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实景三维中国建设技术探索之城市建筑物三维模型重建

2022-07-04 12:39

来源：澎湃新闻·澎湃号·政务

原创中国测绘学会中国测绘学会

本文内容摘自《中国测绘》2022年第5期

——访武汉大学遥感信息工程学院院长张永军

论当前行业内最受关注的项目，当属实景三维中国建设。作为时空信息的重要组成部分，实景三维在新型基础设施建设中具有重要地位。李德仁院士曾在接受媒体采访时说，实景三维中国建设过程涉及面广、覆盖面全、任务量大、新探索多，因此，自主可控、自动化、智能化技术体系的建设是必然要解决的技术难题。

武汉大学遥感信息工程学院院长张永军

如何理解实景三维中国建设的内容、难度和应用前景？在自主可控、自动化技术体系上有哪些探索？进展如何？针对这些问题，记者连线武汉大学遥感信息工程学院院长张永军教授。他长期从事航空航天多源遥感数据多特征一体化摄影测量处理研究，在联合机载LiDAR点云与倾斜摄影影像的城市级三维模型重建的研究中突破数据处理关键技术，有着丰富的应用成果。他将从自己的研究和实践经验出发，带来对实景三维中国建设的见解。

实景三维中国建设的理解与现状

记者：从二维走向三维，您如何理解实景三维中国及其建设内容？

张永军：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，也是新型基础测绘标准化产品。这个定义很重要，因为我们的一系列行动都是围绕这个定义来开展。

从实际操作层面来讲，实景三维需要对三维地理场景上所能承载的结构化、语义化、支持人机兼容理解和物理实时感知的地理实体进行构建。建设的总体目标是把现实世界的地理实体构造成数字空间里的实景三维数据，要经过语义化、结构化、实体化和轻量化等多个关键步骤。

记者：如何理解实景三维建模语义化、结构化、实体化和轻量化这几个概念？

张永军：语义化是用标准化范式对地理实体单体空间进行描述，使得计算机可以识别、描述；结构化是要得到矢量模型，实现具备几何轮廓拓扑、包含结构语义的物理单体化；实体化是完整实现语义化和结构化来完成几何语义一致性映射；轻量化则是对实景三维数据根据不同细节层次压缩、概化，类似金字塔影像结构。

这几个概念中没有我们日常所说的单体化，目前我们通常将“单体化”分成两部分：逻辑单体化和物理单体化。逻辑单体化是指把整个对象当成单体，比如从Mesh模型中把一栋建筑物切出来，这是标签的单体化，不具备拓扑结构，应用比较受限；而物理单体化是从结构上、物理上进行建模，有拓扑、纹理和属性，目前还无法完全自动化，需要人机交互的模式进行建模，物理单体化更接近于结构化的认识。我也通过理解把“四化”变成“五化”：语义化、单体化、结构化、实体化、轻量化。

机载LiDAR点云与多视影像联合建模示意

记者：当前地理实体建设现状如何？能否满足实景三维的需求？

张永军：单看表面现状，实景三维的基础底座已经搭得非常好，可以做非常漂亮的渲染供人浏览，但是机器仍无法识别标签单体化的数据，机器只能识别可读可应用的物理单体化，也即结构化的数据，所以我们需要重建带拓扑关系的地理实体模型。

实景三维建设，目前普遍认为包括地形级、城市级和部件级三个层次，国际上也有一个较为常用的模型多层次细节标准——开放地理空间信息联盟发布的CityGML，其3.0版本将模型分为LoD0至LoD3四个层级，两套分级体系之间有一定关联，但也不完全对应。

从实现难度来看，国内外在自动化实现地形级的实景三维方面几乎都没有大的障碍，而城市级和部件级还是大量依赖于人工，城市级有希望通过技术进步提高自动化程度，但是部件级目前几乎完全依靠人工去处理和建设，工作量巨大。

目前，我和我的团队的目标，是希望能在城市级实景三维的建筑物自动化结构化建模方面实现一点点进步。

城市级建筑物自动化结构化建模探索与实践

记者：您进行城市级自动化结构化建模的数据来源于哪里？有何特点？

张永军：我们的研究仅限于地表这块，尚未涉及室内及地下空间的建模，数据源主要集中于机载激光扫描点云和多视光学影像，这两类数据获取效率高、精度高，数据覆盖完整，信息量丰富。我们希望实现城市中相对规则建筑物的自动化结构化建模需要语义化和结构化。如何实现这两类数据的高质量联合，进一步提升模型重建的精度和效率，是我们关注的目标和难点。

数据源——机载LiDAR点云与多视倾斜影像

记者：要达到期望目标，技术攻关上涉及哪些内容？

张永军：从处理流程上来讲，需要实现多源数据配准、高精点云生成、建筑物单体化、矢量模型重建以及真实纹理映射。

多源数据配准方面，可以从影像中提取交叉点结构作为配准控制基元，以其物方点到点云目标平面的距离作为代价约束进行航空影像联合区域网平差，得到配准后的相机内参数和影像外方位元素。

高精点云生成方面，考虑LiDAR点云空间分布特征，联合机载LiDAR点云与多视航空影像，通过LiDAR辅助的密集匹配高效率地生成高精度、高覆盖率的三维点云。

建筑物单体化方面，可基于正则化薄板样条滤波等技术进行地形自适应滤波分离地面点，然后借助机器学习对非地面点进行地物分类提取出建筑物区域，并采用并行化多尺度密度聚类等方式实现独立建筑物的单体化分离。

矢量模型重建方面，屋顶平面拓扑求解可转换为多边形最优切分问题，对建筑物点云分层次进行轮廓优化与拓扑修复，充分利用点云立面信息与影像直线特征，重建严密、规则的多细节层次结构化模型。

真实纹理映射方面，将建筑物结构化模型以线框与三角网混合表达，形成可视性分离的优化三角网，保证可视性最大化的同时保留原有建筑物模型语义结构信息，再对混合表达的三角网赋予真实纹理。

系统可视化界面

记者：能否介绍一下研究进展及应用情况？它与实景三维中国建设又有何关联？

张永军：我们在攻克上述技术内容的基础上，研制了LiDARPro软件，包含点云和影像的配准、融合，点云或Mesh分类，建筑物的单体化、结构化、三角网简化、纹理映射等功能，主要以自动化为主，兼具一定的人机交互功能。软件已经实现核心技术自主可控，支持国产的银河麒麟系统及Windows系统。

多源数据经过软件处理后，可以自动建成LoD2级模型，我这里给出几个使用场景举例：生态环保方面，太阳能发电发展迅速，通过城市屋顶结构模型分析屋顶采光面积和朝阳面积，可以估计，进而评估该城市或区域的光伏发电潜力；电力线、公路、铁路等工程规划建设，可以通过三维模型初步估算拆迁面积。

在城市管理方面，5G基站布设等应用对建筑物结构细节要求不高，只需要高度、宽度、屋顶结构等数据就可以推算和分析，这些领域自动化建模结果都可以发挥作用。

建筑物的主体结构和部分模型细节在建模处理中完全可以实现城市级的自动化处理，点云密度不够或者结构不规则地区，使用人工交互进行修正。多年前我们开展三维建模技术研究时，主要瞄准非测绘领域，期望基于自动化建模成果辅助进行城市规划和运行管理。实景三维中国建设推进以来，我们发现它所需要的成果跟我们目前能处理出来的产品基本吻合，这些可为测绘用户提供很好的初始模型，之后根据精度要求进行编辑和提升。对于实景三维中国建设内容中的城市级实景三维，我们当前的技术和软件完全可用。而当获取的影像分辨率更高、点云更密集、数据覆盖更完整时，可以结合人工交互实现部件级的建模。

对实景三维中国建设的思考

记者：实景三维中国的推进现状如何，它与住建部力推的BIM、CIM有哪些差异？

张永军：目前，很多城市的实景三维建设已经在推进并且取得了不错的成效，像重庆、深圳、太原、青岛等城市已实现了全市域不同数据源、不同尺度实景三维的全覆盖。实景三维中国建成后，应用范围非常广，比如大范围的自然资源管理、生态环境保护、工程量评估、灾害监测分析等，小范围的城市日常管理、发展规划、生活购物、应急救援、疫情防控、人民生命健康等。

BIM和CIM是住建部主推的构建三维数字空间的框架体系，已经在顺利推进并有比较完善的规范，它们跟实景三维是有区别的。二者主体支撑对象和目标都不同，但是它们之间有一定的重合度。

从国家层面讲，未来应该有更多的互联互通、相互融合。希望相关组织方能把两边的标准规范统一协调，数据标准规范及平台之间的融通联动是未来要去解决的问题，将来实景三维可以直接使用CIM的相关成果，CIM也能使用实景三维数据。

记者：您如何看待实景三维中国建设当前面临的问题及其前景？

张永军：我有几点不成熟的思考，可供探讨：

实景三维中国建设，是国家发展战略之一，地理信息产业一定大有可为，在“十四五”期间应该会迎来很好的发展契机。

在标准规范、建设思路、采集处理、分析应用等方面，目前国家、省市县尚未形成统一认识和部署，急需专家学者和头部企业积极贡献智慧和力量，共同把实景三维中国建设从标准规范、数据采集、生产、管理、分析、应用等环节重新进行梳理和优化。

还需要强化顶层设计，剖析行业需求，构建技术体系，创新管理机制，需要统筹兼顾不同部门不同行业的需求，尤其是对接BIM/CIM，实景三维做出来后肯定要为各行各业做好支撑服务的同时，高质量服务于老百姓生活的方方面面，真正做到服务国计民生。

实景三维建模过程中对于语义化、结构化等的追求，应该大于对模型几何精度的追求，要考虑到现实可行性，只有兼顾生产成本和效率。

实景三维成果一定要给机器看，而不仅是给人看，从好看到好用、从人懂到机器懂，从而提升辅助科学决策的支撑能力。