7空地一体高精度地理实体构建方法和服务体系.pdf

二、项 目 简 介 项目简介（限1000字） 一、研究内容 自习总书记提出“城市管理应该像绣花一样精细”的总体要求以来，加快实景城市的 高精度实体化、信息化、精细化管理体系构建，已成为自然资源行业创新发展的战略 选择。本项目针对当前测绘外业量大、自动化程度低、缺乏灵活性等缺陷，采用空地 一体新型测绘数据采集模式，构建高精度地理实体服务体系，经专家组评价，整体达 到国内领先水平，在密集匹配算法和实景三维地理实体精细建模方面达到国际先进水 平，主要研究内容如下： （1）研究地理实体观测数据、图元数据、场景数据的表征体系：提出面向不同行业 、领域和管理层级进行需求驱动的高精度颗粒划分方法，形成数据库，实现“一体多 形、一库多能”。 （2）提出空地一体多源数据高精度协同采集和重建方案：以实现地理实体的高精度 构建。通过融合多源影像跨尺度、多角度稳健匹配，组合约束光束法平差，点云融合 ，变分优化网格建模，最优纹理映射等，改进众源影像融合方法，提升定向精度，满 足地籍和工程测量精度要求，构建测图级精度的三维地理实体模型。 （3）搭建多源实景三维数据综合服务体系：基于多源数据高精度地理实体重建方案 ，实现数据集中管理、协同处理、持续增量更新、质检和监管的服务体系搭建，为多 源影像数据生产提供整套解决方案，为实景二、三维联动、查询、分析、规划和运维 等功能的应用提供可量测服务。 （4）地理实体构建与建库：应用高精度地理实体重建生产服务体系，构造具有地理 属性与社会属性的组合、聚合地理实体，进行地理实体的标准化处理与格式转换入库 。 实现面向需求的三维地理实体信息典型场景服务：基于多源异构数据融合和挖掘，实 现城市规划要素和三维场景协同管理、城市更新管理的表征化划分和一体化组织、城 市建筑实体空间和属性信息分类分级等行业应用，提升测绘数据应用水平。 二、授权专利、论文情况 共获国家、市科技计划资助项目4项；国家专利9项；软件著作权13项；发表学术论文 23篇；参编或主编标准、作业指导书3项。 三、应用推广及效益情况 （1）本研究采用内业代替外业、空地一体融合交叉的自动化作业模式，与国内外同 类产品对比，首次提供包含空三、建模、测图、建库、修模、单体化、成果管理应用 、生产管理的完备体系，大幅提高工作效率和产能。 （2）在多个项目中得到成功应用，服务项目的合同总额为1.94亿元，经济效益显著 。 （3）为实现测图级的地理实体构建提供有益借鉴，提质增效明显，具有示范意义。 三、科 技 创 新 科技创新（限5000字） （一）立项背景 2017年全国两会上，习近平总书记提出了“城市管理应该像绣花一样精细”的总 体要求。新时代超大城市的信息化、精细化管理，应该紧紧围绕“让人民生活更加幸 福美满”这一核心任务，利用电子、网络等信息技术综合管理城市,并结合城市的发 展现状、特点以及存在的问题,确定城市管理的具体内容和标准。城市精细化管理对 复杂实景三维重建技术提出了自动化、智能化和精细化的迫切需求。 伴随着信息化技术的演进和自然资源要素的发展，仅按测绘规范中要求的地理要素进 行生产的产品社会化属性凸现不足，需要依托于地理信息认知模型，构建具有地理属 性与社会属性的地理实体。1994年国际上一些发达国家开始对地理信息成果进行实体 化整合处理，我国于2009年开始起步搭建地理实体化建设，处于上升与探索阶段。本 研究旨在突破以图元作为地理实体构成基础的建设思路，确立地理实体作为数据关联 纽带的核心功能，不再局限于地图制图需求，实现地理单实体、组合实体、聚合实体 空间上高精度构建。 当前海量众源数联合处理在空地一体实景三维重建中的难点主要在于影像自动匹 配难度大、定向策略选择难、影像拓扑关系建立难度大、密集匹配可靠性低等方面， 本研究旨在通过多尺度影像匹配、联合定向、构网与网格变分精化，或者融合车载、 机载点云优化目标网格结构相关创新算法，实现空间融合，同时选取最佳视角的空地 影像进行贴图，实现信息融合，解决空地一体高精度协同重建难点。 同时根据当前现有软件各有优劣的现状，本研究根据空地一体高精度地理实体的构建 需求，综合了各软件优势，研制了一套“全生命周期全链条”服务体系，满足三维实 景协同自动空三与重建、模型修饰、地理实体采集入库、数据成果管理与应用等功能 ，形成整套空地一体高精度地理实体构建和服务解决方案。 综上，在此背景下，本研究面向“实景三维中国”的城市级、地形级、部件级三 维构成要素，研制高精度、高效率地理实体构建方法和服务体系。 （二）科技含量 1.总体思路 以国土空间规划、城市管控与自然资源调查、确权等创新发展为导向，研究空地 一体多尺度高精度的实景三维协同重建方法，搭建空地一体多源实景三维数据处理与 综合应用体系，构建需求驱动型自然资源要素地理实体定义与组织体系，基于图像模 型的二三维协同地理实体实景重现等高新技术，支撑“调确规管”服务体系。 2.技术方案与创新成果 2.1研究自然资源要素高精度地理实体观测数据库、图元数据库、场景数据库统一协 同的储存、索引和表征体系 提出高精度自然资源地理实体的空间形态分类、对象分类、分级、精度指标、表 达尺度、需求驱动的分割与表征方法，指导形成观测数据库、图元数据库、场景数据 库统一协同的储存、索引和表征体系，构建基元模型-表面模型- 实体模型的参数化表达和转换机制。 2.2提出空地一体多尺度高精度测绘和高效实景三维协同重建方法 高精度测绘一般包括空三定向、自动建模、测图等环节，主要通过提高数据精度 、数据处理精度、精度控制等技术手段实现。本研究创新性地提出改进EPnP算法，基 于本质矩阵鲁棒估计相对定向算法，基于增量式运动恢复结构算法，实现全景影像高 精度测绘与实景三维重建；提出基于平面透视投影的倾斜航空影像匹配方法，实现倾 斜多尺度影像快速高精度匹配；同时基于改进的Sampson距离算子精度评价指标，在R ANCAC框架下实现高精度全景匹配；设计一种基于深度学习的匹配代价模型，通过改 善特征描述、传播和聚合能力，实现跨尺度、多角度影像的稳健密集匹配和点云重构 ；针对模型重建过程中出现的细节不够丰富、边缘区域过于平滑的问题，创新性地提 出了一种基于线约束的网格变分精化方法，使具有墙线、楼梯、雕塑细节等具有线特 征的模型边缘区域的锐利特征得以保持；针对精确的空间关系及逼真的三维可视化效 果的综合需求，创新设计实现了两套大规模建筑物模型的屋顶纹理快速生成方案。 2.3构建空地一体实景三维数据生产体系 空地一体实景三维数据生产体系包含了多引擎空中三角测量与自动建模模块、单 体化与建模修饰模块、大比例尺测图模块、增强现实数据应用模块、质检软件系统与 生产管理模块，构建了“全生命周期全链条服务”的空地一体众源实景三维数据处理 与综合应用方案。 2.3.1提出空地一体实景三维数据生产全流程解决方案 组合集成航空影像、地面影像、车载影像、全景影像等多数据源，支持多源数据 、多引擎的体系化作业，实现数据集中管理、分布式储存、集群并行计算、作业过程 的任务分配、实时监控管理及全流程质检。 2.3.2构建空地一体多源实景三维数据处理与综合应用体系 实现数据采集、处理、管理和发布的协同框架，将实景三维数据能更好的应用于 自然资源调查监测、确权、国土空间用途管控、以及新型测绘当中，实现城市精细化 治理。 2.4基于高精度测绘和实景重建的自然资源要素地理实体构建与建库 研究高精度点、线、面、体等地理实体的构建与建库技术，通过多尺度空地一体 高效实景三维协同重建自然资源三维实景，利用所研发的空地一体实景三维数据生产 体系构建二维图元，形成1:500地形图、建筑地理实体、平面图、立面图等，同时采 集城市部件，构造组合实体和聚合实体，并附加自然资源地理实体属性信息，以自然 资源要素道路地理实体作为范例，有效实现数据规范化、统一化的数据交换。搭建自 然资源地理实体索引，实现“一体多形，形间互通”与不同比例尺多源数据的汇聚共 享。 2.5三维地理实体信息服务技术 2.5.1观测数据库、图元数据库、场景数据库协同规划控管 融合空地一体多尺度航空框幅影像、全景影像，地面近景框幅影像、全景影像、 自然资源三维场景（网格模型、单体模型、BIM数据）、自然资源地理实体二维图元 数据（平面图、立面图、规划数据），实现空间规划和监测、三维确权、广告与立面 辅助审批、规划条件核实等应用。 2.5.2探索城市更新需求驱动三维地理实体信息服务模式 本项目提出的三维地理实体信息服务技术将城市更新不同数据有序地通过同一自 然资源三维实景组织起来，并进行地理实体表征化划分，实现国土空间规划一体化进 行。 2.5.3探索城市管理驱动下的建（构）筑物普查三维地理实体信息服务模式 本项目通过构建自然资源建筑地理实体，融合采集信息数据库如权利人、建筑物 地址、层数等信息，建立一栋一册，实现任意范围的统计与分析，并根据空地一体多 尺度高精度测绘构建方法实现自然资源地理实体按需快速更新。 2.6 制定示范性技术指导书 本研究形成了观测数据库、图元数据库、场景数据库统一协同的储存、索引和表 征体系指引书、空地一体多尺度高精度测绘与高效实景三维协同重建技术指导书、规 划条件核实新型测绘作业指导书。 3.实施效果 本研究重点聚焦应用前沿、空地一体、需求驱动的高精度地理实体构建方法和服 务体系，为类似研究提供了有益借鉴，当前应用业务范围广泛，提质增效明显，符合 “按需测绘”原则，为1:500大比例尺测图与更新、旧村更新改造、国土空间规划和 利用、城市精细化管理等新型测绘提供支持，制定新型测绘作业指导文件和服务标准 ，提升测绘作业效率与精度。 （三）创新点 (1)通过框幅式和球形全景影像组合约束条件下高精度光束法平差，改进空地一体化 的众源影像融合方法，提升定向精度，满足地籍和工程测量精度要求。提出稳健快速 的球形全景影像位姿估计的改进EPnP算法，计算效率提高近30倍；提出基于本质矩阵 鲁棒估计的球形全景匹配方法，提高匹配精度；提出多摄站球形全景快速定向算法， 精度可达到分米级甚至厘米级；提出适合倾斜影像的基于平面透视投影的匹配算法， 该方法与ASIFT、SIFT算法比，获得的匹配点最多且均匀分布，可信度很高，稳定性 好，耗时居中；提出了自适应权值的跨尺度立体匹配算法框架；提出通过框幅式和球 形全景影像组合约束条件下的高精度光束法平差方法，以得到全局最优定向值。申请 9项发明专利，2项软件著作权，发表1篇SCI,3篇EI，12篇核心论文。 (2)设计一种基于深度学习的匹配代价模型，改善了特征描述、传播和聚合能力，实 现跨尺度、多角度影像的文件密集匹配和点云重构。基于物方知识约束的视差图生成 算法，利用已有数据或训练数据学习得到物方语义知识，对物方知识进行特征降维表 达，将其结合显示的数学模型，改进马尔科夫随机场能量模型，改善了特征描述、传 播和聚合能力，实现跨尺度、多角度影像的稳健密集匹配和点云重构。发表1篇SCI论 文。 (3)提出了直线特征引导的变分优化三维网格建模方法，构建测图级精度的三维地理 实体模型。提出了一种基于线约束的网格变分精化方法，相比泊松重建算法，有效地 提高了精度高的点数量，同时减少了精度低的点数量，平均相对误差更小，使得网格 的精度有所提高，完整度更好，并且使具有墙线、楼梯、雕塑细节等具有线特征的模 型边缘区域的锐利特征得以保持。设计实现了两套针对大规模三维数字城市建筑物模 型的屋顶纹理快速生成方案，可以节省约80％的人工作业量，整体效率约为纯人工修 改贴图的５倍以上。申请1项软件著作权，发表1篇EI论文。 (4)开发了空地一体高精度地理实体构建系列功能模块、生产管理体系与增强现实系 统，为自然资源多种应用提供可量测影像服务。包含自动建模、单体修饰、测图、数 据应用、质检与生产管理等模块，构建了“全生命周期全链条服务”的数据处理与综 合应用方案，为自然资源多种应用提供可量测影像服务。在规划条件核实应用方面， 成果精度优于5cm，相关研究成果已经应用于广州市城市规划勘测设计研究院主编的 广州市地方标准《建设工程联合测绘技术规程》。申请10项软件著作权，发表5篇核 心论文。 （四）保密方面 无。 （五）国际比较 同国内外其他项目比较，本研究具有如下几个方面的特色： （1）本研究整体达到了国内领先水平，在密集匹配算法和实景三维地理实体精细建 模方面达到了国际先进水平。旁证材料：科技查新报告、科技评价报告。 （2）规划条件核实立面测量方案同类产品对比，国外产品PhotoScan、AutoCAD技术 支持不便、制图成果不符合国内数据标准，国内产品EPS地理信息工作站、MapMatrix 3D、iData_3D立面制图功能薄弱，以三维模型测量为主，精度难以保证，本研究产品 技术支持方便，成果符合国家规范，立面制图功能完善，支持三维模型结合高分辨率 空地影像，支持地面影像，精度可达到5cm以内。 （3）空地一体技术同类技术产品对比，本研究项目覆盖空三、建模、测图、立面图 竣工图绘制、地理实体建库、单体建模、模型修饰、数据统一协同储存、三维场景发 布展示、服务体系等“全生命周期全链条”产品模块，国内外其他产品Context Capt ure、Pix4Dmapper、Photo Mesh仅有部分模块。其中单体建模、测图模块在国内外具 有明显优势。 （4）创新作业模式与效率，本次项目采用了空地一体的三维地理实体构建方法，以 内业代替外业，提升作业效率。同时在满足高精度测绘要求的前提下构建三维地理实 体库，在成果及图元管理上采用新的工艺及方法，丰富成果形式，相比较现有的方法 做了明显提升。 （5）影像数据的套合技术，海量影像数据的快速检索、最优套合影像的拣选和单张 影像内容的多细节调度，找到最佳的影像进行加载。提高航空影像数据在网络上的传 输速度和数据的加载效率。 （6）大规模三维数据和影像数据调度技术，对影像数据进行空间索引的建立，并根 据索引进行影像数据的空间检索和匹配。在场景制作中，由于贴图量及模型量的负荷 ，需要将整个场景分成不同重要级别的类型进行分级制作，以解决资源的最佳配置， 保证制作的效率。 技术成熟，可通过影像真实还原地物，实现高精度测量，可加载TB级海量三维数据， 万张影像的最优套合匹配速度为58毫秒，三维数据渲染帧率50帧/秒以上。 四、推广应用情况 1、推广、应用情况及社会评价（限 2000字） （一）推广应用情况 本研究成果对加快构建“实景三维中国”，促进测绘生产方式转变，实现城市精 细化管理具有重要的推动作用，具有广阔市场前景。 （1）本研究成果已在全国多个地方的信息化测绘生产和服务实践中得到较成功的应 用。 ①在城市管理的应用中提高了作业效率和应用范围，包括广州市番禺区东环街道、市 桥街道、小谷围街道、钟村建(构)筑物基础信息普查项目、深圳市坪山区存量建筑信 息库项目建设等； ②在城市更新的应用中采用信息化手段进行质量控制，测量精度符合城市更新相关规 范，包括南浦村（红木小镇一期）改造项目基础数据调查、南村镇里仁洞村旧村改造 基础数据调查、罗边村（东线路以西）改造项目（实施阶段）基础数据调查、南大干 线南村镇段西片区和石壁片区等多个重点改造片区的城市更新基础数据调查项目等； ③在立面测量方面的应用中，满足5cm以内的精度要求，低成本高效率，包括九江市 庐山大道沿街立面改造项目等； ④在室内建模、单体化、地理实体采集、大规模复杂场景的重建方面的应用中，实现 了精细化建模与快速建模，包括大连国际会展中心室内外一体化立体综合可视化展示 、武汉军运会场馆综合信息可视化运行监控和应急指挥平台、香港屯门区域构建三维 地理实体项目、甘肃省张掖市数字城市三维模型建设项目、萧山智慧规划建设项目、 武汉市测绘院地理实体采集项目、上海测绘院高精度地图项目、琶洲等50平方公里示 范区现状三维信息模型建设项目等； ⑤在广告辅助审批、辅助规划方面的应用中，提高了设计效率，实现了精细化管理， 包括杭州跨贸小镇广告辅助审批（AR，E）项目、基于规划BIM技术辅助规划设计应用 ，以第二中央服务区鱼珠核心区为试点、BIM+VR技术辅助建筑规划审批管理新模式研 究等； ⑥在激光点云方面的应用包括重庆市历史文化资源测绘和数据采集第三方监理项目、 历史文化名城基础调查、动态更新及专题研究工作经费，广州市历史建筑三维扫描和 测绘制图等； 佐证材料：应用证明，技术评价证明之“精度检验报告”。 （2）本研究发表科技论文23篇，申请发明专利9项，申请计算机软件著作权13项。佐 证材料：其他附件“发表科技论文”，“知识产权情况” （二）社会评价（佐证材料：技术评价证明之“应用证明”和“相关社会评价”） （1）在三维地理实体信息服务类项目中获得业主好评 ①在建（构）筑物基础信息普查项目中成功应用获得了好评：采用先进的测绘技术和 信息化手段进行基础数据采集、质量控制和数据管理，在普查工作中引入了无人机、 倾斜摄影、三维建模等技术，丰富了成果形式，调高了作业效率，保证了成果质量。 详尽的项目普查成果，在城市综合管理中提供了丰富的数据支撑，提高了成果使用效 率。 ②在城市基础更新领域的成功应用，获得了好评：高效、先进的数据采集手段，减低 了生产成本、丰富了数据成果、提高了数据使用率、促进了部门之间的协调。 ③在新型摄影测量高精度测绘采集应用中获得了好评：空地一体化的测图作业模式有 效弥补航空影像对地面、城市部件等信息的缺失，大幅降低作业人员技术门槛，采集 精度高，可达到厘米级，满足1:500地形地籍测图精度要求，大幅降低外业调绘工作 量，提高作业效率；新型房屋立面测图技术，极大降低传统外业采集耗时及人员成本 。 ④在辅助户外广告规划审批应用中得到好评：设计的AR增强现实GIS应用平台，借助 实景三维模拟规划广告不同视角、位置、形式、规格等景观效果，不同规划方案比对 ，统一管理，修改更新及项目跟踪监管。有效的辅助完善规划设计方案、提升设计效 率，辅助规划审批精准、精细、精确，为广告规划精细化管理提供了强有力的技术支 撑。 ⑤在面向国土空间规划二三维联动设计运维应用中得到好评：实现、三维联动、实景 与虚拟联动展示方法，突破多维度、多方式的规划设计技术瓶颈，有效提升设计的直 观和易用性，提高规划设计的效率和科学性。 ⑥在立面提升改造项目中得到好评：该工艺流程高效率、高精度、低成本，采用地面 近景摄影测量方式进行立面测量，人均效率在3000平方米/人天，精度误差约3cm。 （2）研究成果获得行业肯定 ① 相关研究成果获得行业奖励奖励10项。 ② 本研究的部分成果形成行业示范，协助市、区开展技术培训，并形成示范模板。 ③ 本研究的部分成果空地一体倾斜航空摄影数据半自动处理工艺，“实景世界”模 型修编系列产品获得了2015年全球地理信息开发者大会（WGDC）邀请进行演讲报告， 获得行业一致好评。 ④ 本研究的部分成果《空地一体摄影测量快速实景三维解决方案》获得了ChinterGE O2017中国国际测绘地理信息技术装备高峰论坛邀请进行演讲报告，获得行业一致好 评。 ⑤ 本研究的部分成果《空地一体化新型摄影测量系统》获得大疆无人机2019首届测 绘行业推介会邀请进行演讲报告，获得行业的广泛关注和好评。