高精度城市级实景三维Mesh建模与应用|mesh|城市级实|算法

江西地名研究

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摘要：以省县级市为研究区域，选用智能型无人机搭载5镜头倾斜相机，实施倾斜摄影数据采集，采用地物点、靶标点相结合的方式布设控制网，综合应用Das GET3D Cluster、Context Capture、SvsGeoModeler、MapEasy等软件，在规模化多节点大算力集群环境下进行空中三角测量、实景三维模型构建与精细化表达，生成高精度三维Mesh模型。基于高精度三维Mesh模型成果进行真正射影像（TDOM）制作、城市实景三维模型快速构建和城市地理信息公共服务平台地名／地址提取更新等。经检测，三维Mesh模型平面中误差可达0.0476m，高程中误差可达0.0382m，远高于规范要求。相关研究成果可为城市级实景三维模型构建及城市更新提供参考。

关键词：无人机倾斜摄影；高精度三维Mesh建模；城市三维模型（LOD1.3）；真正射影像图；地名／地址调查建库

实景三维是对人类赖以生存、生产和生活的自然物理空间进行真实、立体、时序化反映和表达的数字虚拟空间，是国家新型基础设施建设的重要组成部分，为经济社会发展和各部门信息化与智能化提供统一的空间基底，是落实建设数字中国、智慧社会的技术支撑，分为地形级、城市级、部件级三级。一般地形级实景三维建设属于省级任务，城市级、部件级实景三维建设由市县主导。人工智能算法、大数据、计算能力“三驾马车”是地理信息产业和时空数据应用转型升级的关键。随着地理信息不断转型升级应用和实景三维中国建设的快速推进，目前城市级的实景三维模型重建已成为研究重点。Mesh是由相互连接的节点构成的网格结构，可以表示为一个由不规则三角格网（triangulated irragular network,TIN）面片组成的面片集合，Mesh模型是通过Mesh共享边或顶点相互连接并映射纹理构成，是重要的城市级实景三维数据，其质量好坏直接影响着实景三维应用效果。无人机作为低空经济的对地观测平台，具备高效率、高精度、低成本等特点，在大比例尺测绘产品生产、快速实景三维建模、目标识别与分类、定量监测等方面得到广泛应用，已成为城市级实景三维遥感数据采集的重要载体。

河南省地形级实景三维建设正在有序开展，城市级、部件级实景三维建设亟待推进，而如何选择数据获取设备、建模处理软件，在高精度要求下高效完成任务方面，经验略显不足。本文以县级城市建成区实景三维建设为例，探索以无人机低空遥感和算力集群为基础，选择高效稳定的建模软件，构建高精度实景三维Mesh模型，并应用于真正射影像图(true digital orthophoto map,TDOM)制作、城市三维模型快速构建、地名／地址调查建库更新等，为县级城市实景三维建设提供参考。

方法论述

首先，采用倾斜摄影测量方式对建成区开展无人机航空摄影，获取高清影像，利用省级卫星导航定位基准服务系统及全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）载波动态实时差分（real time kinematic,RTK）技术实施外业像片控制测量；其次，选用建模软件，通过空中三角测量、数字表面模型（digital surface model,DSM）匹配、纹理映射等初步建立三维Mesh模型；然后，对模型进行精细化处理生成高精度实景三维Mesh模型；最后，基于高精度模型进行TDOM制作、城市实景三维模型快速构建和城市地理信息公共服务平台地名／地址提取更新。其中，城市三维模型的构建是通过采集建（构）筑物基底数据，经三维拉伸处理、通用纹理映射和属性关联完成。无人机航空摄影、规模化大算力硬件、控制网布设、建模软件等，是保障高精度城市级实景三维Mesh建模及应用一体化的关键。总体技术流程如图1所示。

1.1 建模配置

建模硬件主要是无人机遥感设备和大算力集群。其无人机选择垂直起降固定翼无人机，对起降场地要求不高，便于空域申请，搭载多镜头倾斜摄影相机；大算力集群需满足≥100节点算力，支撑Mesh建模数据处理，提供规模化分布式并行计算支持；对应建模数据处理关键工序分类选择不同软件，如表1所示，分别用于空中三角测量、Mesh模型构建及模型精细化表达等。

1.2 倾斜摄影技术指标

倾斜摄影技术是城市实景高精度三维建模的关键技术，使用无人机倾斜摄影采集多位姿高清影像，可真实地反映地理要素，广泛应用于NeRF、点云多源融合高精度建模、城中村精细化测绘等。面向城市级实景三维Mesh建模，综合建成区地形、空域、天气等因素，影像数据源获取技术指标如表2所示。

1.3 控制网布设策略

控制网为高精度城市级实景三维Mesh建模提供坐标基准。采用地物点与地面靶标点相结合的规则布网方式，航向间隔6~16条基线、旁向间隔4~8条航带布点，点间距200~500m。控制点布设在清晰易于判别、四周空旷无遮挡的地面，检查点均匀布设在远离控制点、精度控制薄弱位置。

特殊区域采用不规则区域网布点法，如凹角转折处或凸角转折处增设像控点，舍弃理论落水点并在该点位附近双向增设2个像控点。靶标形状为“L”型，统一测量至外拐角。飞行期间部分靶标损毁的，选取特征地物点补测。采用GNSS RTK设备测量获取控制点坐标，并进行投影和高程转换。

1.4 Mesh模型构建

1.4.1 分区空中三角测量

空中三角测量主要是将5个视角的影像数据以及通过机载定位定向系统（positioning and orientationsystem,POS）获得初始倾斜影像的外方位元素同时导入程序中，再利用正视、斜视影像构建区域网，自动匹配多视角影像；经过反复滤波、平差，解算得到符合精度要求的精确外方位元素，进行控制点和加密点量测，通过平差计算获得加密成果。

为确保空中三角测量成果满足Mesh模型构建要求，在数据整理时，将影像文件、POS数据统一重命名，结合相机信息建立信息库，使影像空间位置和姿态信息保持一致；像控点标记时，每个点位至少需要3~5张影像，将点位放置到像素内，可有效减少人为误差。

1.4.2 Mesh模型构建

利用自动化建模软件，采用影像匹配技术和三维网格优化算法，自动生成精准的三维模型以及格网面片的影像纹理，确保格网顶点放置在最佳位置；此建模方法能够表现更精细的细节和更锐利的边缘，从而提高几何精度。选用自动化程度较高、算法先进的主流软件，根据空中三角测量加密匹配的密集点云，构成不规则三角网（TIN），优化生成目标物白模，计算对应的纹理，将纹理映射到对应的白模上，重建实景三维Mesh模型，并按分块矩形格网形式输出。

1.4.3 Mesh模型精细化表达

虽然在上一步建模过程中，采取了调整软件参数、几何约束条件等方法进行优化处理，但存在城市公共区域道路不平、建筑物扭曲、道路车辆糊影、纹理破洞、色彩斑驳等模型缺陷，需进行人工交互处理，进而实现Mesh模型精细化表达。

实例分析

以河南省某县级建成区为例，研究区域如图2所示，建成区总面积约57.28km2，其中主城区面积为25km2。该区域北延宁洛高速，西依沙河、S232省道，南接灰河，东至S83兰南高速，地形基本是平原，平均海拔约80m，最大高差约20m；城区居民区密集，分布较多高层建筑物，航空摄影困难类别Ⅱ级。

图2研究区域范围示意图

2.1 倾斜摄影及控制测量

倾斜摄影测量硬件包括飞行平台、航摄传感器、地面控制站三部分。飞行平台为智能型CW15Ⅱ长航时垂直起降固定翼无人机，搭载全画幅、2.1亿像素CA503R五镜头倾斜相机。根据区域概况，采用长焦镜头，航摄时间为9月上旬，南北方向飞行，每天10：00~15：30时间段作业，获取影像139155张（“*.jpg”格式）及POS数据（“*.txt”格式）；控制点布设平均点间距400m，共布设像控点、检查点451个。倾斜摄影技术指标如表3所示、航线设计及控制网布设如图3所示。

2.2 Mesh建模及精细化表达

应用Das GET3D Cluster，针对139155张“*.jpg”格式影像数据源，分2个区，投入20节点算力，每个分区通过集群算力网在线分发至网内10个算力节点进行空中三角测量处理；应用Context Capture，投入100节点算力计算，经构建TIN、生白模、纹理映射等重建输出Mesh模型成果，建模流程如图4所示；应用SvsGeoModeler，对模型匀色、删除电力线悬浮地物碎片、采集水涯线作为特征线修补河流湖泊等面积较大的无数据水体漏洞区域、去除主干道路上移动车辆、树影、编辑修正重要企事业单位和标志性建筑物等模型扭曲变形等，形成高精度实景三维Mesh模型。模型处理前后对比如图5所示。

2.3 Mesh模型精度检测

2.3.1 空中三角测量精度检测

由Das GET3D Cluster软件导出空中三角测量精度检测报告，如表4所示，平均地面分辨率、连接点及控制点重投影中误差、定向点和检查点中误差等重点指标项均符合要求。

2.3.2 三维Mesh模型精度检测

针对三维Mesh模型2个分区分别进行，各抽取13处模型特征点，共26个检查点，通过模型点与实测检查点对比检测，计算精度误差。检测结果如表5所示，（a）组平面中误差为0.1195m，高程中误差为0.0398m；（b）组平面中误差为0.0476m，高程中误差为0.0382m。对比规范中平面中误差允许值为0.6m、高程中误差允许值为0.4m、2倍中误差为最大限差的要求，文中建立的三维Mesh模型精度远高于规范要求。

2.4 三维Mesh模型应用

2.4.1 TDOM制作

传统数字正射影像图（digital orthophoto map,DOM）由于投影差导致的建筑物倾斜、遮挡严重，而数字TDOM引补了空白，能够提供更科学精准、无投影差的影像数据。

应用Context Capture软件，将高精度实景三维Mesh模型数据导入软件中，计算模型俯视图、输出TDOM成果为非压缩TIF格式和地理信息头文件“*.tfw”格式，如图6所示。在俯视角度下，逐屏检查TDOM，对存在的建筑物边缘明显锯齿、扭曲变形，内部道路边缘扭曲、道路中线错位，建筑物附近的漏洞等缺陷的图像，使用Photoshop、DP-modeler或贴图大师等软件编辑处理且同步检修三维Mesh模型，采用1∶1000比例尺正方形分幅内图廓线范围外扩10m进行分幅裁切，生成281幅标准图。

2.4.2 城市三维模型快速构建

城市三维模型是指用棱柱体表示的城市上人工建（构）筑物的体块模型，概要反映城市建筑物主体结构的三维模型单体，一般顶部为平顶或者接近真实顶部形状无纹理结构，立面为直立面状无纹理结构，整体以无真实纹理的白模形式表达。城市三维模型表达了建筑的轮廓、高度信息，是城市三维模型构建的基础，也是目前省市县多级实景三维建设工作的重点之一。

1）模型构建流程。对重点区域的普通房屋、棚房、门顶、雨罩、厕所、出入口、亭、坛、工业用塔、廊、岗亭、岗楼、巡警平台、碑、像、室外楼梯、扶梯、电梯、停车场、楼、土地庙、小庙等建（构）筑物等，利用某县建设的大比例尺地形图，三维Mesh模型更新采集附带高程、高度属性的基底数据（基底面积大于12m2且高度大于3m），应用SvsGeoModeler软件实施三维拉伸处理，完成通用纹理映射和属性信息采集、提取、挂接，快速构建城市三维模型，技术流程如图7所示。

2）建（构）筑物高度提取。高度提取主要利用实景三维Mesh模型、基底数据，计算获取建（构）筑物顶部高程和基底高程的平均差值。顶部为坡面且坡度大于30°的建（构）筑物，高度取基底到其檐口与屋脊的平均高度，如图8所示。

3）模型快速构建。利用SvsGeoModeler软件，根据基底数据和高度信息进行三维拉伸处理，构建城市三维模型，如图9所示，该模型采用“*.ojb”格式三维模型数据、“*.jpg”格式纹理数据、“*.shp”格式属性数据及“*.xls”格式元数据。主城区三维模型（LOD1.3）构建数量共计55770个，占地6163953.66m2，其中主要是普通房屋，共计53765个，如表6所示。

4）城市三维模型精度。经检测，基于Mesh模型快速构建的城市三维模型成果的整体平面中误差为0.21m（允许值2.5m），高程位置中误差为0.31m（允许值0.5m），几何位移、建（构）筑高度差等均符合规范。

2.4.3 地名／地址调查建库

地名／地址是城市地理信息公共平台／市县级天地图节点的重要内容，为政府、社会、公众提供地理信息公共服务的支撑数据。基于三维Mesh模型，利用自主开发软件完成数据编辑入库等工作，更利于解决数据采集、入库数据丢失和错漏的问题，提高工作效率。

建成区地名／地址采集内容如表7所示。结合收集的已有地名／地址资料，利用高精度三维Mesh模型开展建成区地名／地址内业调查和整理，并进行外业调查核实补充，选用自主研发的MapEasy数字制图建库一体化软件完成地名／地址数据库，成果为“*.shp”格式，照片资料为“*.jpge”格式。如图10所示。

1）内外业调查。根据三维Mesh模型逐街道、小区、村庄核对位置名称，查漏补缺。个别遮挡不清楚的内业分类分色标记，如普通点黑色；遮挡区用红色，制作外业调查底图。外业利用电子工作底图，完成地名／地址的采集、属性录入及拍照等补充调查。

2）整理入库。①位置校准：利用高精度三维Mesh模型校准核对外业补调点位置。②属性完善：调用MapEasy数字制图建库一体化软件，通过图形拓扑关系、字段关联计算等完成属性赋值。如：要素代码赋值、街巷地址名称及编号提取、经纬度坐标计算、照片关联等。③检查入库：检查点位位置、属性内容、属性表与图形数据的关联性。

结论

针对城市级实景三维建设在数据获取、模型构建及应用方面经验不足，选用CW15Ⅱ智能型无人机搭载CA503R五镜头倾斜相机进行数据采集，综合应用Das GET3D Cluster、Context Capture、SvsGeoModeler、MapEasy等软件，在计算集群环境下进行空中三角测量及自动化三维建模，精细化表达生成高精度三维Mesh模型。实践证明，研究方法可行，模型成果精度可靠，并成功应用于城市三维模型快速构建、真正射影像图制作和地名／地址调查建库等。可为城市整体发展战略制定、城市安全运行管理等全局性宏观决策提供全空间地理信息服务。将来在政府及社会各行业应用中，发挥高精度城市级实景三维Mesh模型数字化空间地理表达、动态三维信息呈现优势，通过数据拆分细化、关联挂接业务管理数据，可实现城市立体可视化的协同更新及业务办理与管理，全面提升其决策能力和服务水平。

作者：王永生，许颖，

朱慧，赵春生，孙萌，施淮舰

来源：《测绘工程》2025年第3期

选稿：耿曈

编辑：汪鸿琴

校对：贺雨婷

审订：耿曈

责编：杨琪

（由于版面有限，文章注释内容请参照原文）