

在生產(chǎn)生活應用中，數(shù)字化三維產(chǎn)品是多樣的，常見的如人工模型三維、工業(yè)模型、BIM、CIM等，在幾何空間表達上雖然都是三維形式，但生產(chǎn)手段、細節(jié)表現(xiàn)、應用場景等特點與實景三維又不盡相同。

5.1 城市信息模型(CIM)與實景三維

以建筑信息模型(BIM)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)等技術為基礎，整合城市地上地下、室內(nèi)室外、歷史現(xiàn)狀未來多維多尺度空間數(shù)據(jù)和物聯(lián)感知數(shù)據(jù)，構建起三維數(shù)字空間的城市信息有機綜合體。CIM用于表達和管理城市三維空間，是城市立體規(guī)劃、建設、管理、運行的信息基礎，主要圍繞智慧城市建設開展信息采集和使用。CIM示例如圖8所示。

圖8 CIM示例

CIM與實景三維的表現(xiàn)形式與幾何尺度是類似的，差異在于表現(xiàn)內(nèi)容與應用范圍的側(cè)重點不同，CIM重點關注城市空間，實景三維關注國土空間與自然資源。

5.2 建筑信息模型(BIM)與實景三維

BIM是以三維圖形為主、物件導向、建筑學有關的電腦輔助設計，通過建立建筑工程三維信息庫，實現(xiàn)建筑的數(shù)據(jù)化、信息化模型整合，是建筑物理和功能特征的數(shù)字表達，在建筑設計、施工、運營的全生命周期過程中提供協(xié)同平臺。BIM示例如圖9所示。

圖9 BIM示例

BIM與實景三維的區(qū)別在于應用領域、幾何尺度、生產(chǎn)模式和更新方式等的差異。

5.3 工業(yè)模型與實景三維

工業(yè)模型是運用計算機技術將對象三維數(shù)字化的產(chǎn)品，該對象包括機械設備、建筑等，側(cè)重于突出對象的幾何構造或構件關系，弱于紋理表達，生產(chǎn)方式以手工建模為主，主要在工業(yè)產(chǎn)品設計、逆向工程、三維打印以及部分建筑設計中運用。工業(yè)三維模型如圖10所示。

圖10 工業(yè)模型示例

工業(yè)模型與實景三維的區(qū)別在于應用對象、技術手段和表達重點的差異。

6 實景三維武漢建設

圍繞武漢市基礎測繪“十四五”規(guī)劃和國家新型基礎測繪武漢試點建設要求，武漢市統(tǒng)籌推進“實景三維武漢”建設，支撐自然資源管理，服務生態(tài)文明建設，支撐各行業(yè)需求，服務經(jīng)濟社會發(fā)展，支撐智慧城市建設，服務城市治理能力現(xiàn)代化。

在地形級實景三維武漢的建設中，利用高精度數(shù)字正射影像和數(shù)字表面模型等成果，建立起覆蓋全市范圍的地形級三維模型，展現(xiàn)山川河流等地形地貌以及城市、村鎮(zhèn)的分布與形態(tài)。

在城市級(框架級)實景三維武漢的建設中，中心城區(qū)范圍內(nèi)，實施分辨率優(yōu)于 0.1 m的傾斜航空攝影，結(jié)合主要道路的激光點云數(shù)據(jù)和全景影像，對主要道路和部分重要公共建筑建立單體化模型，綜合上述成果和高精度矢量數(shù)據(jù)，建立起覆蓋中心城區(qū)的城市級實景三維模型。新城區(qū)范圍內(nèi)，根據(jù)各區(qū)實際情況選取重點、熱點發(fā)展區(qū)域，實施分辨率優(yōu)于 0.1 m的傾斜航空攝影并對范圍內(nèi)主要道路和重點公共建筑進行單體化建模，建立新城區(qū)城市級實景三維模型。

在部件級(單體級)實景三維武漢的建設中，綜合利用傾斜攝影與激光點云成果，結(jié)合室內(nèi)三維激光掃描，建立區(qū)域內(nèi)市政道路、重點公共設施、標志性建/構筑物的實體化、語義化精細實景三維模型。

7 結(jié) 語

實景三維中國建設是測繪地理信息行業(yè)進入新發(fā)展階段、貫徹新發(fā)展理念、構建新發(fā)展格局的一項重要工作，是落實國家新型基礎設施建設的具體部署，與國家新型基礎測繪體系建設、時空大數(shù)據(jù)云平臺建設緊密關聯(lián)，都是測繪地理信息供給側(cè)結(jié)構性改革的重要之舉，這是一場真正意義上的變革。需要集國家、省、市各級和各行業(yè)之力，通過逐步完善政策鏈、技術鏈、市場鏈、資金鏈、服務鏈，形成環(huán)環(huán)相扣、鏈鏈相接的實景三維產(chǎn)業(yè)發(fā)展局面，推動實景三維中國建設成為測繪地理信息行業(yè)新的發(fā)展方向和業(yè)態(tài)，推進經(jīng)濟、社會、民生等領域的協(xié)同發(fā)展。