■ 杨 瀚 黄 鹤 王东波

测绘前沿

■ 杨 瀚 黄 鹤 王东波

测绘领域的三维建模

以往的城市规划人员的工作重点主要放在各种地图的设计上，特别是专题地图的绘制，但均以纸质地图为主，属性信息仅包含图名信息、二维坐标信息、图例信息、经纬度信息等，这些信息不能给人一种直观的真实感和带入感，更不能在有限的空间中展示城市的全景轮廓。近年来，人们也使用过纸质模板或木质材料来制作3D模型，这样的简易模型虽然能够满足视觉上的审美感，用来实现缩小比例尺的城市景观3D可视化，但是这种制作工艺复杂、工作量巨大、费用较高，而且一次成型便无法进行修改，更不能以第一人称的身份进入模型中去感受，只能从外观上进行简单的观看。

以上问题在现代“数字城市”发展的今天已经不是难题，结合测绘学科的地理信息系统（Geographic Information System，GIS）可以将真实世界的物体用三维建模技术完美地表达出来，更加有效地表达城市规划建设的中的各种有效信息。这种技术主要是基于现在比较成熟的计算机三维城市建模技术，更要结合相关数据的采集技术，代表性的有无人机倾斜摄影测量技术、3D-SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）技术、地面激光点云技术等测绘前沿技术。建模成形的城市景观模型能够给人一种全方位、直观性、科学合理的视觉冲击感，比较符合人类的视觉和审美效果，而且3D景观的各种模型数据易于制作修改，设计的数据管理系统能够实现城市各类信息的查询、添加、修改、分析等功能，这些功能和效果展示都是传统城市规划人员不曾想象的，也是传统方法无法做到的。

测绘前沿技术

无人机倾斜摄影测量技术、即时定位与地图构建（SLAM）技术和地面激光点云技术等测绘领域新技术，均在智慧城市发展规划和建设中的不同阶段发挥着重要的角色作用。

（一）无人机倾斜摄影测量技术

倾斜摄影测量是近年来测绘领域快速发展的一项新兴技术，目前多采用固定翼无人机搭载倾斜相机同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度进行影像采集，该类型无人机具有续航时间长、载重大且飞行高度较高等优势，适用于城市等大场景影像采集。倾斜摄影测量技术是将多台高精度相机搭载在飞行平台上，如固定翼无人机、多旋翼无人机，以及大型飞机，从水平、垂直、倾斜等不同的角度进行影像数据的采集，获取地面物体的顶部和侧面的影像信息，所获取的影像信息能够真实地反应客观实际情况，包括纹理信息，以满足模型的三维信息要求。

无人机搭载倾斜相机同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度进行影像采集

计算机的并行计算技术和视觉技术是近年来能够支撑倾斜摄影测量影像数据处理和提取的重要因素，再加上硬件性能的大幅度提高，使得海量、多分辨率、无序、复杂的影像数据得到快速密集匹配。此外，还要有相关影像处理软件与之结合，目前比较三维模型重建的软件有Smart3D CC、SkyLine、PhotoScan等，已经可以利用单目相机、无人机甚至手机影像进行自动化3D模型的重建。

（二）SLAM技术

即时定位与地图构建（SLAM）技术在移动测绘问题上具有较好的应用，如欧洲专利号为EP2913796A1的基于SLAM技术的推车，能够对室内和室外的地面水平环境进行地图构建和环境建模。因此，SLAM技术在测绘领域中应用降低了测量复杂，不需要大量标记地物点、不需要GPS信号、适用于在室内室外场景，对于解决传统测绘中的定位及场景重建问题具有广阔的前景。SLAM技术是机器人领域的关键技术之一，是现代智能移动机器人系统的核心技术。SLAM解决的问题是移动机器人在未知的环境中利用自身装载的传感器获取数据进行探索，通过观测的数据，增量式地建立与环境相同的地图，同时利用已经建立的环境模型计算出机器人的位置。SLAM是机器人进入未知环境遇到的第一个问题，是路径规划及许多其他任务的前提，是实现机器人自主性的关键，是一个智能移动机器人进行其它一切后续动作和行为的技术依据。

无人驾驶汽车。为了更好地理解SLAM，我们不妨这么看：上图是其车载设备给汽车提供道路环境信息，以便正确地行驶。用于测绘，这辆汽车就是一个移动机器人，给人类提供环境信息

（三）地面激光点云技术

激光点云，利用激光在同一空间参考系下获取物体表面每个采样点的空间坐标，得到的是一系列表达目标空间分布和目标表面特性的海量点的集合，这个点集合就称之为“点云”（Point Cloud）。点云的属性包括：空间分辨率、点位精度、表面法向量等。

地面激光点云技术是一种比较成熟的三维测量技术，它能够对目标物体表面进行三维信息的获取，其工作原理是以阵列点云的形式采集目标物体表面的3D空间特征，以及激光点云的坐标信息。通过发射的激光的光束回波反射强度值和融合CCD相机影响的彩色信息，可以使得目标物体的空间结构特征和光谱辐射信息同时进行表达，输出的模型纹理更符合人们的视觉感受。

着色车载激光点云数据

智慧城市中的实际应用

上述三种测绘新技术所采集的数据可以无缝地融合到一个展示系统中，之后将获得重建的三维模型嵌入平台中，构成虚拟现实的模型。这个虚拟现实的三维建模平台所展示的立体空间更方便决策者直观地思考，可以为城市规划和发展提供各种尺度和维度（包括二维和三维）的辅助，甚至可以为规划人员提供比较直观真实的视觉感受。通过新型智能政府办公系统，大众也可以参与到政府的决策和规划之中，可以更好地了解职能政府并提出合理且具有代表性的城市建设的意见和建议，从而政府决策也能更具城市规划发展的科学合理性。

（一）验收审核平台构建

建设项目三维审核平台设计采用数据、服务、应用三者相分离的耦合架构设计，以利于实现与其他规划审批系统的数据共享与交互。平台设计采用三层架构，由下到上分别为数据层、服务层、应用层，由三维数据管理与服务发布子系统和规划三维展示与辅助审批子系统构成。平台总体架构框架如下图所示：

平台总体架构图

数据资源层主要包括三维现状模型库、三维规划模型库和元数据库等三维数据库；通过开发三维数据管理子系统实现对数据的整合、整理、一致性检验。规划审批过程中用到的其他数据如基础地理信息数据、规划专题数据、审批数据，通过在线服务调用方式从规管等系统中调取，在服务层进行服务聚合，最终提供给应用层使用。

服务层是数据层和应用层联系的桥梁，利用Webservice技术将三维数据以服务的方式发布，并通过服务聚合方式整合规划管理系统等系统发布的数据服务，统一为应用层提供三维数据服务，并且根据应用层功能需求，提供查询统计、三维分析等功能服务。同时，服务层还为其他系统提供接口，以便将三维应用集成到其他系统中。三维数据服务管理子系统主要用于服务的管理与发布。

应用层即规划三维辅助审批子系统和规划三维展示子系统。三维展示子系统通过与规划管理在系统界面层面的集成实现规划审批二三维一体化。

（二）建筑物全生命周期监测

1.设计阶段

在某地进行建筑物的建设之前，首先需要做的就是项目的规划设计，其中最重要的环节是建筑物模型与建筑场地的嵌套融合过程，这个过程可以直观地展示设计方案与建筑场地的匹配度，给人一种身临其境的真实感受。

2.施工阶段

在建筑物的施工建设过程中，传统的监测方法是使用垂线偏差和局部抽样检测等测绘技术，这些方法只能控制建筑物在垂线上的一致性，而不能监测建筑物在施工中的整体结构与设计方案的偏差情况，以上问题可以通过三维建模技术实时、快速地来完成和解决。三维建模技术能将正在建设中的建筑物快速实时地扫描建模，并将建模完成的模型与上一时间段的模型做详细的对比，及时检测出各个部位的拟合精度和匹配度，为下一阶段的施工提供科学有效地精度数据。

3.后期维护运营阶段

建成后的建筑物投入使用以后也会有各种问题出现，比如管道节点的通畅情况、停车场的位置信息、楼层房间分布信息、消防器材的摆放情况、建筑物健康监测等，都需要定期提供检测报告，而利用三维模型检测技术可以做到建筑物的全生命周期的健康寿命监测，不仅可以节省大量人力、物力、财力，监测的精度和准确度也会有很大的提高，而且能以第一人称的角色进行实时直观的检测。

利用三维激光扫描测量系统得到的三峡库区水下地形图，为相关研究、决策提供科学、细致、可视化资料

随着城市向智慧化、信息化、智能化方向的发展，城市三维模型规划设计所涉及的学科领域也在不断扩大，其中测绘领域的前沿技术已经为城市智慧化建设和发展提供了前所未有的支持和帮助。政府办公信息审核系统中所涉及的虚拟现实三维模型能够准确地提供基本的地理信息，然后依据不同领域的专业需要进行有效信息整合，为社会全方面信息的合理分配和共享提供空间合理分析和科学决策，使政府办公变得更加地可视化、细致、科学化和自动化，节省大量的成本和资源。

（作者单位：北京建筑大学测绘与城市空间信息学院；北京碧桂园晟龙置业发展有限公司）