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从数据到应用,看实景三维如何走向纵深
发布时间:2023-01-17     来源:i自然全媒体      作者:吴文峰      浏览:469次

作为近年来自然资源领域尤其是测绘行业的热点话题,实景三维是国家重要的新型基础设施。每每谈及实景三维中国,很多人将其看作“高大上”的概念,不仅是社会公众缺乏了解,一些从业人员也很难用简单的语言作出清晰的解释。

什么是实景三维?2021年12月,自然资源部印发《新型基础测绘与实景三维中国技术文件》,对实景三维的描述是:对一定范围内人类生产、生活和生态空间进行真实、立体、时序化反映和表达的数字空间,是新型基础测绘的标准化产品,是国家的重要基础设施,为经济社会发展和各部门信息化提供统一的空间基底。

早在2019年全国自然资源工作会议上,开展实景三维中国建设就被提上议事日程。国家层面的实景三维中国建设是战略性、全局性的重大工程,需扎实稳步推进。在省、市级范围内特别是试点区域(项目),实景三维已经从数据转换为应用,并取得了阶段性成效,其成果也进入了社会公众的视野。

本期刊发的稿件选取实景三维在生态保护、地质灾害防治、智慧城市建设等方面的应用成果及观点,展示了实景三维在山水之间、工程现场、城市生活中对地理空间和实体对象的结构化表达,以及功能的搭建平台。

一个平台就像一个舞台,各类场景应用就如同一幕幕剧目。如今,“舞台”正在逐步建成,属于实景三维的“好戏”才刚刚上演。

陕西:构建黄河流域数字空间底座

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自然资源部第二地形测量队在延安市南门沟水库开展黄河流域水库地下地形监测

奔腾的黄河金龙摆尾般甩出一个近90度的大弯,在榆林市府谷县来到陕西境内。入陕后的黄河浩荡南下,既有壶口瀑布的澎湃浩荡,也有洽川湿地的关雎之鸣。如何通过实景三维建设助力黄河流域生态保护,是陕西省自然资源部门面临的新考题。

近年来,在依托新型基础测绘开展实景三维建设的基础上,一个服务于陕西省黄河流域规划建设、生态修复、污染治理、水土保持、应急指挥、文化保护的“数字空间底座”正逐渐成形,为全省黄河流域提供智慧化管理和决策支撑。

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延安市乾坤湾实景三维图

主动谋划,试点攻坚克难

2020年,陕西省测绘地理信息局与陕西省发展和改革委员会依托自然资源部第二地形测量队(陕西省第三测绘工程院)联合成立了陕西省智慧黄河研究院,发挥测绘技术优势支撑黄河流域生态保护和高质量发展。

为解决时空数据获取难、标准不统一、数据更新不及时等问题,自然资源部第二地形测量队(以下简称部第二地形测量队)从产品设计、组织模式、管理平台、应用服务和标准规范5个方面开展攻关,最终通过多种技术手段将多源数据融合在同一平台,构建陕西黄河流域数字空间底座,提升空间信息资源共享水平和服务能力。

“实景三维的概念已经提了很多年,产生了单体化建模贴纹理、DOM(数字正射影像图)与 DEM(数字高程模型)融合、倾斜摄影建模、激光三维扫描建模等多种方式,这些技术为陕西省黄河流域实景三维建设奠定了基础。但依旧有许多技术难点需要攻克。”部第二地形测量队生产技术科科长林璐说。

部第二地形测量队实景三维技术组研究人员介绍,针对点云编辑、影像镶嵌等人工量大的工艺流程,通过优化匹配策略,采用镶嵌线自动化处理,减少了人工编辑工作量、提高了生产效率。针对黄河流域水下地形测绘中的技术难点,通过技术攻关,完成了水下与近岸数据的接边、融合以及水下模型构建方法。此外,还重点攻关了基础地理实体检查及质量控制等问题。

目前,平台已经实现多层级实景三维数据的展示、查询、统计等基础功能,并解决了与物联感知数据融合中的兼容性问题。“后续将在海量多源数据自动综合处理技术、水上水下一体化测绘数据融合、高精度实景三维模型快速生产和更新、物联感知数据与地理实体时空关联、数据行业业务应用系统开发等方面持续推进研究。”部第二地形测量队科技与成果应用科科长王爽说。

未来,陕西省智慧黄河建设会形成一个多层级实景三维模型,包括国家、省级、城市级和部件级三维模型与地理实体等数据要素,实现“1+1+N”目标,即一个实景三维数据库管理平台,提供黄河流域实景三维数据的展示、查询、分析等功能;一套标准体系,包括数据生产技术、产品模式、共享交换等多个方面;开展多项应用示范,为自然资源、生态环境、应急、水利、农业、林业、文物等部门提供三维立体化、时序全面的数据资源支撑。

拓展应用,助力战略发展

“陕西省黄河流域实景三维数据实现了真实空间的数据虚拟映像,为黄河流域提供统一的空间定位框架和分析基础,是推动黄河流域数字经济发展的重要生产要素。”部第二地形测量队副队长杨少勇说。

2020年、2021年,陕西建成两期省域内黄河流域10米格网尺寸 DEM与优于2米地面分辨率 DOM套合的实景三维模型。在重点生态环境保护区、文化景观区通过倾斜摄影测量、贴近摄影测量等技术,构建了多场景下对应5厘米~20厘米多种分辨率的倾斜实景三维模型,在黄河流域国土空间规划、防灾减灾、水土保持、生态保护与修复等方面发挥了重要作用。

据介绍,实景三维模型宏观展示了黄河流域真实立体的山川地貌与地理要素分布。例如,在榆林市佳县,通过实景三维与“三区三线”数据的融合,直观展示各类规划的空间布局及其合理性。在延安市乾坤湾,通过实景三维视角能发现并展现山体裂痕情况,并监测地质灾害隐患点变化情况。在韩城市西部山体,通过实景三维可实时精准测量并获取开挖山体面积、体方及其整治情况。在渭河入黄河段,通过汛期前后水下地形的监测可获取河道淤积的数据。在南沟门水库,通过水上水下一体化三维模型,结合实时水流速度与水位数据,能准确掌握水库的库容信息并针对边坡滑坡情况开展分析。

“下一步,我们会不断完善全省黄河流域实景三维体系,有效支撑黄河流域生态保护和高质量发展战略。”部第二地形测量队队长罗志远说。

山东:以测绘创新助力高山深峡地灾防治

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加固修复后的年家峪泥石流沟

2018年8月19日,受台风“温比亚”影响,山东省泰安市天宝镇年家峪村因强降雨突发泥石流,造成4人死亡,冲毁民房13间,造成了巨大损失。突如其来的灾害让原本凭借“北方鲜果第一支”的天宝樱桃过上富裕日子的小镇蒙上一层阴影。

为筑牢地质灾害防灾墙,守护天宝镇村民的甜蜜生活,2020年6月,年家峪特大型泥石流防治项目启动,由山东省地矿局第五地质大队承担前期调查和实景三维等技术服务。大队在项目中总结完成的《实景三维在泥石流沟灾后防治工程施工和监测预警中的应用》于近日成功入选“实景三维山东十大应用创新案例”,成为构建国家新型基础测绘体系在山东省的典型经验。

高山深峡,“飞”出新数据

天宝镇地势北高南低,东高西低。2018年发生泥石流的年家峪村就坐落在高山深峡向平原过渡的“布袋口”处。传统的航空摄影和调查方法难以做到全面性和直观性的有效统一。

考虑到这一现实情况,项目实施初期,第五地质大队从聚焦国家、地方实景三维建设和管理需求出发,首次在崩滑流灾害调查监测中使用3种倾斜摄影数据采集模式。第五地质大队遥感监测处主任刘法军介绍:“在项目区不同区段,我们使用仿地航线+贴近摄影测量和环绕摄影测量采集数据,并进行超高精度三维建模。”

据了解,为了获取高精度三维模型,第五地质大队首先对测区进行航飞,识别出电线、铁塔等干扰物,用粗模完整还原待测区域的三维结构。现场使用便携工作站对所采集影像进行计算,生成测区内 DOM(数字正射影像图)与 DSM(数字表面模型)。在此基础上,规划了3种分辨率更为精细飞行方式:

一是对起伏较大的山坡,生成分辨率为1厘米的仿地航线进行变高测量。二是对分散的危岩体,生成分辨率为7毫米的贴近摄影测量航线,进行角度始终垂直于边坡的变高飞行拍摄。三是对狭长泥石流冲沟,生成分辨率为1厘米的带状环绕仿地航线,获取冲沟带状精细数据。

在外业数据采集完成后,采用15节点的大疆智图集群软件在几小时内生成毫米级高精度三维模型及点云成果,并进行统计和分析,掌握监测区域的详细情况并进行相关研究部署。“项目历时两年完成,相关成果已得到运用。”该项目相关负责人介绍说。

创新技术,突破应用场景

年家峪特大型泥石流防治项目最突出的特点表现在精、变、全、快等方面。

一是首次利用高分辨率实景三维模型,采用空间三点坐标法计算得到岩层的产状要素,在室内实现了岩体结构面张开度、发育密度等清晰识别,可获取危岩体的准确几何空间和地质特征,准确计算其稳定状况和破坏能量。如此一来,能为地灾调查保存更多细节要素,为地灾评估、勘查与治理提供可靠依据。

二是组合使用了仿地摄影+贴近摄影+环绕倾斜摄影3种数据采集模式,在崩塌、滑坡、泥石流等地灾调查中,能精准确定治理区范围、覆盖情况及荷载情况,可清晰、快速获取岩性组合、结构面产状及卸荷带走向等精确数据,实现地灾监测从二维平面到三维立体的转变。

三是将多时序三维模型融合 LAS数据用于项目全生命周期。通过多期影像比对,可对施工过程进行监管,达到高效、安全的目的。在竣工验收方面发挥三维可矢量化、可统计分析的优势,更精准量化土方等工程量状况。

四是通过超高精度实景三维模型技术,采用空间三点坐标法计算得到结构面产状要素(倾向、倾角)。通过专业软件即可完成结构面岩体填充情况、结构面张开度、结构面发育密度等方面的清晰识别,进行危岩体特征参数(几何尺寸、坐标高程、高差、结构面特征)等定量化勘测,明确危岩区段内任意一个危岩体的准确几何特征、空间特征和地质特征,为危岩体稳定性分析提供更加精准的数据支撑,从而大大降低了人员野外调查测量的安全风险,同时实现了调查工作的全面性与时效性的统一。

沿着此次项目形成的技术路径,第五地质大队通过倾斜摄影三维实景建模技术在崩滑流调查施工和山水林田湖草生态修复等工程中不断实践,总结了一套包括“影像采集—模型—指标提取—定量分析—三维应用”的地灾识别流程,在国家新型基础测绘体系建设“山东试点”中脱颖而出,并将发挥出更大的作用。




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