徕卡CityMapper-2助力米兰数字孪生项目——开创城市管理的新时代

摘要：想象一下，一个城市可以从办公室中浏览、测量和管理，而不是通过繁重和耗时的现场考察。一个能够响应居民需求的同时优化资源的城市。一个能够预见和解决问题，同时创造新的机会促进创新和合作的城市。这并非幻想，而是现实。城市数字孪生正在塑造城市环境，创建一个动态和全面的模

意大利城市米兰正在通过其全面的城市数字孪生技术，开创城市管理的新时代。该市政项目汇集了四家领先的地理信息公司参与其中。

想象一下，一个城市可以从办公室中浏览、测量和管理，而不是通过繁重和耗时的现场考察。一个能够响应居民需求的同时优化资源的城市。一个能够预见和解决问题，同时创造新的机会促进创新和合作的城市。这并非幻想，而是现实。城市数字孪生正在塑造城市环境，创建一个动态和全面的模型。意大利城市米兰，一个全球商业、时尚、金融、研究和旅游中心，已经拥抱这一愿景，实现了一个全面的城市数字孪生体。

创建米兰数字孪生的项目涉及米兰市政府和四家领先的地理信息公司：Compagnia Generale Ripreseaeree (CGR SpA) 负责航空摄影测绘，CycloMedia 负责移动扫描测绘，Esri Italia SpA 负责数据管理，Servizi Informazione Territoriale (SIT Srl) 负责地形测绘。

帕维亚大学的地理信息实验室也参与了数据质量分析和评估。生成的数字孪生提供了丰富多样的数据集，从不同角度捕捉城市环境的各个方面。它结合了下视和倾斜航空影像、激光点云和地面移动扫描数据，创建了一个动态和全面的城市模型。该项目还提供了创新产品，如真正射影像（RGB和彩色红外[CIR]影像）、分类激光雷达点云、数字地形模型(DTM)和数字地表模型(DSM)模型，以及一个包含22种城市物体（如交通灯、户外座椅、大门和路标）的数据库。

该项目覆盖了大约1575平方公里的区域，包括133个市镇和米兰市。航空摄影测绘使用了徕卡CityMapper-2混合传感器，它采集了下视和倾斜航空影像，并同时获取了激光雷达点云。规定采集的航空影像需具有5厘米的地面分辨率，点云密度至少为每平方米20个点。获取产生了超过434000张图像和超过2200亿个点，需要超过50TB的存储空间。移动测绘系统(MMS)专注于米兰，CycloMedia的传感器覆盖了近2600公里的道路。移动扫描数据必须具有每像素8毫米或更高的图像分辨率，以及每平方米至少1500个点的点云密度（采集车辆路径左右各10米的数据）。移动扫描数据占用了超过10TB的存储，包括图像、点云和约120万个元素的数据库。

图1：航空测量覆盖了整个城市区，而移动测绘仅限于米兰市。

米兰数字孪生项目的一个关键组成部分是高质量地面控制网，它确保了数据的准确性和可靠性。项目团队在城市区域设置了200个控制区域，每个区域由两个相距约100米的标记组成。一种标记是作为大地测量参考的基准，另一种是绘制在地面上的航空摄影测量标记。第二种标记周围的平坦区域可以用于评估激光雷达的高程精度和密度。

米兰项目合作伙伴选择了传统的静态测量方法来建立一个可靠的地面控制网，用于数据质量评估，而不是使用NRTK GNSS测量技术。这一选择的结果是，东、北、高程方向的平均均方根误差(RMSE)分别为8毫米、9毫米和13毫米。这些结果非常适合评估航空摄影测量处理的精度，因为图像的地面分辨率为5厘米。此外，还使用了地面激光扫描仪来测量200个控制区域中的50个，以分析激光雷达数据的水平和高程精度。最后，项目团队使用摄影测量沿城市主要道路收集了2000个数据点。这些坐标与从移动扫描数据获得的坐标进行比较，以评估移动扫描数据与航空数据集的准确性和一致性。

航空数据是项目的另一个重要组成部分，通过航空摄影测量和激光雷达数据覆盖整个城市区域。使用各种参数和标准仔细评估了这些数据集和主要航空产品的质量。项目的一个创新方面是优化重叠度。现代相机的特点是焦距和传感器尺寸多种多样，这会影响视场角（FOV），从而挑战了固定重叠百分比普遍适用的假设。设计有固定重叠的摄影测量计划可能更容易或更少受到与FOV相关的视角遮挡的影响，需考虑“建筑物倾斜”（或“建筑物明显倾斜”）现象。

图2：地理基准和航空摄影测量标记的控制区域示例。

另一个有趣的项目结果是激光雷达数据的点密度高于预期，约为每平方米55个点，而不是要求的20个。这是由于混合系统允许同时采集影像和激光点云。这个更高的点密度来自于传感器的特性（椭圆扫描模式，带有倾斜轴）和模块化设计。系统能够采集影像和激光点云；航空摄影测量飞行计划设计优先于激光雷达，由于图像的更大重叠，导致由于图像的更大重叠而增加了点密度。

然后评估了影像、激光雷达数据和主要航空产品的质量。检查结果显示了非常高的水准：整体平差调整后实现了水平和高程分量精度分别为1.8厘米和3.7厘米。这几乎相当于地面分辨率（GSD）的0.5和0.75倍。激光雷达数据的高程精度和准确度分别为2.0厘米和4.8厘米，而水平精度和准确度分别为8.7厘米和12.2厘米。基于获取数据的质量，产品展示了超出同等的优秀水平。正射影像，无论是RGB还是CIR，呈现出2.5厘米的平面误差，而DSM和DTM的高程精度在4到5厘米之间。最后，对激光雷达点云分类进行了彻底检查，以确保招标文件中指定的11个类别满足要求。这些类别包括地下、地面、电线、桥梁、水、建筑物、高植被、中植被、低植被、离散点和地面上的点（不属于其他类别的人造地物）。

移动扫描数据同样是米兰数字孪生项目的一个重要组成部分。它便于在传统航空调查面临挑战的区域检查城市，特别是那些以狭窄街道或密集植被为特征的区域，如意大利城市地区常见的那样。此外，移动扫描是创建城市对象数据库的主要数据源。因此，需要对全景图像的分辨率和生成的点云密度进行彻底评估。两者要求满足了每像素8毫米的图像分辨率和每平方米1500个点的点密度（在车辆路径左右各10米处）。

该项目的一个核心原则是使用航空和地面数据获得互补视角，提高我们分析的准确性。确保这些数据集之间的匹配至关重要，这种匹配必须经过彻底评估。总共测量了2000个点，并与移动扫描数据进行了比较。结果显示，水平方向的均方根误差(RMSE)约为7厘米，高程方向为14厘米，表明两种数据源之间具有很强的兼容性。

图3：航空产品是分类的激光雷达点云、DSM和DTM以及RGB和CIR正射影像。

招标文件的技术规范中一个关键方面是提供先进的软件工具，以便轻松访问复杂的数据集。这是优化城市数据管理和促进地方实体间合作的重大改进。提出了两个主要工具来实现这一目标。第一个工具是由CycloMedia开发的Web应用程序，允许用户以友好的方式查看、分析和共享地理空间信息，这对于城市规划和资源管理很有帮助。第二个工具是Esri ArcGIS软件插件，使复杂的数据集能够集成到现有工作流程中，从而提高地理空间分析的效率和准确性。这些创新解决方案将使米兰市政府能够根据准确和最新的数据做出明智和及时的决策。简而言之，实施这些软件工具是城市数据管理中的关键一步，促进了各个地方部门之间的更多合作和信息共享。通过采用这些技术，米兰将更好地准备面对未来的挑战，提高其公民的生活质量。

米兰的数字孪生项目是一个最领先的案例，展示了地理空间数据如何创建一个城市的真实和动态的表达，实现更好的治理、规划和创新。通过整合来自航空和地面测绘的不同类型数据，项目提供了一个全面和准确的城市模型、其特征及其随时间变化的视图。该项目还展示了先进的软件工具如何促进访问和分析以及复杂数据集的共享，增强了益相关者之间的合作和决策。

该项目的成果将使米兰市政府以及与该市生活、工作或互动的公民、企业、研究人员和游客受益。该项目是一项技术成果，也是未来的典范。它展示了数字城市如何为提高城市地区的生活质量、可持续性和弹性提供新的可能性。它还展示了数字城市如何培养创造力、实验性和参与性，激发新的想法和解决方案，以实现共同利益。该项目邀请我们想象一个世界，在这个世界里，每个城市都有一个数字孪生模型，数据成为促进城市发展的宝贵资产，技术是社会变革的催化剂。该项目要求我们接受这一愿景并将其变为现实。