实景三维建设的必要性与可行性分析
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作者:于倩
摘 要：2018—2019年，自然资源部密集出台文件及讲话精神，鼓励实景三维中国建设。本文通过对相关政策的解读，结合山东省内外实景三维建设现状，分析了经济社会发展对实景三維建设的需求，以及现有的建设条件。在当前背景下开展实景三维建设，是服务山东省八大战略，为政府部门和众多行业领域的广泛需求提供支撑的必要条件。
关键词：实景三维 建设现状 必要性 可行性
中图分类号：P237 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）03（b）-0007-02
实景三维是遥感测绘、大数据、云计算、智能感知等新技术催生的新型地理空间数据，其效果逼真，要素全面，具有极强的展示效果，而且具有测量精度，可以还原真实世界的完整面貌，使人类对自然地理环境的认知从二维走向三维。2018年4月，自然资源部陆昊部长在海南调研测绘地理信息工作时专门指出，自然资源登记等系统，要由二维系统变成三维系统，解决自然资源调查、确权和国土空间用途管控等问题。2019年2月，自然资源部召开全国国土测绘工作座谈会，明确提出，要开展实景三维中国建设，并于今年启动全国“十四五”基础测绘规划编制工作，推动在国家测绘基准体系建设与精化、实景三维中国建设、海洋测绘、内陆水下测绘等方向，凝练形成大项目、大工程。2019年11月，自然资源部印发《自然资源部信息化建设总体方案》，明确提出，推进三维实景数据库建设，推动建立三维立体自然资源“一张图”。这些政策与文件的出台为建设实景三维中国提供了充分的政策保障。在这一背景下，建设实景三维山东，是服务山东省新旧动能转换及“走在前列，全面开创”战略布局的现实要求，也是为政府部门和众多行业领域的广泛需求提供支撑的必要条件。
1 实景三维建设现状
随着倾斜摄影、自动化建模等技术的发展，以及智慧城市建设的推进，国内一些省市相继开展了实景三维模型建设，并在规划审批、城市管理、自然资源确权登记等方面取得显著应用成效，下面以重庆市、临沂市为例说明。
1.1 重庆市
实景三维重庆从2016年开始筹划、启动，至2019年4月建设完成，历时3年时间，在全国率先建成了覆盖全域8.24万km2的实景三维模型，完整反映重庆市全域的地形地貌特征和城市精细纹理，走在了全国前列。实景重庆采用全市域0.4m、主城全域0.2m、主城建成区0.08m、29个近远郊区县0.05m、部分重点区域0.03m等多尺度数码航空影像或倾斜影像，城市区域构建精细模型，其余地区采用地形三维模型，构建了高精度、种类全、覆盖广的全域三维孪生空间。该成果已为开展脱贫攻坚、自然资源管理、城市品质提升、空间规划、城乡建设、智慧城市、历史文化资源保护、重大基础设施建设、应急处理等工作提供了坚实的技术保障和数据支撑[1]。
1.2 临沂市
临沂市航空摄影与实景三维模型制作项目于2016年9月启动，历时近3年圆满完成。项目采用倾斜摄影和机载激光雷达相结合的方式完成了市辖三区2300km20.05m分辨率实景三维模型制作，项目于2019年6月通过专家验收，是首次在实景三维建模中应用激光雷达与倾斜摄影深度融合技术的地级市。项目获取的正射影像、数字高程模型、单体化实景三维模型等数据，为临沂市经济社会发展提供了丰富数据成果，为临沂市优政、惠民、兴业提供全方位时空信息服务，效果显著。
2 实景三维山东建设的必要性分析
2.1 空间公共基底方面的需求
随着BIM、大数据等技术的发展，交通规划设计、城市管理等工作对精细化、真实性的要求越来越高，相应的与空间位置相关的工作在管理、分析、决策的方式、方法上逐步由基于二维空间数据向基于三维空间数据转变。这些行业对实景三维数据需求强烈，但却往往不具备生产、管理这些数据的能力。另一方面，若由需求方自行组织数据获取，不仅会极大增加项目成本，而且不同行业间也容易重复投资，造成资源浪费。因此，为了服务全省经济社会发展，满足各行各业对三维空间公共基底的需求，促进资源集约节约利用，需要从全省层面统筹协调，采用统一的三维空间基准，建立一套基础、权威、公共的三维空间基底数据。实景山东所构建的三维空间及其服务平台，将成为信息集成融合以及行业应用的基础空间信息支撑，为新旧动能转换提供科技助力。
2.2 三维空间数据方面的需求
实景三维模型是一个城市、地区地表形态及地面附属物变化的真实和完整记录，具有信息、档案、证据、历史等多重属性和作用。目前无论是在自然资源行业内还是行业外，都对真实、精确的实景三维模型有着旺盛的需求。
自然资源部门多项管理职能需要实景三维数据的支撑。2019年5月，中共中央、国务院印发了《关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见》，明确指出建立国土空间规划体系，将主体功能区规划、土地利用规划、城乡规划等空间规划融合为统一的国土空间规划。这里的国土空间规划是三维的概念，而不是传统的二维平面规划。因此，无论是三维自然资源登记系统，还是国土空间规划，以及生态修复等其他自然资源管理职能，都必须有一套统一、权威、真实、详细的实景三维模型作为数据基础。
在自然资源行业外，传统的二维矢量及影像数据越来越不满足各行各业对现实世界虚拟重现的需求。如在警用方面，二维地图只能提供平面位置信息，不能提供细致的真实环境，无法满足公安在刑侦、安保、应急指挥等深层次应用上的需求。公安部在印发的《全国警用地理信息基础平台总体建设方案》中，明确鼓励使用可量测实景三维，以丰富PGIS应用的数据种类和应用效果。三维可视化警用地理信息系统代表着PGIS领域的重要发展方向。另外，数字城管、文物保护、地下空间管理等领域也在越来越多的寻求三维解决方案。 2.3 三维空间展示方面的需求
除了基于三维模型的深度分析与应用，实景三维数据所见即所得的特性决定了“看”也是其重要的价值所在。和常見的二维影像图只能表现“表皮”相比，三维实景既有“表皮”又有“骨架”的鲜活结构，地面上的高低起伏、建筑形态等皆真实、立体，为旅游景点展示、城市形象宣传、招商引资等等提供了一张鲜活的名片。以招商引资为例，实景三维模型可将待招商地块的交通、区位、资源，以及各类重要经济社会文化数据，以多视角、多维度的方式，准确、翔实地呈现出来，让投资商足不出户，就可以全方位多角度掌握地块信息，对地块及周边环境、规划有更直观、全面的认识。
3 实景三维山东建设的可行性分析
中国科学院院士、中国工程院院士李德仁指出，“实景三维产业已经具备充分的技术条件，且市场需求强烈，具备推进实景三维中国建设这类大型国家级工程的基础”。近年来随着测绘科技与信息技术的飞速发展，一方面在数据采集端，城市三维模型的构建方法从最开始的手工构建模型框架、拍照贴图的方式，已转变为先进采用无人机、大飞机进行倾斜摄影、激光扫描等技术，软件自动化生成大范围全景三维模型的方式[2]，不仅使得成本大幅度降低，而且模型数据越来越具有实时性、真实性。另一方面在数据应用端，5G网络、云计算、物联网等技术的逐渐成熟让业界具备了海量数据处理与发布的能力。可以说，目前建设实景山东已经具备了成熟充分的技术条件。
3.1 数据获取手段日益成熟
利用倾斜摄影平台快速获取多角度影像，已成为当前获取空间数据的有效方式之一[3]。倾斜摄影技术是国际摄影测量领域近十几年发展起来的一项高新技术[4]，目前主流的倾斜相机都采用下视、前视、后视、左视、右视五个将镜头结合来获取地物倾斜影像。不同于传统的单镜头下视摄影测量只能采集地物顶部的完整信息，倾斜摄影测量可以获取地物侧面详细的轮廓及纹理信息，再对影像进行空三加密、密集匹配，生成TIN三角网，根据TIN三角网构建三维白模，并将影像纹理映射至白模，构建实景三维模型。目前这一技术在行业内已经得到广泛应用，以往采用人工建模方式一两年才能完成的一个中小城市建模工作，通过倾斜摄影建模方式只需要3～5个月时间即可完成，大大降低了三维模型数据采集的经济代价和时间成本。
3.2 数据处理能力日益强大
实景三维建模软件的雏形来自于华盛顿大学的Visual SFM，这是一个学术界的开源软件，也是大部分实景三维建模软件的起源。目前主要的倾斜摄影建模软件系统包括Context Capture、Pix4D、Inpho、PhotoMesh、PhotoScan以及国产的Mirauge3D、DP-Smart等。这些软件均可针对整个区域构建三维模型，作业自动化及效率较高[5]，且大部分都形成了完整的市场化解决方案。
3.3 行业队伍日益壮大
截至2018年，山东省甲、乙、丙、丁级测绘资质单位各有51家、173家、373家、496家[6]，全省测绘资质单位数量及测绘专业技术人员保持稳步增加，结构不断优化，整体测绘水平和测绘服务行业市场成熟度较高，其中济南市勘察测绘研究院、青岛市勘察测绘研究院、中科遥感科技集团有限公司等企业单位在济南、青岛、潍坊、临沂等市相继开展实景三维建设，在此过程中积累了丰富的项目经验。
4 结语
随着行业的不断深入发展，实景三维将在国土空间规划、生态保护与修复、公安应急处置、城市风貌管理、文物古迹保护等方面将发挥越来越重要的作用。综上，实景三维山东既具备成熟的建设条件，又能满足经济社会发展的迫切需求，应从全省层面统筹规划，尽快开展实施。
参考文献
[1] 马红.大范围多源多尺度实景三维模型建设及应用研究——以重庆市实景三维模型建设为例[J].测绘通报，2019（S2）：61-64.
[2] 陈思，冯学兵，刘阳.基于倾斜摄影实景三维模型单体化分类与应用[J].北京测绘，2018，32（4）：409-414.
[3] 李德仁，肖雄武，郭丙轩，等.倾斜影像自动空三及其在城市真三维模型重建中的应用[J].武汉大学学报：信息科学版，2016，41（6）：711-721.
[4] 李安福，曾政祥，吴晓明.浅析国内倾斜摄影技术的发展[J].测绘与空间地理信息，2014，37（9）：57-59，62.
[5] 文述生.倾斜摄影测量技术构建城市实景三维建模方法研究[J].华北自然资源，2019（4）：73-75.
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