基于多源数据集成的实景三维场景实践

基于多源数据集成的实景三维场景实践

徐海燕 ,朱安峰,章豪, 

浙江安防职业技术学院，浙江 温州 325016

摘要：随着“实景三维城市”建设发展，充分利用卫星遥感、倾斜摄影、人工建模单体化等技术，更新和拓展三维模型数据，对多源数据进行整合集成，对三维模型数据库进行优化调整，建立一个真实、直观的城市立体空间，为城市规划建设、运营管理和社会服务提供多维、可持续发展的信息化服务，大大提高城市空间智治、精细管理和立体感知水平。

关键词：多源数据，融合集成，实景三维

0引言

“数字城市”是城市信息化发展的方向，是数字地球的一部分，“实景三维城市”是“数字城市”的重要空间基础底座。随着“实景三维城市”建设发展，充分利用卫星遥感、倾斜摄影、人工建模单体化等技术，更新和拓展三维模型数据，对多源数据进行整合集成，对三维模型数据库进行优化调整，建立一个真实、直观的城市立体空间，使三维虚拟城市数据可以更好的为自然资源管理和规划业务提供辅助决策支持，为“城市大脑”等重大数字化改革项目提供三维数据资源支撑，为城市规划建设、运营管理和社会服务提供多维、可持续发展的信息化服务，大大提高城市空间智治、精细管理和立体感知水平。

1多源数据

1.1倾斜摄影三维模型数据

倾斜摄影三维模型数据是利用无人机拍摄数张高清晰度实景照片，采取地物的垂直与倾斜影像以及少量的地面控制点，构建基于真实影像纹理的高分辨率真三维模型。它具有快速、简单、全自动等优势；但存在建筑模型不能单体化、数据量巨大、人视点效果不佳等缺点。对成片区域可采用倾斜摄影技术快速生产倾斜摄影三维模型数据。

1.2城市仿真人工模型数据

在3ds Max软件中，利用大比例尺数字线划图来确定地物位置，手动生成白模、处理图像、贴合纹理等工作。此种模型制作精美、细节展示精细、色彩烘培美观，但工作流程繁琐，操作复杂，自动化建模程度低，人工投入的时间和精力较多。对大型或高层建筑、地标性建筑物、历史文化街区、标志性景点等区域可采用城市仿真人工建模方式建设模型数据。

1.3数字高程模型数据

数字高程模型,简称DEM。它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型。数字高程模型数据结合遥感影像数据，可以快速构成三维地形模型数据。

1.4城市仿真2.5维模型数据

2.5维仿真电子地图是根据DEM、DOM、DLG等数据构建三维模型，并将三维模型在一定高度、视角和灯光效果，按照轴侧投影的方式生成的地图。它具有数字地图表现力丰富、视觉效果好、数据量小、显示速度快的特点，但2.5维成果图可视角度仅为正南俯视 45 度，空间地物表达不完整。

2三维数据集成

根据实景三维虚拟城市建设要求，需对三维数据进行整体集成融合和优化处理，内容包括：三维模型数据接边整合、模型优化处理、数据切片和数据压缩、数据集成。

2.1数据整合

（1）接边处理

倾斜摄影三维模型数据与各类型数据进行集成时，需对倾斜摄影模型数据与人工建模数据在边界处不搭界、重叠、凹凸不平等进行接边处理，保证各类型数据在整合后边界吻合，过渡自然。

（2）数字高程模型整合

数字高程模型整合三维场景的两种用途，一通过arcgis、超图等软件，使用数字高程模型，结合数字正射影像数据生成三维地形模型。二是从数字高程模型中提取底部高程值，赋值于房屋面数据，最终生成带底部高程的白模数据。

（3）倾斜三维模型与地形模型匹配

在三维场景中会将倾斜三维模型与地形模型叠加展示，但由于倾斜摄影模型本身包含真实的地形信息与具有地形的场景时会出现原有地形与倾斜模型不匹配的问题。可以通过地形模型匹配来解决两者叠加不吻合的问题，使展示效果更加逼真。

2.2数据优化

（1）模型优化

图形渲染的原理是 CPU 向 GPU 发送渲染命令，GPU 接收并执行相应的渲染命令。采用批渲染将渲染状态（如材质、贴图、可编程管线、几何信息等）一致的物体合成 1 个大物体，放在 1 个 Draw Call 中，在 1 次渲染任务中进行绘制，GPU 不用多次切换渲染状态，提高了渲染效率。通过材质共享、模型网格合并等技术手段，提升模型优化效果。

（2）水面优化

大面积水域纹理信息较少，空三密集匹配不能匹配同名点，使得在生成三维模型时水面出现瓦片缺失、水面凸起或凹陷，以及纹理不均匀。通过水面瓦片缺失补全、水面补洞、水面踏平及纹理修改，使得大面积水面平整、纹理色彩一致。

（3）数据压缩

将网络传输数据进行压缩，最大限度地节省带宽，可提高三维视觉体验。利用开源的纹理压缩算法、顶点压缩、多级渐远纹理技术，最终达到数据压缩的效果，提高数据运行效率。

（4）渲染优化

在三维场景中，采用 LOD 技术逐级降低模型的顶点数量，从而降低 GPU 的渲染数据量。通过对边折叠算法进行改进，可设置三角面简化的比例，在允许范围内尽量保持简化模型一致。采用八叉树算法对模型数据进行分块。根据模型复杂程度，自适应设置八叉树深度。按需加载模型的某一部分并进行渲染，从而提高场景流畅性。

2.3数据切片

通过三维切片缓存，将三维空间数据转换为面向实时渲染应用且可直接提供给图形应用程序接口的数据形式，不再需要二次转换，这样就可以提高实时渲染效率。三维切片需要进行分级分块的切片处理，在横向上进行分区划分，在纵向上建立层次细节模型。地图缓存技术的使用可以使得三维模型可视化中极大提高地图浏览速度。

2.4数据集成

（1）集成内容

以实景三维模型为基础底图，将各类基础地理信息数据（DEM、DOM、DLG、矢量道路、地名地址数据、POI数据等）叠加于实景三维模型之上，成为三维虚拟城市场景建设地理底图。同时，将各类专题数据（人工建模数据、城市白模数据、单体化模型数据、城市仿真2.5维模型数据等）融入城市实景三维模型中，真正实现二三维一体化。下图为基于实景三维模型的多源数据集成架构。

（2）数据集成模式

可采用两种基于实景三维模型的多源数据集成模式。

①基于数据的集成模式。按照标准的数据结构和统一的坐标系统，将二维矢量对象（大比例尺基础地形数据、地名地址数据、POI 数据）与实景三维模型进行矫正叠加，即利用高精度的矢量地图对实景三维模型进行优化和修补，实现二三维融合；然后将单体化模型、城市白模、地形模型等叠加至实景三维模型，并对实景三维模型重叠部分进行压平与接边处理，以实现多源三维模型融合。

②基于服务的集成模式。在实景三维模型展示应用阶段，数据调用环节通过标准服务集成方式实现多源数据在逻辑结构上的一致，以达到基于实景三维模型多源融合的集成效果。

3结论

实景三维建设是国家新型基础设施建设的重要部署，是数字政府、数字经济重要的战略性数据资源和生产要素，从二维到三维的转型是自然资源行业所需，也是大势所趋。通过对三维模型数据的更新拓展，对多源数据的整合集成，对数据库的优化升级，以及对重点建筑物进行人工模型单体化、语义化从而关联城市管理业务信息，最终为城市精细化管理和空间智治提供全空间、全要素、实体化的三维场景应用服务提供支撑，共同推进实景三维城市的建设，并进行广泛实践应用。

[1]王旭科.三维数字化建模技术在数字城市建设中的应用研究[J].中河南科技,2022(07).

[2]江文源,杨如军,刘琦,马骁驰,黄信望,马邵忠.基于实景三维技术的广西自然资源三维立体“一张图”应用研究[J].自然资源信息化,2022(04).

[3]杨福秋，潘宝昌，辛晓东，张月珍.大场景实景三维模型精细化生产与单体化研究[J].测绘与空间地理信息,2019(05).

[4]马红,詹勇.实景三维模型与三维仿真模型混合展示及应用[J].地理空间信息,2019(06).

作者简介：徐海燕（1979.9- ），女，高级工程师，主要从事地理空间大数据分析和二三维地理信息技术研究应用。E-mail：42700021@qq.com。