实景三维模型：概念、方法、应用与挑战

　　1 引言

　　实景三维模型作为真实世界的数字化“孪生体”，已成为国家新型基础设施建设的重要组成部分[1]。随着实景三维中国建设的全面推进，其意义已从传统测绘产品的升级，跃升为支撑数字中国建设、赋能千行百业数字化转型的时空信息基底。

　　实景三维建模的理论与方法经历了从单点突破到体系化融合的跨越式演进。早期的三维建模主要工作量在于依赖人工利用CAD/3DS Max等软件进行复杂单体要素的结构化建模，虽然模型精细但效率低下，难以满足大规模应用需求。随着激光雷达(LiDAR)和倾斜摄影测量的自动重建技术兴起[2-3]，高精度激光扫描点云逐渐成为大范围地形和复杂单体要素精细化建模的首要数据源，倾斜摄影测量则凭借无人机平台的普及促进了大区域场景的低成本高效三维重建。近年来，随着计算机视觉与深度学习的发展，神经辐射场[4](NeRF)和3D高斯泼溅[5](3DGS)等技术极大地提高了复杂场景模型渲染质量，引入可微渲染的新范式，标志着实景三维模型从几何量测向视觉计算与智能生成的拓展。

　　当前，实景三维领域正处于技术爆发与应用深化的关键窗口期，机遇与挑战并存。随着数字经济的进一步推进，实景三维模型作为数据要素的核心载体，正迎来在低空经济、智慧水利、文化遗产数字化等新兴领域的广阔市场[6-7]。然而，当前面临的挑战依旧严峻。首先，目前应用最广泛的Mesh模型常被病垢“一张皮”，缺乏对象化语义，难以直接支撑复杂的地理分析与时空模拟[8-9]；其次，面对真实世界的动态变化，传统的实景三维模型多为静态快照，难以满足自动驾驶、应急响应等高频更新需求[1，10]；最后，实景三维建设还面临认知范式转型[11]、海量异构数据源高效组织[12]、人工智能冲击[13]等一系列挑战。

　　鉴于此，本文旨在对实景三维模型的概念框架、核心方法、应用场景和关键挑战进行系统梳理和综述。首先，对实景三维模型的概念与内涵、主要类型和研究范畴进行系统回顾和归纳总结；然后，梳理当前实景三维建模的核心方法与技术，分析各自优缺点和发展方向；接着，系统回顾实景三维模型的应用场景，总结其行业服务和应用范式；最后，指出实景三维建设当前面临的主要问题和挑战，并对未来的发展方向进行了展望，以期为后续研究与实践提供思路和指引。

　　2 实景三维模型的概念框架

　　本文以“概念内涵—主要类型—研究范畴”为主线，系统总结实景三维模型的概念框架(图1)。实景三维模型的概念自提出以来不断演进和发展，并包含了不同层次的内涵。在模型产品上也衍生出不同类型、不同层次的产品体系。在研究范畴上从早期关注数据采集和建模，演进为“数据层、模型层、平台层、应用层、理论标准层”五位一体的协同研究体系。

　　

　　图1 实景三维模型的概念框架

　　Fig.1 The conceptual framework of 3D real-scene models

　　2.1 实景三维模型的概念与内涵

　　实景三维模型概念的形成并非一蹴而就，而是在测绘地理信息技术进步与国家数字化战略需求的双重驱动下，从单一的三维模型演变为新型国家空间数据基础设施。早期，实景三维地理信息数据指的是“基于影像匹配或激光扫描技术获取的反映地物三维信息的数据”[14]。随着新型基础测绘的推进，实景三维模型被定义为“实景三维模型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，是国家重要的新型基础设施，为经济社会发展和各部门信息化提供统一的空间基底”[15]。近年来，随着人工智能带来的冲击，实景三维模型的概念进一步升维，成为连接物理世界与数字世界的桥梁。实景三维模型不仅强调时序化与互联互通，不仅要求“静态描述”，更要求接入物联网(IoT)实时数据，支持全生命周期的动态更新与仿真推演，更注重提供时空连接、时空计算与时空智能服务的三维数字空间[1]。总体而言，实景三维模型要求构建一个“看起来真实、动起来实时、算起来准确、管起来高效、用起来智能”的数字三维空间，实现物理世界与数字世界的实时互联、精准映射与协同演化，从而提供不可或缺的空间认知、分析模拟和决策支持服务。

　　实景三维模型的概念包含3层递进的内涵：①数据产品，指通过倾斜摄影测量、激光扫描等手段，对现实世界进行客观、高保真孪生的数字成果，其产品体系按精细度分为连续的地理场景(宏观地形与景观)和离散的地理实体(具独立意义的地物)[1，16-17]；②技术体系，涵盖了从空天地多平台数据协同获取、智能化自动化建模到多源信息融合与动态更新的全链条技术[11，18]，特别是数字孪生建模技术的引入，使其具备了处理海量多模态时空数据的能力；③服务范式，旨在为各行业提供一个统一的、可量测、可计算、可挖掘的时空基底，支撑从可视化浏览到复杂分析、智能决策的深度应用[17，19]。

　　2.2 实景三维模型的主要类型

　　实景三维模型，并非单一的数据形态，而是由一系列数据产品构成的复杂谱系。从数据源的视角，可分为基于影像、基于激光扫描点云和多源数据融合建模的实景三维模型。从建设层级的视角，可分为地形级、城市级和部件级实景三维模型。从数据结构与表征方式的视角，可分为显式和隐式(半隐式)实景三维模型。现有研究已对前面几类模型进行了较好的介绍[10，20-21]。为了推动实景三维模型的深度应用，本文从实景三维模型加工与应用程度的视角，提出原生和次生实景三维模型的概念。