实景三维技术发展态势——XXIV ISPRS Congress报告.pdf
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1、2097-3012(2023)02-0167-10 Journal of Spatio-temporal Information 时空信息学报 收稿日期:2023-03-30;修订日期:2023-06-16 基金项目:国家自然科学基金项目(42171361);香港研究资助局项目(PolyU 25211819)作者简介:姚巍,研究方向为摄影测量与遥感。E-mail:wie.hn.yaopolyu.edu.hk 通信作者:王谱佐,研究方向为激光测量与遥感。E-mail:puzuo.wangconnect.polyu.hk 实景三维技术发展态势 XXIV ISPRS Congress 报告 姚巍,王
2、谱佐 香港理工大学 土地测量与地理资讯系,香港 999077 摘 要:实景三维作为国家新型基础测绘和时空大数据平台的重要数据支撑,实现了对真实世界的高精度、高真实度、高智能度的数字化重现,具有广泛的应用价值和社会意义。实景三维数据提供了对真实物理环境准确和逼真的描述,有助于在各个领域更好地进行决策、分析和模拟。本文以第 24 届国际摄影测量与遥感大会(XXIV ISPRS Congress)的研究成果为依据,从实景三维的立体化、真实化、实体化三个方面,概述了国际上的科研进展和发展趋势,并针对中国实景三维建设面临的难点和挑战,提出了相应的对策和建议。针对不同层级的地理空间实体(如地形、城市、部件
3、等)的建模需求,立体化重构技术利用不同数据获取平台特点,借助多模态遥感数据融合实现产品的多尺度多细节层级表达。纹理定向映射和感知信息融合等技术进一步提升了重构产品的真实化描述,将三维模型真实客观地模拟于数字化空间。具有海量性和实时性的物联感知数据包含了物联网技术采集的各种传感器数据,将其与实景三维模型进行融合和分析,既可用于实景三维产品更新,也可借助三维平台为众多时空地理信息应用赋能,如提供监测环境变化、预测灾害风险等智能服务。同时,实体化建模技术通过对精细化分类三维产品的各个部件结构进行编码存储,并利用在线系统与支撑环境的建设提供高效便捷的管理和计算平台,从而力争达到众多地理应用模块的综合协
4、同。中国当前在实景三维技术领域同样成果显著,但在未来还需要突破关键技术。为实现实景三维产品的高效建模,需进一步融合数据源特点,完善产品结构和属性细粒度,并在此基础上最大限度压缩计算和存储成本。挖掘海量物联感知数据在实景三维产品真实化描述方面的潜力,同时关注传输安全和协同管理。另外,提高三维产品部件结构分类的自动化及通用化程度有助于建立高效便捷的数据处理体系。实景三维建设还需要完善数据管理标准和计算资源分配机制,以保证数据质量和安全性,以及计算效率和可靠性,从而更好地为社会发展提供科技支撑。关键词:第 24 届国际摄影测量与遥感大会;实景三维;关键技术;发展态势 引用格式:姚巍,王谱佐.2023
5、.实景三维技术发展态势XXIV ISPRS Congress 报告.时空信息学报,30(2):167-176 Yao W,Wang P Z.2023.Development trend analysis of real-scene 3D technology:XXIV ISPRS Congress report.Journal of Spatio-temporal Information,30(2):167-176,doi:10.20117/j.jsti.202302002 1 引 言 实景三维作为一种新型基础测绘标准化产品,以数字虚拟形式对真实世界进行准确的模拟。通过在三维地理场景上构建结构
6、化、语义化、支持人机兼容理解和物联实时感知的地理实体,实景三维可为数字中国建设提供统一的空间定位框架和分析基础,是数字政府、数字经济重要的战略性数据资 源和生产要素(朱庆等,2022)。自然资源部办公厅于 2022 年发布的关于全面推进实景三维中国建设的通知明确了实景三维中国建设共有五大建设任务,分别为地形级实景三维建设、城市级实景三维建设、部件级实景三维建设、物联感知数据接入与融合、在线系统与支撑环境建设。通知呼应了自然资源部此前发布的实景三维中国建设技术大纲(2021 版)(以下简称技 168 Journal of Spatio-temporal Information 时空信息学报 20
7、23,30(2)术大纲)。由图 1 可知,实景三维建设技术路线大量涉及摄影测量与遥感专业技术。国际摄影测量与遥感大会(International Society for Photogrammetry and Remote Sensing Congress)作为摄影测量、遥感和空间信息科学领域顶尖的会议,反映了全世界在该领域研究中的最新发展动态。因此,本文结合第 24 届大会上学术成果,对当今国际实景三维最新科研成果和技术发展进行总结概括,试图为中国实景三维发展提供系统性的理论与技术参考。图 1 实景三维建设技术路线(修改于技术大纲)数字高程模型(digital elevation model,
8、DEM);数字表面模型(digital surface model,DSM);数字正射影像图(digital orthophoto map,DOM);数字真正射影像图(true digital ortho map,TDOM)Fig.1 Real-scene 3D construction technology route(Modified in Real-scene 3D China Construction Technology Outline(2021 Edition)第 24 届国际摄影测量与遥感大会于 2022 年 6月 611 日在法国尼斯召开(https:/www.isprs 20
9、22- 2000 多篇学术论文,超过 50 个国家的学者在现场参会。实景三维是本次大会一大热点方向,有 16 个分会场主题与实景三维高度相关,共涵盖了上百篇最新科研成果,其中,热门技术统计,如图 2 所示。图 2 第 24 届国际摄影测量与遥感大会实景三维相关热门技术统计 Fig.2 Statistics of popular techniques in real-scene 3D correlation at the 24th International Society for Photogrammetry and Remote Sensing Congress 针对实景三维中国五大建设任务
10、,陈军等(2022)近期总结并指出了实景三维中国建设的总体技术逻辑,从需求分析、应用场景、实现技术、顶层设计和协同建设五个维度规划了实景三维中国建设框架(图 3)。因此,本文将对涉及实景三维的最新科研成果逐一分析和总结,依据立体化重构、真实化描述、实体化建模的信息技术体系概括 图 3 实景三维中国建设的总体技术逻辑(陈军等,2022)Fig.3 The overall technical logic of real-scene 3D China construction 姚巍 等:实景三维技术发展态势XXIV ISPRS Congress 报告 169 各国科研及产业的经验和不足,以展现目前实
11、景三维技术的发展态势,并对其未来发展趋势进行分析展望。2 立体化重构技术 立体化重构是构建实景三维的基础环节,负责数字化重建地物三维立体模型。其中,影像几何建模和激光测距建模是两种主要的实现方式。为满足覆盖地形级、城市级、部件级的多层级地理空间实体建模需求,不同方法进行了针对性的改进创新,共包含四十多篇相关文章。2.1 地形级立体化重构 地形级实景三维建设是涉及覆盖全国陆地及主要岛屿的数字高程模型、数字表面模型和数字正射影像图制作,在国家和地方层面以不同精细度表达。DEM 和 DSM 记录了一定区域地形起伏和地表覆盖的空间分布。其中,DEM 只包含了地表高程信息,而 DSM 涵盖了整个地表覆盖
12、信息,如建筑物、植被等。DOM 记录了天顶视角下的地表信息,由消除了各项误差的原始感遥影像产生。DEM、DSM 和 DOM 的制作一直是测绘领域的刚需,目前也有一些较为成熟的技术解决方案。对地形级实景三维产品制作的学术研究集中在提高整个生产流程的自动化水平上。基于当前的研究基础,主要从多模态数据来源、时效性和精准度等方面进行了深入创新,共涉及十多篇相关文章。在多模态数据方面,合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)具备对环境天气影响敏感度低和成像精度高的特点,用户可以从 SAR 影像上自动生成 DEM 数据(Kang 等,2022);或是借助机器学习模型,结合卫
13、星影像和激光点云数据识别主要地表覆盖,并分层生产高精度的 DEM 产品(Dubey 等,2022)。在时效性上,德国和奥地利的学者结合无人机测绘方法,提出了高精度、高时效性的 DOM 和 DSM 生产方案(Kern 等,2021)。在精准度上,美国学者针对自动化算法出现的误差,利用地形空间分布的先验知识设计改进 DSM 产品精度(Salehi 和 Jarahizadeh,2022)。另外,考虑到地形级实景三维产品通常覆盖大尺度地区,对此类数据的精度评估是一大难点。一些研究分析了在不同数据源获取条件下 DSM 产品的精度评估,并比较了不同精度产品下对后续遥感测绘应用的影响,为生产可行性评估分析提
14、供了数据支撑(Karakas等,2022;Aguilar 等,2022)。总体上,地形级实景三维技术研究已有丰富的成果,但在原始数据获取上还需进一步兼顾生产成本和模型空间精度,依据数据模型设计要求,采集实体数据,以节约和高效的方式满足精度需求。当前,大尺度精准的地形级实景三维产品已成为国际社会的需求热点,在本次大会上同样有一些海外学者展示了发展成果和目标。例如,美国学者展示了于 2019 年最终更新的全球 DEM 产品ASTER GDEM,地面分辨率达到 30 m(Abrams 等,2022);法国学者提出了 CO3D 任务,计划于 2025年建成覆盖全球的 1 m 分辨率高精度 DEM 产品
15、(Lebgue 等,2020)(图 4)。图 4 CO3D 全球 DEM 产品(Lebgue 等,2020)Fig.4 CO3D global DEM products 2.2 城市级立体化重构 城市级实景三维建设是当前的研究热点,同样也是难点。为实现高精度地理实体数据建设,对源数据采集和智能化、自动化的处理算法均有较高要求。本次大会涉及城市三维建模的研究颇多(三十多篇相关文章),一系列方法可实现由粗到精的城市级实景三维建设。通过覆盖大范围城区的卫星影像做立体匹配,可实现大尺度快速的城市三维建模(Lee 和 Park,2022;Stucker 等,2022;Tripodi 等,2022),如图
16、 5 所示。然而,此类方法精度很难达到应用或任务要求。170 Journal of Spatio-temporal Information 时空信息学报 2023,30(2)图 5 卫星影像立体匹配生成的城市三维模型 Fig.5 The 3D model of the city generated by stereo matching of satellite images 为建立更精准的城市三维模型,许多方法融合航空影像和机载激光点云数据,能够同时获取高精度三维几何坐标信息和丰富的纹理信息(Macher和 Landes,2022;Zhang 等,2022a)。当前,随着无人机技术的发展,利用
17、无人机数据建立城市三维模型已逐渐成为主流研究方向。由于无人机具备成本低、更新数据周期短、精度高等特点,与其他数据获取来源相比有巨大优势。无人机影像可近距离地记录城市结构,结合人工智能与机器视觉算法,生产高精度的城市实景三维模型(Kim 等,2022)。更进一步的,有研究通过将摄像机搭载在无人机上,利用视频形式采集序列化的城市数据,提高了建模过程的成功率和模型的精确性(Hermann 和Weinmann,2021)。街景数据同样也是高精度三维建模的重要数据来源,包括街景(全景)图像和移动测图激光点云数据。街景数据与无人机数据能形成有效的互补,从鸟瞰和地面角度全方面记录城市结构(Wahbeh 等,
18、2022)。2.3 部件级立体化重构 部件级实景三维建设在城市级数据的成果上做进一步完善,包含建(构)筑物结构部件、建筑室内部件、道路设施部件、地下空间部件等,并要 求更高的分辨率和实时更新。部件级产品与城市级产品建设涉及的技术方法类似,但数据来源有所不同。对于建(构)筑物结构部件和道路设施部件等设施,利用无人机数据和机载、车载激光点云数据可有效地构建高精度实景三维模型(Buyukdemircioglu 和 Kocaman,2022;Gaspari 等,2022;Mwangangi 等,2022;Sani 等,2022)。例如,在意大利,无人机测绘被应用于桥梁三维建模和结构健康监测,并通过网页
19、交互平台查看和分析三维产品(Gaspari 等,2022)。无人机影像和机载激光点云数据被融合后用于荷兰细节层次(level of detail,LoD)2 级别建筑物三维重建,方法结合色彩纹理和三维结构的特点,进行准确完整的建筑物表面提取和建模(Mwangangi等,2022)。由激光点云构建的建筑物三维模型,如图6所示。而对于室内场景,目前也有很多的便携式三维数据采集设备(Zhang 等,2022b)。智能手机的发展为室内测绘和导航提供了高精度、低成本的数据来源。例如,一些最新的智能手机已搭载了激光扫描仪,配合已有的高清相机,可实时生成纹理信息丰富、几何结构精准的实景三维模型(Daz-Vi
20、lario等,2022)。随着便携式激光扫描仪成本的进一步 图 6 由点云构建的建筑物实景三维模型(Sani 等,2022)Fig.6 Real-world 3D model of a building constructed from point clouds 姚巍 等:实景三维技术发展态势XXIV ISPRS Congress 报告 171 降低,此类产品在实景三维建设中有着广泛的应用前景。数字孪生概念是当前的一大研究热点,也是建设部件级实景三维产品的重要环节,本次大会也有七项相关工作。建筑物实体是数字孪生一大体现,通过将现实世界中的建筑物完整真实地还原到虚拟环境中,使用户能快速便捷地实现
21、各项操作。CityGML 2.0 标准(Grger 等,2012)定义了五种LoD 模型,如图 7 所示。有研究利用无人机数据和航空正射影像构建了具有地理参考的建筑物 LoD 3模型,并对室内场景进行了精确建模,最终生成了完整的建筑物信息模型(building information model,BIM)(Dursun 等,2022a)。另外,在本次大会中,数字孪生在一些具体应用中也有涉及。例如,美国国家交通部门调查了数字孪生在运输资产管理中的实践和发展需求,在数据格式、数据详细程度、数据收集、数据特征等方面做了详细的调查研究(Ammar 等,2022);多模态和多尺度遥感数据被用于海岸地形测
22、绘数字孪生模型(Grossmann等,2022);数字孪生模型在混合现实场景可实现远程协同工作(Baumgartner 等,2022)。总的来说,当前数字孪生模型存在功能单一、难以实现多用途实用化的问题。部件级实景三维建设还需持续精化,丰富产品内容,实现精准表达和按需定制的个性化应用服务。图7 CityGML 2.0标准下的5种LoD模型(Grger等,2012)Fig.7 Five LoD models under the CityGML 2.0 standard 3 真实化描述技术 实景三维的真实化描述是指在数字化虚拟空间中真实客观地记录物理世界,这也是实景三维建设区别于传统三维建模的关键
23、提升之处。真实化描述主要包括纹理定向映射、感知信息融合等方面。目前,纹理定向映射可由包含影像几何建模的立体化重构技术实现。利用航空、无人机影像和街景图片等丰富的数据来源,可将纹理信息精确地映射到实景三维产品中(Macher 和 Landes,2022;Kim等,2022;Wahbeh 等,2022)。相比之下,感知信息融合是实现真实化描述亟需解决的重要问题,本次大会也出现了一些相关文章。为将感知信息融入实景三维产品中,需获取海量物联感知数据并实现智能分析。物联感知数据建设将支撑数据实时接入及空间化,采用空间身份编码等方式实现其与基础地理实体数据的语义信息关联。物联感知识别主要涉及信息编码、网络
24、传输、传感器设备等方面。因此,本文主要聚焦大会上关于物联感知数据在摄影测量与遥感领域应用的研究。随着物联网的发展,众源数据在地理信息领域应用广泛,通过网络数据挖掘、收集地理实体有关数据并实施具体应用分析。例如,意大利的研究利用众源数据分析亚马孙雨林的森林砍伐现象(Bratic 和 Brovelli,2022);通过网络多源数据收集,获取研究区域在不同时期的地表覆盖信息,并使用变化检测方法计算减少的森林区域。加拿大的研究利用社交网络数据分析城市人口流动,有助于城市规划和智能交通管理(Basmenj 和 Li,2022)。在实景三维平台的帮助下,众源数据可得到更真实立体的可视化效果,从而更好地服务
25、于分析决策。另有加拿大的研究利用实景三维平台搭建了道路表面异常检测系统,收集用户上传的具有位置信息的道路异常图片,并通过概率模型分析进行精准的道路异常区间定位(Sattar 等,2022),如图 8 所示。图 8 道路异常信息时空表达(Sattar 等,2022)Fig.8 Spatial-temporal representation of road anomaly information 4 实体化建模技术 实体化建模对实景三维产品从整体到部分进行了功能细分,划分出三维模型的各个部件结构,并进行编码描述和存储组织。生成实景三维模型172 Journal of Spatio-temporal
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