多种地理环境三维建模研究摘要：随着三维建模技术的发展，三维模型日益成熟，广泛应用于水利、地质、城市建设、交通、地下空间等领域文章以敦煌景区为例，通过分析敦煌地形地貌状况，针对多种地物地貌，采用目前主流的三维建模方式，如无人机倾斜摄影、地面近景摄影、三维激光扫描，对景区景观进行分区，通过因地制宜的分区域多手段方式建模，实现了景区景观的直观性展示，充分论证了多种手段获取三维数据的建模在多种地理环境下的实现思路，能为类似工程提供参考关键词：三维建模；建模方法；地理环境；倾斜摄影目前，各种三维建模方式已经相对比较成熟，倾斜摄影建模、近景摄影测量、激光点云等技术被广泛应用然而，这几种建模方式都有一定的局限性，并不是在任何地理条件下和环境下都适用，若遇到多种复杂地理条件则存在困难如何在多种地理环境和条件下完成三维建模是一个值得研究的课题[1-3]文章以甘肃省敦煌市鸣沙山月牙泉国家级风景名胜区为例，分析景区内特有的地形地貌，结合现今主流的建模方法，如无人机倾斜摄影测量、地面近景摄影测量、三维激光扫描等多种技术手段，对多源数据融合建立景区三维模型的方法进行探索研究1常见三维建模方法1.1基于二维地理信息数据的三维地理信息建模方法基于二维地理信息数据的三维地理信息建模是以地理信息二维数据为基础，如数字地形图及相关资料提供的空间数据和属性数据，通过一定的手段获取现实实体的纹理、属性信息，以及数字高程模型数据，在三维建模软件中对所获取的地理信息数据及纹理、属性数据进行加工，并建立三维模型，构建虚拟的三维现实世界[4-6]。
根据所使用建模软件的不同，又可以分为3DSMAX建模和GIS软件建模等1.2倾斜摄影测量三维地理信息建模方法倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术，指在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、倾斜等不同角度采集影像，从而获取地面物体更为完整准确的信息[7-8]这种摄影测量技术被称为倾斜摄影测量技术，所获取的影像为倾斜影像相对于正射影像，倾斜影像能从多个角度观察地物，能更加真实地反映地物的实际情况，极大程度上弥补了正射影像应用的不足利用倾斜摄影测量获取外业倾斜影像后，通过配套软件如Smart3D软件等，可直接生成三维模型1.3三维激光扫描点云建模方法相较于传统测绘技术，三维激光扫描技术具有模型立体测量方法先进、测量精确度高和测量时间短等优点该技术利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据，且通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据同时，可以快速、大量地采集空间点位信息，为快速建立物体的三维影像模型提供一种全新的技术手段[9-10]三维激光扫描系统可以密集、大量地获取目标对象的点云数据，利用三维激光扫描技术获取的空间点云数据，可快速建立结构复杂、不规则场景的三维可视化模型（尤其是建筑物模型），这种能力是现行的三维建模软件所不可比拟的。
因此，该技术在文物古迹保护、建筑、规划等领域应用非常广泛，目前室内建模也主要基于三维激光扫描测量技术2多种地理环境下的三维建模2.1研究思路针对每个区域不同地貌地物特征采用不同建模方法进行数据采集，最终完成整个区域的模型建立1）沙漠区域建模沙漠区域建模是该项目的难点对于传统的倾斜摄影，沙漠纹理较弱，直接影响图像间的匹配，倾斜摄影照片空三无法解算，且弱纹理区域模型存在大量空洞无法弥补；三维激光扫描属于主动遥感，可以采集沙漠区域三维信息，具有较高的几何精度，但是纹理信息不丰富，建立的模型可视化程度不高针对该问题，拟采用基于三维激光扫描和现场拍照相结合的技术进行融合建模，具体如下：先对点云数据和照片按照一定的方式进行校正，必要时在现场布设标靶，对校正后的数据进行自动化三维建模，从而增强三维实景模型的可视化效果，更好地表达现场细节信息2）重点建筑区域建模倾斜摄影建模通常较难达到毫米级精度，故针对月牙泉重点建筑采用点云影像融合的方式，由激光点云提供结构信息，能够实现重点区域毫米级超高精度建模2.2景区地形地貌甘肃省敦煌市鸣沙山月牙泉国家级风景名胜区气候干旱，具有降水少、蒸发强、冬寒夏酷、昼夜温差大、日照充足、辐射值高、多大风等特点，属于典型的大陆性干旱气候区。
景区包括著名的敦煌月牙泉及其周边的沙漠戈壁景区景区内覆盖有沙漠、绿洲、重点景观等极具特色的地形地貌，这也对三维建模提出了挑战需要进行三维建模的区域主要包括景区露营基地、景区服务区、会展中心，约20km2；景区周边居民点及景区重点区域，约2.3km2；月牙泉及周围，约0.94km2；风景名胜区约76.59km22.3景区分区根据景区内地类分布特点，对建模区域进行分区，将景区分为5个区块，如图1所示针对每个区域不同地貌地物特征采用不同建模方法进行数据采集景区界线外区域（区块1）西南、东部和西北角为大面积的沙漠戈壁区域，西北东侧为农田；月牙泉以南的区域（区块2）全部为沙漠地区；景区北侧和露营基地（区块3）西起党河九连湖经一支路至会展中心，区域内地势平坦，分布着居民点、农田、水渠和道路等地物，这些区域地物、地貌复杂；景区重点建筑区域（区块4）延鸣山路、敦月路经鸣沙草堂至敦煌民俗博物院，这些区域是景区的重点区域，分布着诸多古建筑，部分古建筑满足三维建模要求，同时古建筑细节部分也需要进行三维展示；月牙泉以及周边沙漠区域（区块5）主要分布有鸣沙山沙漠、月泉阁和月牙泉，这些区域既是建模的核心区也是难点区。
3分区三维建模景区界线外的区域如图2所示为了满足主要地物如道路、河流、水渠、居民点等的采集要求，采用1m分辨率的正射影像作为底图数据提供纹理这些区域临近景区，不作为景区建模的主要范围，只在整体模型上反映其底图纹理和主要地物，为三维模型制作提供基础数据因此，数据采用分辨率为1m的DOM作为底图数据，并提取重要的地物信息景区南侧大范围沙漠区域面积约为72km2，如图3所示该区域植被稀少且无其他地物，沙漠区域纹理单一，限于倾斜摄影技术上的局限性易形成空洞区，无法通过空中三角测量建立沙漠区域模型，且沙漠属于流动状态，数据的时效性差，不适合进行三维建模因此，制作三维模型时可基于二维地理信息数据的三维地理信息建模方法，采用精度10m的DEM与精度为1m的DOM数据叠加展示三维效果，满足成果的要求无人机倾斜摄影具有作业范围广、效率高、拍摄速度快等特点，因此露营基地、景区服务区至会展中心沿线约20km2采用倾斜摄影采集数据，利用自动化处理技术建立三维模型首先，对空中倾斜摄影数据和补摄数据分别进行空三计算，生成三维点云数据；然后，融合高精度、高密度点云数据并构建TIN，对TIN进行编辑，使之较为平滑，贴合实际地形；最后，根据TIN三维位置信息，获取最优航摄视角原始影像，自动映射纹理，建立航摄分区的实景三维模型。
该方案能够对多源异构数据自动化融合建模，实现两种技术的优势互补，建立的模型兼具激光扫描的毫米级几何精度和影像的高分辨率优势，同时能够实现沙漠地区弱纹理建模，突破技术上的瓶颈通过点云与照片融合建模，毫米级数据精度也能够满足未来古建测绘、文物保护需要景区重点建筑区面积约2.3km2，包含鸣沙草堂、敦煌历史博览园、敦煌民俗博物院、雷音寺、月牙泉景区游客接待处、会展中心、管理处等，主要以古建筑为主，属于旅游区的核心区该区域拟采用无人机倾斜摄影、无人机低飞贴近摄影、地面单反高分辨率相机拍照、地面激光雷达等多种方式联合进行数据采集，沿街房屋利用无人机低飞采集房屋立面信息，弥补倾斜摄影有采集盲区的缺陷，确保影像地面分辨率优于1cm然后将无人机倾斜摄影测量获取的大场景、局部场景、地面细节补拍的数据进行融合处理利用倾斜摄影测量建模系统进行精细化建模，建模过程中应把控高、中、低三类数据的匹配连接，并根据数据融合效果，对不能满足成果质量的部分及时进行数据补拍，再进行数据融合和处理无人机倾斜摄影空三处理效果如图4所示月牙泉及周围的区域面积约0.94km2，采用基于Con-textCapture三维激光扫描和影像融合的方式自动化生成高分辨率实景三维模型，相比传统手动建模，更能反映现场真实环境信息。
自动化建模能显著提高建模效率，同时建立的模型兼具三维激光扫描仪的高几何精度和照片的丰富纹理优点，也能够完整地实现沙漠区域实景三维建模匹配密集点云效果如图5所示4结束语对于甘肃省敦煌市鸣沙山月牙泉国家级风景名胜区内多样的地物地貌，单一的建模手段无法满足景区内多样的三维建模要求因此，文章基于多源数据融合技术，结合地面三维激光扫描技术、倾斜摄影测量技术对景区进行三维建模通过各单一数据源建模以及多源数据融合的方式，很好地解决了多种地理环境下的三维建模问题，可以为以后多种地形地貌区域的建模提供参考参考文献：[1]耿利川,王忠丰,史建东,等.一种空地一体化实景三维建模方法[J].矿山测量,2020,48(4):47-50.[2]张鲜化,李丹超,陈传胜,等.三维地理信息建模典型的三种方法探索与实践[J].测绘与空间地理信息,2019,42(12):68-70.[3]李明.三维激光扫描技术在建筑物变形观测中的应用[J].住宅与房地产,2019(33):151.[4]周超,李慧.三维激光扫描技术在工程测量中的应用[J].工程技术研究,2020,5(18):123-124.[5]王树臻,郑国强,王光生,等.多源点云数据融合的建筑物精细化建模[J].测绘通报,2020(8):28-32+38.[6]李红梅,孙炜,李松.无人机倾斜摄影技术在公路勘察设计中的应用[J].地理空间信息,2021,19(2):30-32+6.[7]杨文竞.基于倾斜摄影和激光扫描技术的历史街区保护测绘[J].测绘技术装备,2020,22(4):77-80.[8]王金鑫,曹泽宁,陈艺航,等.球体网格真三维地质模型漏洞的纬度带推扫填补算法[J].矿山测量,2020,48(6):91-96.[9]薛成永.三维激光扫描技术在地质测绘中的应用[J].工程技术研究,2020,5(13):117-118.[10]李峰,米晓楠,孙广通,等.地面激光扫描联合无人机影像的三维模型重建[J].测绘与空间地理信息,2019,42(9):9-12.作者：魏志宏 单位：武威市规划测绘设计研究院有限公司。