摘要

三維測(cè)繪技術(shù)是數(shù)字地球時(shí)代的核心技術(shù)之一，對(duì)于建立數(shù)字城市、數(shù)字地球和數(shù)字經(jīng)濟(jì)具有重要意義，眾多國(guó)家也開(kāi)展了各種三維測(cè)繪項(xiàng)目以支持自然資源管理、城市規(guī)劃、應(yīng)急響應(yīng)和可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)這些項(xiàng)目也進(jìn)一步推動(dòng)了三維測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展。本文根據(jù)三維測(cè)繪的基本定義和內(nèi)涵，針對(duì)全球各國(guó)對(duì)三維測(cè)繪研究及應(yīng)用，圍繞“需求導(dǎo)向”“主要任務(wù)”“主題技術(shù)”“賦能應(yīng)用”4個(gè)方面展開(kāi)分析，通過(guò)對(duì)國(guó)外典型三維測(cè)繪工程、產(chǎn)品、技術(shù)、規(guī)范及應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)歸納，探討了對(duì)實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)的啟示，為國(guó)內(nèi)實(shí)景三維建設(shè)提供了參考和借鑒。

關(guān)鍵詞

基金項(xiàng)目

國(guó)家自然科學(xué)基金(42271424;42171397;42201446); 智能平行技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(SHJJ2024013)

作者簡(jiǎn)介

第一作者：朱軍（1976—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槿S地理信息系統(tǒng)與虛擬地理環(huán)境。　E-mail：zhujun@swjtu.edu.cn

通訊作者:李志林　E-mail：dean.ge@swjtu.edu.cn

本文引用格式

朱軍, 吳鑒霖, 李志林, 郭煜坤, 游繼鋼, 謝亞坤, 李維煉. 國(guó)外三維測(cè)繪相關(guān)技術(shù)進(jìn)展[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2025, 54(4): 661-674 doi:10.11947/j.AGCS.2025.20240186

ZHU Jun, WU Jianlin, LI Zhilin, GUO Yukun, YOU Jigang, XIE Yakun, LI Weilian. The technological advancements in 3D mapping abroad[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2025, 54(4): 661-674 doi:10.11947/j.AGCS.2025.20240186

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http://xb.chinasmp.com/article/2025/1001-1595/1001-1595-2025-04-0661.shtml

20世紀(jì)90年代以來(lái)，中國(guó)大力構(gòu)建數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)體系，全面開(kāi)展基礎(chǔ)測(cè)繪工作。為了更好地支撐數(shù)字中國(guó)發(fā)展和全社會(huì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，2022年2月24日，自然資源部辦公廳印發(fā)《關(guān)于全面推進(jìn)實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)的通知》，明確了實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)的目標(biāo)、任務(wù)及分工等[1]。2023年中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)的《數(shù)字中國(guó)建設(shè)整體布局規(guī)劃》提出要推進(jìn)實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)。為進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)戰(zhàn)略研究，提升創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)能力，更好服務(wù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)，2022年5月，自然資源部成立了實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)專家組，圍繞實(shí)景三維城市建設(shè)從行政邏輯、技術(shù)邏輯及實(shí)踐應(yīng)用等方面進(jìn)行了深入探討。討論明確指出為切實(shí)做好實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)與應(yīng)用，應(yīng)充分借鑒國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)與做法，加強(qiáng)需求分析，厘清實(shí)景三維的服務(wù)對(duì)象與賦能對(duì)象。

實(shí)景三維（3D real scene，3DRS）是一種以逼真、立體、時(shí)序的方式反映和表達(dá)人類生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間的數(shù)字空間，是一種新型基礎(chǔ)測(cè)繪產(chǎn)品，也是一種新型的國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施[2-3]。實(shí)景三維將為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的各個(gè)行業(yè)提供通用的空間基礎(chǔ)。實(shí)景三維中國(guó)是對(duì)我國(guó)國(guó)土空間進(jìn)行實(shí)體化、立體化、真實(shí)化動(dòng)態(tài)描述和表達(dá)的新型時(shí)空信息基礎(chǔ)設(shè)施，是新一代國(guó)家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)。實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)是新時(shí)代測(cè)繪地理信息事業(yè)的發(fā)展方向，是新型基礎(chǔ)測(cè)繪建設(shè)的重點(diǎn)任務(wù)。“實(shí)景三維中國(guó)”不僅僅是指“中國(guó)的實(shí)景三維模型”，也指相關(guān)建設(shè)的項(xiàng)目或工程。

事實(shí)上，全球各國(guó)都進(jìn)行了全國(guó)性的實(shí)景三維建設(shè)，然而，由于各國(guó)定義了不同的術(shù)語(yǔ)，設(shè)定了不同的目標(biāo)，采用了不同的方法，導(dǎo)致在建設(shè)方面的進(jìn)展存在差異。一個(gè)比較常用的術(shù)語(yǔ)是“3D mapping”，即“三維測(cè)繪”。三維測(cè)繪是指對(duì)自然地理要素或者地表人工設(shè)施的形狀、大小、空間位置及其屬性等，進(jìn)行三維空間數(shù)據(jù)獲取、處理、建模、存儲(chǔ)、查詢、分析并發(fā)布服務(wù)，側(cè)重利用真三維空間來(lái)處理現(xiàn)實(shí)地理空間問(wèn)題。國(guó)家級(jí)三維測(cè)繪建設(shè)是指在全國(guó)范圍內(nèi)利用先進(jìn)技術(shù)構(gòu)建三維數(shù)字地圖、三維城市模型等地理信息系統(tǒng)[4-8]。

本文根據(jù)三維測(cè)繪的基本定義和內(nèi)涵，針對(duì)當(dāng)前各國(guó)對(duì)三維測(cè)繪研究及應(yīng)用，深入系統(tǒng)地討論了“需求導(dǎo)向”“主要任務(wù)”“主題技術(shù)”“賦能應(yīng)用”這幾個(gè)基本問(wèn)題，最后探討了國(guó)外三維測(cè)繪研究現(xiàn)狀對(duì)中國(guó)實(shí)景三維發(fā)展的啟示。

1　需求導(dǎo)向

三維測(cè)繪發(fā)展在全球各國(guó)方興未艾，當(dāng)前世界各國(guó)大力推動(dòng)數(shù)字化發(fā)展，推進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)、數(shù)字城市、數(shù)字社會(huì)、數(shù)字政府建設(shè)，驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)、生活和治理方式的全面深入變革，對(duì)基礎(chǔ)測(cè)繪產(chǎn)品與服務(wù)提出了新的更高要求[9]。在三維空間研判，支撐數(shù)字化轉(zhuǎn)型布局，賦能高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展，為社會(huì)科學(xué)研究發(fā)展提供基礎(chǔ)底座，三維測(cè)繪已成為必不可少的核心關(guān)鍵技術(shù)支撐。

世界各國(guó)針對(duì)本國(guó)國(guó)情相繼開(kāi)展數(shù)字化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略布局（圖1）。美國(guó)先后發(fā)布一系列數(shù)字化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略措施，提出依托新一代信息技術(shù)等創(chuàng)新，有效促進(jìn)了數(shù)字化轉(zhuǎn)型的發(fā)展進(jìn)程；歐盟委員會(huì)發(fā)布的《數(shù)字化歐洲戰(zhàn)略》提出，到2030年，所有歐盟成員國(guó)都應(yīng)達(dá)到特定的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)；英國(guó)政府于2017年發(fā)布《英國(guó)數(shù)字戰(zhàn)略》、2018年出臺(tái)《產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略：人工智能領(lǐng)域行動(dòng)》，為數(shù)字化轉(zhuǎn)型做出全面部署；2018年12月，德國(guó)政府頒布“數(shù)字戰(zhàn)略2025”，側(cè)重于增強(qiáng)數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施，支持?jǐn)?shù)字創(chuàng)新和教育體系的優(yōu)化；法國(guó)的“新工業(yè)法國(guó)”（NFI）計(jì)劃，重點(diǎn)發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)，并促進(jìn)數(shù)字技術(shù)在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用；以瑞典和芬蘭為例的北歐國(guó)家，強(qiáng)調(diào)開(kāi)放數(shù)據(jù)政策和公民數(shù)字化能力的培養(yǎng)，使其成為信息社會(huì)的先行者。三維時(shí)空信息技術(shù)迅猛發(fā)展不僅為國(guó)家數(shù)字化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持，而且通過(guò)其高級(jí)的數(shù)據(jù)處理能力和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，成為推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)智能化和精準(zhǔn)化管理的關(guān)鍵技術(shù)之一，有效支撐數(shù)字化、賦能高質(zhì)量發(fā)展，已成為各國(guó)主流需求。

圖1   全球主要國(guó)家數(shù)字化轉(zhuǎn)型時(shí)間軸

Fig. 1   Timeline of digital transformation in major countries around the world

早在20世紀(jì)90年代，許多國(guó)家就已經(jīng)清楚地認(rèn)識(shí)到80%的政治、經(jīng)濟(jì)和私人決策都是基于空間信息，而決策的質(zhì)量取決于良好且可靠的地理信息[10]，三維測(cè)繪在人們的生產(chǎn)和生活中的潛在價(jià)值也逐漸被重視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球3D市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從2020年的38億美元增長(zhǎng)到2025年的76億美元。三維測(cè)繪技術(shù)通過(guò)提供高質(zhì)量的空間數(shù)據(jù)和強(qiáng)大的視覺(jué)化工具，極大地豐富了社會(huì)科學(xué)的研究方法，提高了研究的精度和深度。它的應(yīng)用不僅限于傳統(tǒng)的地理空間研究，更擴(kuò)展到了社會(huì)行為、政策模擬、災(zāi)害預(yù)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域，成為社會(huì)科學(xué)研究發(fā)展的一個(gè)重要基礎(chǔ)工具[11-13]。以三維測(cè)繪數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，整合多源泛在數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自然資源、地理環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等多維信息的融合，支撐耕地保護(hù)、資源監(jiān)管、生態(tài)修復(fù)、國(guó)土規(guī)劃等各類自然資源監(jiān)管應(yīng)用場(chǎng)景需要。并且，面向數(shù)字經(jīng)濟(jì)、數(shù)字社會(huì)、數(shù)字政府活動(dòng)建設(shè)需求，在三維數(shù)字空間觀察、量測(cè)、分析、研判，是數(shù)字化發(fā)展的必然趨勢(shì)。

三維測(cè)繪技術(shù)在賦能高質(zhì)量和可持續(xù)發(fā)展的領(lǐng)域中起到了關(guān)鍵作用。2015年，聯(lián)合國(guó)通過(guò)了《2030年可持續(xù)發(fā)展議程》，強(qiáng)調(diào)開(kāi)放的地理空間數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)革命的核心，被視為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力[14]。三維測(cè)繪可以幫助監(jiān)測(cè)和評(píng)估自然資源的可持續(xù)利用。如，森林、水域和土地利用情況，以及預(yù)測(cè)不同管理方案對(duì)生物多樣性、水資源和土地健康的影響[15-17]。這有助于保護(hù)自然生態(tài)系統(tǒng)、合理利用自然資源，并促進(jìn)生態(tài)恢復(fù)。在地質(zhì)災(zāi)害模擬分析、氣候變化影響分析中，多維空間信息可以幫助預(yù)測(cè)潛在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域和評(píng)估防災(zāi)措施的有效性。這有助于提高應(yīng)急響應(yīng)能力和災(zāi)后重建的可持續(xù)性，在災(zāi)害預(yù)防和管理方面發(fā)揮重要作用[18-19]。在數(shù)字城市建造方面，虛擬城市模型的構(gòu)建都是在三維空間上展開(kāi)的，數(shù)字城市計(jì)劃目前已在全球廣泛開(kāi)展，三維可視化可以為決策者評(píng)估城市發(fā)展方案的可行性和影響。它可以模擬不同發(fā)展方案對(duì)環(huán)境、交通、能源利用和社會(huì)公平性的影響，從而幫助制定更具可持續(xù)性的城市規(guī)劃策略[20-21]。總而言之，三維測(cè)繪技術(shù)能夠有效推動(dòng)環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展和協(xié)助城市規(guī)劃建設(shè)，幫助人們更好地理解和解決可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域的復(fù)雜問(wèn)題[22]。

20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)際學(xué)術(shù)界開(kāi)始探索多維地理信息建模與應(yīng)用，國(guó)際攝影測(cè)量與遙感學(xué)會(huì)（International Society for Photogrammetry and Remote Sensing，ISPRS）將三維建模與處理、多維動(dòng)態(tài)GIS等作為鼓勵(lì)研究領(lǐng)域[23-28]。最近，ISPRS發(fā)布了2022—2026年度鼓勵(lì)研究領(lǐng)域，強(qiáng)調(diào)要加強(qiáng)對(duì)多維和語(yǔ)義化數(shù)據(jù)建模、空間分析與先進(jìn)可視化等相關(guān)方向的探索[29]。對(duì)近20年ISPRS大會(huì)及三維地理信息國(guó)際會(huì)議的主旨及目標(biāo)戰(zhàn)略進(jìn)行整理歸納，如圖2所示。由圖2可以看出GIS從二維到三維，從靜態(tài)向動(dòng)態(tài)發(fā)展是必然趨勢(shì)，對(duì)于開(kāi)展三維動(dòng)態(tài)地理信息建模與應(yīng)用的研究得到國(guó)際性統(tǒng)一共識(shí)，同時(shí)提供高質(zhì)量的時(shí)空信息、先進(jìn)的地理空間計(jì)算能力和協(xié)同決策支持，是當(dāng)前和今后一段時(shí)間的主體技術(shù)需求。

圖2   三維建模主題國(guó)際研討會(huì)

Fig. 2   International symposium on 3D modeling themes

2　主要任務(wù)

許多國(guó)家早就認(rèn)識(shí)到三維測(cè)繪在人們的生產(chǎn)和生活中的潛在價(jià)值，并積極開(kāi)展相關(guān)項(xiàng)目任務(wù)。所開(kāi)展項(xiàng)目大致可分為兩類：①地形場(chǎng)景計(jì)劃，旨在提供更高質(zhì)量、更高精度、覆蓋更全面的地形數(shù)據(jù)，以支持自然資源管理、城市規(guī)劃、土地利用規(guī)劃、應(yīng)急響應(yīng)等方面的應(yīng)用和決策；②城市場(chǎng)景計(jì)劃，旨在呈現(xiàn)出高度真實(shí)的城市場(chǎng)景，包括基礎(chǔ)設(shè)施、建構(gòu)筑物、道路、景觀等，為城市規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理和可持續(xù)發(fā)展提供重要的支持和幫助。

2.1　三維測(cè)繪地形場(chǎng)景項(xiàng)目及產(chǎn)品

三維測(cè)繪地理場(chǎng)景項(xiàng)目旨在建立完善的高精度三維地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，為國(guó)家地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供更好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。實(shí)景數(shù)據(jù)產(chǎn)品主要由宏觀、中觀基礎(chǔ)地理實(shí)體數(shù)據(jù)產(chǎn)品與地形場(chǎng)景數(shù)據(jù)產(chǎn)品復(fù)合組成，并動(dòng)態(tài)接入生態(tài)空間物聯(lián)感知數(shù)據(jù)，側(cè)重于對(duì)大范圍地理環(huán)境和地理對(duì)象的感知與認(rèn)知，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)生態(tài)空間的數(shù)字映射，是城市場(chǎng)景和復(fù)合實(shí)景數(shù)據(jù)產(chǎn)品的承載基礎(chǔ)[30-31]。空間分辨率在10 m及以下的DEM通常由各國(guó)自行采集生產(chǎn)，歐美等國(guó)家為生產(chǎn)全國(guó)范圍內(nèi)三維高程數(shù)據(jù)而開(kāi)展了相關(guān)項(xiàng)目計(jì)劃，從時(shí)間上來(lái)看，歐洲的德國(guó)與荷蘭最先開(kāi)展三維測(cè)繪地形場(chǎng)景項(xiàng)目，美國(guó)的地形場(chǎng)景項(xiàng)目在歐洲之后才開(kāi)展，如圖3所示。

圖3   地形場(chǎng)景數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目時(shí)間線

Fig. 3   Timeline of terrain scene data collection project

根據(jù)覆蓋全球及全國(guó)的地形實(shí)景數(shù)據(jù)項(xiàng)目，產(chǎn)出了大量的數(shù)字地形實(shí)景產(chǎn)品，產(chǎn)品詳細(xì)信息整理見(jiàn)表1。全球的地形產(chǎn)品主要為空間分辨率為30 m或90 m的DEM，而對(duì)于全國(guó)性的高程數(shù)據(jù)而言，空間分辨率都在5 m及以下。

表1   三維測(cè)繪高程產(chǎn)品

Tab. 1  The elevation products of 3D modeling

2.2　三維測(cè)繪城市場(chǎng)景項(xiàng)目及產(chǎn)品

三維城市場(chǎng)景項(xiàng)目旨在創(chuàng)建包含基礎(chǔ)設(shè)施、建構(gòu)筑物、道路、景觀等內(nèi)容的城市級(jí)三維模型，以提供更豐富的時(shí)空信息、更直觀的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)以及更真實(shí)的視覺(jué)體驗(yàn)。城市級(jí)實(shí)景數(shù)據(jù)產(chǎn)品主要由微觀基礎(chǔ)地理實(shí)體數(shù)據(jù)產(chǎn)品與城市場(chǎng)景數(shù)據(jù)產(chǎn)品復(fù)合組成，并動(dòng)態(tài)接入城市物聯(lián)感知數(shù)據(jù)，側(cè)重于對(duì)城市空間地理環(huán)境和地理對(duì)象的感知與認(rèn)知，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)和生活空間的數(shù)字映射[32-36]。在城市數(shù)字化建設(shè)方面，歐洲國(guó)家的發(fā)展相對(duì)領(lǐng)先，尤其是英國(guó)和德國(guó)。早在2010年之前，這兩國(guó)就已針對(duì)部分城市展開(kāi)大規(guī)模的三維城市建模與管理。相關(guān)項(xiàng)目時(shí)間線整理如圖4所示。

圖4   城市場(chǎng)景三維項(xiàng)目時(shí)間線

Fig. 4   Timeline of 3D urban scene project

在項(xiàng)目開(kāi)展的過(guò)程中，產(chǎn)生了大量城市級(jí)實(shí)景模型，模型詳細(xì)信息整理如表2所示。這些建筑物模型精度大為CityGML LOD1或是LOD2。且大多數(shù)城市模型都提供數(shù)據(jù)下載服務(wù)，支持人們免費(fèi)獲取該城市的部分三維模型數(shù)據(jù)。

表2   城市三維建筑物體模型

Tab. 2  Urban 3D building object model

3　主題技術(shù)

為支撐項(xiàng)目中地形場(chǎng)景產(chǎn)品及城市場(chǎng)景產(chǎn)品精確快速更迭，實(shí)現(xiàn)虛擬空間對(duì)現(xiàn)實(shí)世界更精準(zhǔn)的映射，數(shù)據(jù)獲取、模型構(gòu)建與三維可視化的技術(shù)也向著標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、自動(dòng)化、真實(shí)化的方向發(fā)展。三維數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及建模服務(wù)，確保數(shù)據(jù)一致性與兼容性、提高數(shù)據(jù)處理效率及管理能力。這些標(biāo)準(zhǔn)和服務(wù)提升了視覺(jué)效果的質(zhì)量，支持了定制化解決方案，并輔助復(fù)雜的決策制定，從而提高項(xiàng)目的精確性和可視化水平，增強(qiáng)公眾參與和溝通，同時(shí)驅(qū)動(dòng)行業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展。

3.1　三維測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

在三維測(cè)繪中，數(shù)據(jù)采集流程以及數(shù)據(jù)來(lái)源的多樣性與復(fù)雜性，增加了高質(zhì)量數(shù)據(jù)的獲取難度，制約了數(shù)據(jù)的共享與交流，降低了數(shù)據(jù)的利用效益。因此國(guó)際化組織以及一些國(guó)家編制了相關(guān)規(guī)范，用于提高數(shù)據(jù)采集和處理的效率和準(zhǔn)確性，促進(jìn)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用，提高數(shù)據(jù)共享和交流效益。

3.1.1　三維測(cè)繪數(shù)據(jù)獲取標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)際化組織以及一些國(guó)家編制了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與指南，用于促進(jìn)三維地理信息數(shù)據(jù)共享和交流。雖然美國(guó)在三維測(cè)繪方面相較于歐洲各國(guó)發(fā)展較晚，但在項(xiàng)目進(jìn)行過(guò)程中形成了許多規(guī)范及指南，幫助其更好更快地完成各種項(xiàng)目，三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)與建庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范概況見(jiàn)表3。

表3   三維測(cè)繪數(shù)據(jù)獲取標(biāo)準(zhǔn)概況

Tab. 3  Standards of obtaining 3D modeling data

3.1.2　三維測(cè)繪數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)

三維數(shù)據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范旨在為三維數(shù)據(jù)產(chǎn)品的組成結(jié)構(gòu)、表達(dá)形式、元數(shù)據(jù)及成果要求等進(jìn)行規(guī)定，同時(shí)制定開(kāi)放、標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的基礎(chǔ)地理實(shí)體和地理場(chǎng)景數(shù)據(jù)交換格式，以確保實(shí)景三維數(shù)據(jù)在不同終端平臺(tái)的共享、可視化與互操作。許多三維數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)也被廣泛地提出，見(jiàn)表4。

表4   三維測(cè)繪數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)概況

Tab. 4  Overview of 3D model data standards

3.1.3　應(yīng)用與服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

為了實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)格式和基于不同瀏覽器之間的互操作可視化，并集成分布式數(shù)據(jù)，服務(wù)器端的標(biāo)準(zhǔn)化接口對(duì)于3D地理空間數(shù)據(jù)的描繪是必要的[37]。3D Portrayal Service是OGC于2017年9月發(fā)布的三維地理信息表達(dá)服務(wù)規(guī)范，以實(shí)現(xiàn)可互操作的3D表達(dá)[38]。該標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)支持客戶端和服務(wù)器端渲染，指定從三維地理空間數(shù)據(jù)服務(wù)器查詢數(shù)據(jù)并將其傳遞到客戶端的接口。

3.2　三維建模與服務(wù)技術(shù)

三維建模與服務(wù)技術(shù)可以概括為地形場(chǎng)景三維數(shù)據(jù)獲取技術(shù)、城市場(chǎng)景三維模型構(gòu)建技術(shù)及服務(wù)制作與發(fā)布技術(shù)。

3.2.1　地形場(chǎng)景數(shù)據(jù)獲取技術(shù)

全球尺度的地形場(chǎng)景數(shù)據(jù)獲取通常采用光學(xué)立體影像或雷達(dá)干涉測(cè)量的方式，主要的地形場(chǎng)景產(chǎn)品所采用的技術(shù)見(jiàn)表5。

表5   地形場(chǎng)景數(shù)據(jù)獲取技術(shù)

Tab. 5  Acquisition technology of terrain 3D scene model data

3.2.2　城市場(chǎng)景三維模型構(gòu)建技術(shù)

城市場(chǎng)景三維建模技術(shù)的一些典型實(shí)例見(jiàn)表6，包括逆向建模和正向建模兩種思路。逆向建模是指根據(jù)現(xiàn)有物體的實(shí)際形狀和外觀數(shù)據(jù)，通過(guò)掃描、攝影等手段獲取相關(guān)信息，并通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件處理和重建生成相應(yīng)的三維模型。正向建模是指根據(jù)設(shè)計(jì)構(gòu)思或要求，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行三維模型創(chuàng)作、添加材質(zhì)貼圖、光照渲染等步驟，以呈現(xiàn)出具有真實(shí)感或者虛構(gòu)性的三維模型。

表6   城市場(chǎng)景三維建模技術(shù)概況

Tab. 6  Overview of urban scene 3D modeling technology

3.2.3　三維服務(wù)制作與發(fā)布技術(shù)

一些流行的三維服務(wù)平臺(tái)使用的關(guān)鍵技術(shù)見(jiàn)表7。三維地理信息可視化服務(wù)已經(jīng)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及各種展示方式（如全息、全景、擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)）的不斷創(chuàng)新取得前所未有的進(jìn)步。

表7   三維服務(wù)平臺(tái)使用的關(guān)鍵技術(shù)

Tab. 7  Key technologies used in 3D service platforms

4　賦能應(yīng)用

隨著三維技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，三維測(cè)繪助力數(shù)字化轉(zhuǎn)型與應(yīng)用進(jìn)入新時(shí)代，三維測(cè)繪為數(shù)字化賦能轉(zhuǎn)型提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。三維測(cè)繪助力數(shù)字化賦能不只是簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)收集過(guò)程，通過(guò)對(duì)三維空間數(shù)據(jù)整合和分析，詳細(xì)地映射和模擬現(xiàn)實(shí)世界，提升政府和企業(yè)的分析研判能力，加強(qiáng)了對(duì)各種社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的控制和預(yù)測(cè)能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)與賦能。

4.1　數(shù)字政府

三維時(shí)空信息技術(shù)通過(guò)提供時(shí)空關(guān)聯(lián)與融合、時(shí)空計(jì)算與分析、時(shí)空推理與服務(wù)等功能，有效整合線上線下的治理資源，打破層級(jí)、地域、部門和業(yè)態(tài)的界限，實(shí)現(xiàn)條塊結(jié)合和部門聯(lián)動(dòng)的治理協(xié)同，助力資源的精準(zhǔn)分配與時(shí)空契合。該技術(shù)在城市管理、災(zāi)害應(yīng)對(duì)、水利、交通、能源、土地和電力等領(lǐng)域的政府治理中發(fā)揮了重要作用。此外，三維時(shí)空技術(shù)為政府管理者、企業(yè)科研人員和公眾用戶提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，推動(dòng)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的高效關(guān)聯(lián)、深度融合、智能處理與云端共享，實(shí)現(xiàn)政務(wù)動(dòng)態(tài)監(jiān)管的全覆蓋與可追溯，提升了管理的效率、智能化和精細(xì)化水平。各國(guó)數(shù)字政府賦能應(yīng)用的典型案例如表8、圖5所示。

表8   數(shù)字政府賦能應(yīng)用

Tab. 8  Empowering applications of digital government

圖5   數(shù)字政府賦能應(yīng)用示例

Fig. 5   Examples of digital government empowerment applications

4.2　數(shù)字經(jīng)濟(jì)

在大數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的內(nèi)涵與外延突破了地域與時(shí)空的限制。在三維測(cè)繪與時(shí)空信息技術(shù)的支持下，通過(guò)整合經(jīng)濟(jì)資源與文化遺產(chǎn)，打造出體驗(yàn)豐富、互動(dòng)性強(qiáng)的多元化新型經(jīng)濟(jì)文化服務(wù)模式，有助于打破溝通與協(xié)作的時(shí)空約束，重組生產(chǎn)要素，重構(gòu)發(fā)展模式，重塑發(fā)展格局，從而實(shí)現(xiàn)跨地域、高效率的供應(yīng)、生產(chǎn)和服務(wù)。這不僅拓展了經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的有效時(shí)空范圍，改變了行為模式和經(jīng)濟(jì)效率，還推動(dòng)了數(shù)字經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，助力文化傳播與內(nèi)容升級(jí)，促進(jìn)文旅融合和文物資源的活化利用。未來(lái)，更多的應(yīng)用廠商、社交平臺(tái)、文旅企業(yè)等將加入進(jìn)來(lái)，共同打造經(jīng)濟(jì)文化深度融合的數(shù)字經(jīng)濟(jì)應(yīng)用新場(chǎng)景。這一趨勢(shì)將有助于縮小城鄉(xiāng)與區(qū)域間的數(shù)字文化差距，使數(shù)字經(jīng)濟(jì)的成果惠及全社會(huì)。各國(guó)數(shù)字經(jīng)濟(jì)賦能應(yīng)用的典型案例如表9、圖6所示。

表9   數(shù)字經(jīng)濟(jì)賦能應(yīng)用

Tab. 9  Empowering applications of digital economy

圖6   數(shù)字經(jīng)濟(jì)賦能應(yīng)用示例

Fig. 6   Examples of digital economy empowerment applications

4.3　數(shù)字社會(huì)

當(dāng)前，全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展正進(jìn)入加速綠色化、低碳化的高質(zhì)量發(fā)展階段，建設(shè)數(shù)字生態(tài)文明、推動(dòng)綠色低碳發(fā)展已成為必然趨勢(shì)。隨著時(shí)空泛在感知和高效傳輸能力的不斷提升，通過(guò)實(shí)景三維信息強(qiáng)化空間信息高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展的系統(tǒng)研究，為治理信息化、管理網(wǎng)格化、服務(wù)精細(xì)化提供了先進(jìn)手段。同時(shí)，將實(shí)景三維數(shù)字空間與便民生活資源深度融合，不僅能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外環(huán)境及各類物件的精細(xì)化管理與分析模擬，還可建立多樣的時(shí)空型社會(huì)生活服務(wù)信息平臺(tái)，為政府管理者、師生、游客、消費(fèi)者等提供更加精準(zhǔn)、個(gè)性化的服務(wù)。這將助力人居環(huán)境的優(yōu)化與空間功能結(jié)構(gòu)的重塑，促進(jìn)民生和公共服務(wù)資源在分配與評(píng)估上的均衡性、公平性和優(yōu)質(zhì)性。各國(guó)數(shù)字社會(huì)賦能應(yīng)用的典型案例如表10、圖7所示。

表10   數(shù)字社會(huì)賦能應(yīng)用

Tab. 10  Empowering applications in the digital society

圖7   數(shù)字社會(huì)賦能應(yīng)用示例

Fig. 7   Examples of digital society empowerment applications

5　啟示

通過(guò)對(duì)國(guó)外三維測(cè)繪技術(shù)及應(yīng)用研究的調(diào)查分析可知，各國(guó)在三維測(cè)繪領(lǐng)域的研究和應(yīng)用仍在持續(xù)發(fā)展，但核心關(guān)注點(diǎn)和技術(shù)路徑存在差異，概念模型與標(biāo)準(zhǔn)仍尚待統(tǒng)一，同時(shí)也存在科研及產(chǎn)業(yè)的經(jīng)驗(yàn)和不足。實(shí)景三維數(shù)據(jù)體系方面，盡管地形級(jí)實(shí)景三維技術(shù)在多個(gè)國(guó)家已有豐富成果，但原始數(shù)據(jù)的生產(chǎn)成本和模型空間精度仍需改進(jìn)，在未來(lái)大尺度精準(zhǔn)地形級(jí)實(shí)景三維產(chǎn)品將成為國(guó)際市場(chǎng)的需求重點(diǎn)；城市級(jí)立體重構(gòu)方面，通過(guò)衛(wèi)星影像的立體匹配可實(shí)現(xiàn)大范圍快速建模，但其精度往往難以滿足應(yīng)用需求。新興技術(shù)，如AI生成式建模和大語(yǔ)言模型，結(jié)合航空影像和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，能提高三維幾何坐標(biāo)和紋理信息的精度，并加快模型構(gòu)建，這將成為今后城市化單體建模的研究熱點(diǎn)；數(shù)字孿生作為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，對(duì)部件級(jí)實(shí)景三維產(chǎn)品的建設(shè)至關(guān)重要。然而，現(xiàn)有數(shù)字孿生模型功能單一，難以實(shí)現(xiàn)多用途應(yīng)用，部件級(jí)實(shí)景三維建設(shè)需繼續(xù)深化，提升精準(zhǔn)表達(dá)和定制化服務(wù)；真實(shí)化描述是實(shí)景三維建設(shè)的核心優(yōu)勢(shì)，目前大多數(shù)研究利用航空、無(wú)人機(jī)影像和街景圖片獲取紋理信息，但常造成感知信息缺失，因此亟須解決感知信息的融合問(wèn)題。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，地理信息領(lǐng)域廣泛應(yīng)用眾源數(shù)據(jù)，未來(lái)真實(shí)化實(shí)體描述的研究方向應(yīng)集中于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)挖掘和地理數(shù)據(jù)分析。中國(guó)當(dāng)前在實(shí)景三維技術(shù)領(lǐng)域同樣成果顯著，但在未來(lái)還需要突破關(guān)鍵技術(shù)，面向新型智慧城市和數(shù)字經(jīng)濟(jì)等國(guó)家戰(zhàn)略對(duì)可持續(xù)發(fā)展的實(shí)景三維建設(shè)的重大需求，做好實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)與應(yīng)用，應(yīng)充分借鑒國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)與做法，加強(qiáng)需求分析，厘清實(shí)景三維的服務(wù)對(duì)象與賦能對(duì)象。基于對(duì)國(guó)際三維測(cè)繪研究現(xiàn)狀的分析，對(duì)中國(guó)實(shí)景三維未來(lái)發(fā)展具有以下啟示。

（1）時(shí)空數(shù)據(jù)高效供給與動(dòng)態(tài)整合。國(guó)外的三維測(cè)繪項(xiàng)目，通過(guò)多個(gè)部門協(xié)力合作，并借助眾包的力量得以成功。如美國(guó)3DEP項(xiàng)目，由USGS牽頭聯(lián)合了34個(gè)聯(lián)邦機(jī)構(gòu)、所有50個(gè)州機(jī)構(gòu)以及部分私營(yíng)公司和地方政府開(kāi)展工作，實(shí)現(xiàn)其全國(guó)89.5%的地區(qū)擁有可用的高程數(shù)據(jù)。美國(guó)TNMCorps項(xiàng)目通過(guò)志愿者已成功編輯和更新了50個(gè)州、波多黎各和美屬維爾京群島的10類建筑物。

目前國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商諸如百度地圖、蘿卜快跑、高德地圖，通過(guò)數(shù)據(jù)眾包平臺(tái)、分布式數(shù)據(jù)傳輸和AI空間智能分析等技術(shù)為實(shí)景三維建設(shè)提供了一定的時(shí)空數(shù)據(jù)供給支持。然而，就整體而言，時(shí)空信息數(shù)據(jù)的賦能作用尚未充分發(fā)揮，與實(shí)體經(jīng)濟(jì)融合的深度不足，仍然存在高品質(zhì)時(shí)空數(shù)據(jù)供給不足、共享能力弱和流通不暢的問(wèn)題。因此，需要整合全國(guó)資源，建立跨部門、跨行業(yè)的協(xié)作模式，引入地方政府、高校、研究機(jī)構(gòu)及私營(yíng)企業(yè)，發(fā)揮各方優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)協(xié)同發(fā)展。同時(shí)，媒體信息、視頻圖像和用戶數(shù)據(jù)等泛在時(shí)空數(shù)據(jù)在反映人類活動(dòng)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，未來(lái)應(yīng)研究如何將這些數(shù)據(jù)與實(shí)景三維建設(shè)系統(tǒng)有效連接，以增強(qiáng)數(shù)據(jù)的語(yǔ)義，逐步實(shí)現(xiàn)人、物、事、地等信息的動(dòng)態(tài)匯聚與時(shí)空整合。

（2）三維數(shù)據(jù)開(kāi)放共享與推廣應(yīng)用。國(guó)外的三維測(cè)繪服務(wù)平臺(tái)發(fā)展至今，已開(kāi)放了大量的模型數(shù)據(jù)。全球范圍30 m與90 m空間分辨率的數(shù)字高程模型已完全公開(kāi)。荷蘭更是公開(kāi)了全國(guó)范圍5 m精度的數(shù)字高程模型。在城市三維模型方面，多數(shù)建筑物模型都以CityGML的標(biāo)準(zhǔn)形式進(jìn)行公開(kāi)并支持下載。這些公開(kāi)的數(shù)據(jù)提供了豐富的資源供研究者和企業(yè)進(jìn)行個(gè)性化定制，推動(dòng)數(shù)據(jù)的深化應(yīng)用。

目前中國(guó)提出了高標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)任務(wù)，要求在國(guó)家層面完成全國(guó)陸地及主要島嶼的10 m和5 m格網(wǎng)數(shù)字高程模型及數(shù)字表面模型，以及2 m和優(yōu)于1 m分辨率的數(shù)字正射影像制作。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效利用，形成國(guó)家和省市縣之間的資源整合，打造經(jīng)濟(jì)高效的服務(wù)體系，我國(guó)測(cè)繪行業(yè)需借鑒并采納更開(kāi)放的策略。一方面，在確保國(guó)家的地理信息安全的前提下，積極實(shí)行數(shù)據(jù)分部門、分領(lǐng)域由部門內(nèi)部到公眾逐級(jí)開(kāi)放；另一方面，應(yīng)在統(tǒng)一的三維時(shí)空基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)各行各業(yè)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的有效關(guān)聯(lián)。基于這些數(shù)據(jù)產(chǎn)品，需開(kāi)展實(shí)景三維信息產(chǎn)品與服務(wù)體系的研究與設(shè)計(jì)，推動(dòng)優(yōu)秀產(chǎn)品的推廣，并持續(xù)推進(jìn)實(shí)用型實(shí)景三維產(chǎn)品的應(yīng)用，賦能政府、社會(huì)和產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)。

（3）三維測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)制定與規(guī)范統(tǒng)一。國(guó)外對(duì)三維測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展了深度研究，通過(guò)多部門協(xié)作，合力完成三維標(biāo)準(zhǔn)的制定、維護(hù)、使用。如，OGC以美國(guó)為中心，來(lái)自259個(gè)不同國(guó)家地區(qū)的成員組成，OGC制定了CityGML、CityJSON、3DTiles、KML、LandInfra等三維數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)，其中CityGML標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范定義了5個(gè)LODs等級(jí)，目前已經(jīng)更新到CityGML3.0標(biāo)準(zhǔn)，拓展到11個(gè)主題板塊，已被各國(guó)廣泛使用。

目前中國(guó)在實(shí)現(xiàn)由BIM到CIM模型標(biāo)準(zhǔn)制定及推廣應(yīng)用已取得了顯著進(jìn)展，并發(fā)布了《城市信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》和《城市信息模型數(shù)據(jù)加工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》。然而，與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)相比，國(guó)內(nèi)在基礎(chǔ)地理實(shí)體的概念、特征、分級(jí)分類、編碼、建模和應(yīng)用方面尚未形成統(tǒng)一共識(shí)。因此，針對(duì)實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)中的基礎(chǔ)地理實(shí)體生產(chǎn)及相關(guān)數(shù)字產(chǎn)品的應(yīng)用，需加強(qiáng)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的銜接與融合，在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)發(fā)展具有我國(guó)特色的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。另一方面，制定涵蓋多部門、多行業(yè)的通用三維規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)化試點(diǎn)城市的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，根據(jù)實(shí)際需求增加技術(shù)文件，并提煉相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)地理實(shí)體與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的融合應(yīng)用研究。