一、研發(fā)背景

“實(shí)景三維中國”作為國家推進(jìn)數(shù)字中國建設(shè)、提升空間地理信息服務(wù)能力的重要戰(zhàn)略性工程，正在深度融入低空經(jīng)濟(jì)、智能交通、智慧城市、數(shù)字文旅和應(yīng)急指揮等關(guān)鍵領(lǐng)域。三維重建是實(shí)現(xiàn)真實(shí)世界“實(shí)景三維”數(shù)字化表達(dá)的核心技術(shù)，通過相機(jī)、傳感器等設(shè)備獲取物理空間數(shù)據(jù)，并結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺與圖形學(xué)算法，將二維圖像轉(zhuǎn)換為三維模型。目前，主流的三維重建方法包括傾斜攝影（多視角立體重建）、激光掃描和神經(jīng)輻射場（Neural Radiance Fields, NeRF）等，各具優(yōu)勢與局限。

近年來，3D高斯濺射（3D Gaussian Splatting, 3DGS）作為一種新興的三維表示方法，在渲染質(zhì)量和效率方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。其核心思想是將三維場景表示為一組具有空間位置、協(xié)方差矩陣、不透明度和球諧系數(shù)的各向異性高斯分布，從而實(shí)現(xiàn)對幾何結(jié)構(gòu)與光照信息的統(tǒng)一建模。在眾多三維重建與渲染技術(shù)中，3DGS具備多方面的優(yōu)勢。相比基于NeRF的方法，3DGS在訓(xùn)練和渲染速度上大幅提升，能夠支持實(shí)時(shí)或交互式應(yīng)用，同時(shí)依然保持較高的渲染真實(shí)感；相比傾斜攝影等傳統(tǒng)重建方法，3DGS無需顯式構(gòu)建3D結(jié)構(gòu)，能夠更逼真地還原連續(xù)的表面細(xì)節(jié)，有效避免傳統(tǒng)方法中常見的拼接痕跡與破面問題，并在復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)表達(dá)和動(dòng)態(tài)光照模擬方面表現(xiàn)更為出色。

航天宏圖依托在遙感測繪、空間數(shù)據(jù)處理與三維建模方面的技術(shù)積累，基于3DGS重建技術(shù)，研發(fā)了“全棧式3DGS實(shí)景三維重建系統(tǒng)”。該系統(tǒng)面向展品、展廳、數(shù)字孿生城市等多尺度應(yīng)用場景，助力行業(yè)客戶構(gòu)建真實(shí)、可交互的三維數(shù)字空間，支撐“實(shí)景三維”數(shù)字化建設(shè)與空間智能化管理。

表1-1 3DGS與傳統(tǒng)實(shí)景三維技術(shù)的對比

二、系統(tǒng)概述

航天宏圖全棧式3DGS實(shí)景三維重建系統(tǒng)，貫徹從多源數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)化建模到個(gè)性化Web端顯示的完整流程。系統(tǒng)支持無人機(jī)、手持相機(jī)等多種采集方式，結(jié)合空三計(jì)算與相機(jī)位姿優(yōu)化模塊，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的3DGS模型構(gòu)建。建模過程高度自動(dòng)化，無需復(fù)雜人工調(diào)參，可高效輸出輕量、高保真的三維模型。模型可部署至瀏覽器端，支持多視角切換、標(biāo)注和圖層管理等功能，交互展示平臺(tái)可按需定制，靈活對接各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

圖2-1 全棧式3DGS實(shí)景三維重建系統(tǒng)框架

整體系統(tǒng)具有輕量高保真、全鏈高協(xié)同和平臺(tái)可定制三大特點(diǎn)：

● ?輕量高保真?：基于3DGS建模技術(shù)，有效壓縮模型體積的同時(shí)，保持高質(zhì)量渲染效果，兼顧渲染效率與視覺真實(shí)感。

● ?全鏈高協(xié)同?：覆蓋從數(shù)據(jù)采集、建模處理到Web端顯示的完整流程，系統(tǒng)模塊高度協(xié)同，支持各環(huán)節(jié)靈活組合部署。

● ?平臺(tái)可定制?：Web端支持按需開發(fā)、功能拓展及系統(tǒng)對接，滿足不同行業(yè)與場景的個(gè)性化應(yīng)用需求。

該系統(tǒng)可滿足數(shù)字展品、虛擬展廳、三維孿生城市等實(shí)景三維應(yīng)用需求，支持用戶高效構(gòu)建真實(shí)、可交互的數(shù)字孿生空間底座。

三、關(guān)鍵技術(shù)

航天宏圖全棧式3DGS實(shí)景三維重建系統(tǒng)主要包括以下四大關(guān)鍵技術(shù)：大規(guī)模影像空三處理、分布式3DGS重建方法、大場景模型壓縮技術(shù)以及定制化Web端開發(fā)。

1大規(guī)模影像空三處理

航天宏圖自研的大規(guī)模影像空三處理方法，是三維重建流程中的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要用于精確解算影像的內(nèi)外方位元素，并獲取高精度的空間幾何參數(shù)。系統(tǒng)首先通過圖像特征提取與匹配，自動(dòng)識(shí)別影像間的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而結(jié)合控制點(diǎn)信息與區(qū)域網(wǎng)平差算法，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的幾何解算。

該方法融合了計(jì)算機(jī)視覺中的結(jié)構(gòu)光束法與傳統(tǒng)攝影測量技術(shù)，兼顧自動(dòng)化處理效率與定位精度，適用于來自手持相機(jī)、無人機(jī)等多種平臺(tái)采集的航跡式光學(xué)影像。為進(jìn)一步提升性能，系統(tǒng)還引入連接點(diǎn)抽稀機(jī)制，有效減輕計(jì)算負(fù)擔(dān)，在保證精度的同時(shí)顯著提升解算速度。

此外，系統(tǒng)具備優(yōu)異的大規(guī)模處理能力，支持超過100,000張影像的空三解算，滿足城市級以及更大范圍場景的實(shí)景三維重建需求。同時(shí)支持多節(jié)點(diǎn)協(xié)同處理，可根據(jù)任務(wù)規(guī)模靈活調(diào)度資源，提高整體數(shù)據(jù)處理效率，大幅縮短計(jì)算時(shí)間。

表3-1 拍攝要求

（左）相機(jī)位姿估計(jì) ，（右）航線與3D點(diǎn)云重建結(jié)果

圖3-1 無人機(jī)影像自動(dòng)空三處理結(jié)果

2分布式3DGS重建方法

針對大規(guī)模場景的三維重建需求，航天宏圖研發(fā)了分布式3DGS重建方法，有效解決了傳統(tǒng)3DGS在大規(guī)模場景下訓(xùn)練效率低、渲染響應(yīng)慢等核心瓶頸。面向城市級、區(qū)域級等超大規(guī)模場景，該方法引入多GPU并行建模策略，顯著提升重建效率與渲染性能。

該方法首先構(gòu)建一個(gè)低分辨率的初始3DGS模型，作為場景結(jié)構(gòu)的粗略先驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)自動(dòng)將全局點(diǎn)云劃分為多個(gè)空間上互不重疊的子模型。針對每個(gè)子模型，系統(tǒng)基于其與訓(xùn)練視角之間的投影覆蓋關(guān)系與相機(jī)空間分布，智能篩選最相關(guān)的圖像數(shù)據(jù)，確保在建模過程僅使用高相關(guān)的視角，有效提升訓(xùn)練數(shù)據(jù)利用率，同時(shí)抑制由低相關(guān)視角引入的渲染偽影。各子模型可在多張GPU設(shè)備上并行訓(xùn)練，訓(xùn)練完成后通過空間對齊與無縫拼接生成統(tǒng)一的3DGS模型，實(shí)現(xiàn)高效率、高精度的大規(guī)模三維建模與實(shí)時(shí)渲染，滿足智慧城市、數(shù)字園區(qū)等場景下對大范圍三維空間重建的精準(zhǔn)表達(dá)需求。

（左）場景整體分塊示意圖，（右）單個(gè)分塊區(qū)域展示

圖3-2 分布式3DGS重建

3大場景模型壓縮技術(shù)

為解決大規(guī)模場景下3DGS模型的存儲(chǔ)和渲染問題，航天宏圖研發(fā)了大場景模型壓縮技術(shù)。3DGS模型壓縮技術(shù)旨在提升大規(guī)模場景下的部署效率與終端適配能力，通過在訓(xùn)練過程中及訓(xùn)練完成后引入壓縮策略，實(shí)現(xiàn)顯存占用與存儲(chǔ)體積的雙重優(yōu)化，顯著減輕模型資源開銷。

在訓(xùn)練階段，基于并行建模框架引入在線壓縮機(jī)制，系統(tǒng)會(huì)周期性評估每個(gè)高斯基元對訓(xùn)練視角的貢獻(xiàn)程度，并依據(jù)其重要性動(dòng)態(tài)剔除貢獻(xiàn)較低的冗余點(diǎn)。該機(jī)制不僅有效降低了訓(xùn)練過程中的顯存占用，還加快了模型的收斂速度，尤其適配計(jì)算資源受限的設(shè)備環(huán)境。

在訓(xùn)練完成后，系統(tǒng)還會(huì)進(jìn)一步對模型進(jìn)行離線輕量化處理，包括自動(dòng)識(shí)別并清除離群高斯點(diǎn)、壓縮模型存儲(chǔ)位數(shù)等操作，從而在保證模型渲染質(zhì)量的前提下，有效減小最終模型體積，提升模型的跨平臺(tái)部署能力與實(shí)時(shí)加載性能。

表3-2 大場景3DGS模型壓縮前后大小對比結(jié)果

4定制化web端開發(fā)

航天宏圖提供定制化的Web端可視化交互能力，支持多種主流圖形引擎，實(shí)現(xiàn)對3DGS模型的跨平臺(tái)在線加載與交互式瀏覽。主要優(yōu)勢有：

● 高效渲染與廣泛兼容：依托WebGL的GPU加速，可在Chrome、Firefox、Safari等主流瀏覽器中流暢渲染三維場景。

● 多引擎靈活集成：兼容Three.js API與社區(qū)生態(tài)，便于高效模型展示，同時(shí)支持Unity WebGL，滿足更復(fù)雜的交互需求。

● 豐富的交互功能：內(nèi)置自定義標(biāo)注、屬性彈窗、圖層切換、模型剖切、測量分析等多樣組件，覆蓋展品、展廳、城市等多類型三維數(shù)據(jù)的精細(xì)化瀏覽與分析。

● 平臺(tái)級擴(kuò)展與集成：前端采用WebGL與JavaScript技術(shù)棧，可無縫對接政務(wù)平臺(tái)、空間數(shù)據(jù)庫、BIM/GIS系統(tǒng)，通過API實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢與展示。

● 輕量部署與靈活定制：支持Web組件導(dǎo)出，界面模塊化裁剪與功能拓展，適配導(dǎo)航控件、熱力圖疊加、模型動(dòng)畫等多樣業(yè)務(wù)場景。

四、應(yīng)用案例

1展品級重建

基于手持相機(jī)等設(shè)備采集數(shù)據(jù)，對單件展品進(jìn)行高精度三維建模，真實(shí)還原其材質(zhì)、紋理與結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，支持文物的在線展示、虛擬導(dǎo)覽、三維交互學(xué)習(xí)等功能，為文物數(shù)字化保護(hù)、數(shù)字博物館和虛擬教學(xué)等應(yīng)用場景提供技術(shù)支撐。

表4-1 展品重建實(shí)驗(yàn)設(shè)置與結(jié)果分析

2展廳級重建

基于手持相機(jī)等設(shè)備采集數(shù)據(jù)，高效重建完整的室內(nèi)展廳和展品，支持圖文信息掛載和語音講解等多樣化功能，可實(shí)現(xiàn)企業(yè)數(shù)字化展廳、博物館、虛擬會(huì)展中心等多種場景的沉浸式三維漫游展示，顯著提升線上觀覽體驗(yàn)與訪問流量。

表4-2 展廳重建實(shí)驗(yàn)設(shè)置與結(jié)果分析

3城市級重建

基于無人機(jī)航拍、車載街景采集等多源數(shù)據(jù)，高效構(gòu)建數(shù)字孿生城市所需的高精度三維模型，可廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、交通管理、應(yīng)急指揮等領(lǐng)域，有助于提升城市治理的科學(xué)化、精細(xì)化和智能化水平，助力數(shù)字孿生城市的建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展。

表4-3 城市重建實(shí)驗(yàn)設(shè)置與結(jié)果分析

五、結(jié)論展望

隨著AI感知技術(shù)和邊緣計(jì)算的持續(xù)發(fā)展，實(shí)景三維重建技術(shù)正變得更加高效、智能和實(shí)時(shí)。作為新一代三維表示方法，3DGS以其輕量高保真、渲染高效、適配多終端等優(yōu)勢，有望成為實(shí)景三維重建的主流技術(shù)，為數(shù)字展品、虛擬展廳、孿生城市、元宇宙等新興應(yīng)用提供有力支撐。

未來，航天宏圖將持續(xù)深耕3DGS核心技術(shù)，重點(diǎn)方向包括：融合激光雷達(dá)等多源數(shù)據(jù)，提升重建精度；結(jié)合大語言模型，實(shí)現(xiàn)智能化的三維場景交互；積極拓展AR/VR、自動(dòng)駕駛等新興領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用，推動(dòng)3DGS技術(shù)在各行業(yè)的深入應(yīng)用，為“實(shí)景三維中國”建設(shè)貢獻(xiàn)更大力量。