一、研發背景

“實景三維中國”作為國家推進數字中國建設、提升空間地理信息服務能力的重要戰略性工程，正在深度融入低空經濟、智能交通、智慧城市、數字文旅和應急指揮等關鍵領域。三維重建是實現真實世界“實景三維”數字化表達的核心技術，通過相機、傳感器等設備獲取物理空間數據，并結合計算機視覺與圖形學算法，將二維圖像轉換為三維模型。目前，主流的三維重建方法包括傾斜攝影（多視角立體重建）、激光掃描和神經輻射場（Neural Radiance Fields, NeRF）等，各具優勢與局限。

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，在渲染質量和效率方面展現出顯著優勢。其核心思想是將三維場景表示為一組具有空間位置、協方差矩陣、不透明度和球諧系數的各向異性高斯分布，從而實現對幾何結構與光照信息的統一建模。在眾多三維重建與渲染技術中，3DGS具備多方面的優勢。相比基于NeRF的方法，3DGS在訓練和渲染速度上大幅提升，能夠支持實時或交互式應用，同時依然保持較高的渲染真實感；相比傾斜攝影等傳統重建方法，3DGS無需顯式構建3D結構，能夠更逼真地還原連續的表面細節，有效避免傳統方法中常見的拼接痕跡與破面問題，并在復雜幾何結構表達和動態光照模擬方面表現更為出色。

航天宏圖依托在遙感測繪、空間數據處理與三維建模方面的技術積累，基于3DGS重建技術，研發了“全棧式3DGS實景三維重建系統”。該系統面向展品、展廳、數字孿生城市等多尺度應用場景，助力行業客戶構建真實、可交互的三維數字空間，支撐“實景三維”數字化建設與空間智能化管理。

表1-1 3DGS與傳統實景三維技術的對比

二、系統概述

航天宏圖全棧式3DGS實景三維重建系統，貫徹從多源數據采集、自動化建模到個性化Web端顯示的完整流程。系統支持無人機、手持相機等多種采集方式，結合空三計算與相機位姿優化模塊，實現高質量的3DGS模型構建。建模過程高度自動化，無需復雜人工調參，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、標注和圖層管理等功能，交互展示平臺可按需定制，靈活對接各類業務系統。

圖2-1 全棧式3DGS實景三維重建系統框架

整體系統具有輕量高保真、全鏈高協同和平臺可定制三大特點：

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

● ?全鏈高協同?：覆蓋從數據采集、建模處理到Web端顯示的完整流程，系統模塊高度協同，支持各環節靈活組合部署。

● ?平臺可定制?：Web端支持按需開發、功能拓展及系統對接，滿足不同行業與場景的個性化應用需求。

該系統可滿足數字展品、虛擬展廳、三維孿生城市等實景三維應用需求，支持用戶高效構建真實、可交互的數字孿生空間底座。

三、關鍵技術

航天宏圖全棧式3DGS實景三維重建系統主要包括以下四大關鍵技術：大規模影像空三處理、分布式3DGS重建方法、大場景模型壓縮技術以及定制化Web端開發。

1大規模影像空三處理

航天宏圖自研的大規模影像空三處理方法，是三維重建流程中的關鍵技術之一，主要用于精確解算影像的內外方位元素，并獲取高精度的空間幾何參數。系統首先通過圖像特征提取與匹配，自動識別影像間的對應關系，進而結合控制點信息與區域網平差算法，實現穩定可靠的幾何解算。

該方法融合了計算機視覺中的結構光束法與傳統攝影測量技術，兼顧自動化處理效率與定位精度，適用于來自手持相機、無人機等多種平臺采集的航跡式光學影像。為進一步提升性能，系統還引入連接點抽稀機制，有效減輕計算負擔，在保證精度的同時顯著提升解算速度。

此外，系統具備優異的大規模處理能力，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景三維重建需求。同時支持多節點協同處理，可根據任務規模靈活調度資源，提高整體數據處理效率，大幅縮短計算時間。

表3-1 拍攝要求

（左）相機位姿估計 ，（右）航線與3D點云重建結果

圖3-1 無人機影像自動空三處理結果

2分布式3DGS重建方法

針對大規模場景的三維重建需求，航天宏圖研發了分布式3DGS重建方法，有效解決了傳統3DGS在大規模場景下訓練效率低、渲染響應慢等核心瓶頸。面向城市級、區域級等超大規模場景，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。

該方法首先構建一個低分辨率的初始3DGS模型，作為場景結構的粗略先驗。在此基礎上，系統自動將全局點云劃分為多個空間上互不重疊的子模型。針對每個子模型，系統基于其與訓練視角之間的投影覆蓋關系與相機空間分布，智能篩選最相關的圖像數據，確保在建模過程僅使用高相關的視角，有效提升訓練數據利用率，同時抑制由低相關視角引入的渲染偽影。各子模型可在多張GPU設備上并行訓練，訓練完成后通過空間對齊與無縫拼接生成統一的3DGS模型，實現高效率、高精度的大規模三維建模與實時渲染，滿足智慧城市、數字園區等場景下對大范圍三維空間重建的精準表達需求。

（左）場景整體分塊示意圖，（右）單個分塊區域展示

圖3-2 分布式3DGS重建

3大場景模型壓縮技術

為解決大規模場景下3DGS模型的存儲和渲染問題，航天宏圖研發了大場景模型壓縮技術。3DGS模型壓縮技術旨在提升大規模場景下的部署效率與終端適配能力，通過在訓練過程中及訓練完成后引入壓縮策略，實現顯存占用與存儲體積的雙重優化，顯著減輕模型資源開銷。

在訓練階段，基于并行建?？蚣芤朐诰€壓縮機制，系統會周期性評估每個高斯基元對訓練視角的貢獻程度，并依據其重要性動態剔除貢獻較低的冗余點。該機制不僅有效降低了訓練過程中的顯存占用，還加快了模型的收斂速度，尤其適配計算資源受限的設備環境。

在訓練完成后，系統還會進一步對模型進行離線輕量化處理，包括自動識別并清除離群高斯點、壓縮模型存儲位數等操作，從而在保證模型渲染質量的前提下，有效減小最終模型體積，提升模型的跨平臺部署能力與實時加載性能。

表3-2 大場景3DGS模型壓縮前后大小對比結果

4定制化web端開發

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，實現對3DGS模型的跨平臺在線加載與交互式瀏覽。主要優勢有：

● 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與社區生態，便于高效模型展示，同時支持Unity WebGL，滿足更復雜的交互需求。

● 豐富的交互功能：內置自定義標注、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據的精細化瀏覽與分析。

● 平臺級擴展與集成：前端采用WebGL與JavaScript技術棧，可無縫對接政務平臺、空間數據庫、BIM/GIS系統，通過API實現實時數據查詢與展示。

● 輕量部署與靈活定制：支持Web組件導出，界面模塊化裁剪與功能拓展，適配導航控件、熱力圖疊加、模型動畫等多樣業務場景。

四、應用案例

1展品級重建

基于手持相機等設備采集數據，對單件展品進行高精度三維建模，真實還原其材質、紋理與結構細節，支持文物的在線展示、虛擬導覽、三維交互學習等功能，為文物數字化保護、數字博物館和虛擬教學等應用場景提供技術支撐。

表4-1 展品重建實驗設置與結果分析

2展廳級重建

基于手持相機等設備采集數據，高效重建完整的室內展廳和展品，支持圖文信息掛載和語音講解等多樣化功能，可實現企業數字化展廳、博物館、虛擬會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與訪問流量。

表4-2 展廳重建實驗設置與結果分析

3城市級重建

基于無人機航拍、車載街景采集等多源數據，高效構建數字孿生城市所需的高精度三維模型，可廣泛應用于城市規劃、交通管理、應急指揮等領域，有助于提升城市治理的科學化、精細化和智能化水平，助力數字孿生城市的建設與可持續發展。

表4-3 城市重建實驗設置與結果分析

五、結論展望

隨著AI感知技術和邊緣計算的持續發展，實景三維重建技術正變得更加高效、智能和實時。作為新一代三維表示方法，3DGS以其輕量高保真、渲染高效、適配多終端等優勢，有望成為實景三維重建的主流技術，為數字展品、虛擬展廳、孿生城市、元宇宙等新興應用提供有力支撐。

未來，航天宏圖將持續深耕3DGS核心技術，重點方向包括：融合激光雷達等多源數據，提升重建精度；結合大語言模型，實現智能化的三維場景交互；積極拓展AR/VR、自動駕駛等新興領域的創新應用，推動3DGS技術在各行業的深入應用，為“實景三維中國”建設貢獻更大力量。