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基于分块三维高斯泼溅的城市低空风险地图构建方法

张建平 王致远 张光远 罗创 陈运翔

张建平, 王致远, 张光远, 罗创, 陈运翔. 基于分块三维高斯泼溅的城市低空风险地图构建方法[J]. 交通运输工程学报, 2026, 26(3): 244-260. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2026.155
引用本文: 张建平, 王致远, 张光远, 罗创, 陈运翔. 基于分块三维高斯泼溅的城市低空风险地图构建方法[J]. 交通运输工程学报, 2026, 26(3): 244-260. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2026.155
ZHANG Jian-ping, WANG Zhi-yuan, ZHANG Guang-yuan, LUO Chuang, CHEN Yun-xiang. Construction method of urban low-altitude risk map based on block 3D Gaussian splatting[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2026, 26(3): 244-260. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2026.155
Citation: ZHANG Jian-ping, WANG Zhi-yuan, ZHANG Guang-yuan, LUO Chuang, CHEN Yun-xiang. Construction method of urban low-altitude risk map based on block 3D Gaussian splatting[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2026, 26(3): 244-260. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2026.155

基于分块三维高斯泼溅的城市低空风险地图构建方法

doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2026.155
基金项目: 

国家重点研发计划 2022YFB4300903

国家自然科学基金民航联合研究基金重点项目 U2433217

国家自然科学基金项目 52472332

四川省重大科技专项 2024ZDZX0044

四川省自然科学基金项目 2025ZNSFSCO394

详细信息
    作者简介:

    张建平(1976-),男,安徽芜湖人,研究员,博士生导师,工学博士,E-mail:zhangjp@swjtu.edu.cn

    通讯作者:

    张光远(1979-),男,辽宁庄河人,正高级实验师,博士生导师,工学博士,E-mail:gyzhang@swjtu.edu.cn

  • 中图分类号: U8

Construction method of urban low-altitude risk map based on block 3D Gaussian splatting

Funds: 

National Key R&D Program of China 2022YFB4300903

Key Project of the Civil Aviation Joint Research Fund of National Natural Science Foundation of China U2433217

National Natural Science Foundation of China 52472332

Sichuan Provincial Major Science and Technology Project 2024ZDZX0044

Natural Science Foundation of Sichuan Province 2025ZNSFSCO394

More Information
Article Text (Baidu Translation)
  • 摘要: 提出了城市低空三维风险地图构建方法,实现地形、人文、气象多个风险因子统一建模与表达;研究了基于分块三维高斯泼溅的无人机影像大区域重建,确保几何与光度连续,并派生数字表面模型、数字高程模型及形态指标,将人口密度和分层风速、风切变数据与地形因子在统一体素网格对齐;建立了对数线性池化与质量图加权融合的三维风险场,采用分位阈值形成风险等级;输出了二维热力、三维体渲染效果,并在成都市某新区约15 km2区域开展了试验。研究结果表明:分块一致性重建策略有效减少重建接缝与几何台阶,使峰值信噪比由27.8 dB提升至28.6 dB,派生地形指标分布更平滑;地形、人文、气象因子互补作用明显,融合后的风险分布合理,核心区风险超过可接受阈值的概率为7.4%,显著高于外围区域的1.5%;二维切片与三维体渲染均展现出空间连通性,城市核心区在30、80、120、200、300 m的综合风险分别为0.68、0.61、0.53、0.56、0.57;消融试验进一步验证了块间一致性、曲率特征、场景掩模、风切变与概率校准等模块的重要性。

     

  • 图  1  场景表示与可微渲染模型示意

    Figure  1.  Schematic of scene representation and differentiable rendering model

    图  2  自适应分块策略示意

    Figure  2.  Schematic of adaptive blocking strategy

    图  3  场景局部地形模型

    Figure  3.  Scene local terrain model

    图  4  城市新区无人机俯拍切片

    Figure  4.  UAV overhead photographys of the new urban area

    图  5  人口密度栅格裁剪研究区域

    Figure  5.  Study area of population density raster clipping

    图  6  分块3DGS与其余2种算法效果的对比

    Figure  6.  Results comparison of 3DGS with the other two algorithms

    图  7  地形迫降风险项数据可视化图

    Figure  7.  Visualization diagrams of terrain emergency landing risk item data

    图  8  二维风险热力图与三维渲染地图

    Figure  8.  2D risk heatmap and 3D volume rendering map

    图  9  不同高度风险切片图

    Figure  9.  Slice maps of different risk levels

    表  1  近地面风数据

    Table  1.   Near-surface wind data

    高度层/m 平均风速/ (m·s-1) 风向/(°) 垂直风切变/ [m·s-1/(100 m)]
    30 2.8 15 2.4
    80 4.1 25 2.6
    120 5.0 30 2.3
    200 6.0 38 1.3
    300 6.9 45 0.9
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    表  2  试验设置

    Table  2.   Experimental setup

    类别 项目 设置/取值 说明
    采集与场景 研究区域 成都市某新区住商混合片区,约15 km2 同时覆盖高层建筑群、学校、医院、滨河绿地与交通走廊
    航线与时段 弓字形覆盖 地面站航线规划规划
    作业条件 选择能见度良好、近地面风力较小时段 降低气象噪声对重建与风险估计的干扰
    空间组织 坐标与网格 统一到通用坐标与高程基准,建立统一三维网格(水平到街区尺度,垂向覆盖常见飞行高度带) 为因子对齐、融合与多视图表达提供公共底板
    三维重建与质量 重建方式 端到端分块三维重建全域训练 兼顾大范围覆盖与块间连续性
    地形派生 由重建结果派生DSM/DTM,计算坡度、曲率、形状指数等 概括起伏、遮挡、通道,用于地形因子建模
    因子构建与对齐 地形因子 基于DSM/DTM的形态指标计算三维地形迫降风险项G(x, y, z) 反映遮挡与地表复杂度
    人文因子 年度人口栅格,裁剪至研究区并限制在三维场景柱向重叠域U(x, y) 避免场景外的伪热点与阈值漂移
    气象因子 气象平台地区风速与风切变,插值到统一高度带 国家气象台公开数据,体现高度相关的扰动差异
    风险融合与分级 融合计算 在统一网格按本文总公式融合与质量图Q得到R(x, y, z)∈[0, 1] 保持单调与可解释,可做概率刻度校准
    分级与阈值 以全域分位为初值,结合管理需求小幅调整 兼顾跨区域可比与本区处理目标
    地图表达与合规 二维、三维视图 定高热力(等级控色、强度控透明度)、三维体渲染 保持多视图语法一致,方便审读
    评估与复现 开放材料 提供示例切片、因子层与图件示例 便于同专业学者在相近场景复现
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    表  3  三维重建试验定量指标

    Table  3.   Quantitative indicators of 3D reconstruction experiments

    指标类别 指标 带约束的分块3DGS 逐块独立的3DGS SfM+MVS
    重建层 PSNR/dB 28.6 27.8
    SSIM 0.918 0.902 0.673
    LPIPS 0.152 0.198 0.244
    几何漂移Δz/m 0.042 0.091 0.094
    派生层 高程全域偏差/m 0.18 0.29 0.35
    高程标准差/m 0.21 0.37 0.39
    坡度分布一致性 0.946 0.887 0.802
    曲率分布一致性 0.931 0.865 0.829
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    表  4  二维形态风险数值

    Table  4.   2D morphological risk values

    区域 地形风险 顶面风险 二维形态风险 风险值大于可接受范围概率P(R>0.8)/%
    1 0.64 0.53 0.61 10.2
    2 0.61 0.46 0.52 7.8
    3 0.45 0.39 0.43 4.8
    4 0.21 0.14 0.19 1.9
    5 0.16 0.12 0.14 1.6
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    表  5  人口暴露风险数值

    Table  5.   Population exposure risk value

    区域 人口暴露风险 风险值大于可接受范围概率P(R>0.8)/%
    1 0.67 14.1
    2 0.63 12.4
    3 0.45 4.8
    4 0.22 0.5
    5 0.18 0.3
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    表  6  高度相关风场风险数值

    Table  6.   Risk values of height dependent wind field

    高度/m 风速强度 垂直风切变强度 气象风险 风险值大于可接受范围概率P(R>0.8)/%
    30 0.22 0.60 0.38 1.2
    80 0.48 0.68 0.52 3.5
    120 0.61 0.55 0.58 5.8
    200 0.72 0.41 0.62 6.9
    300 0.81 0.30 0.65 7.6
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    表  7  不同高度层下的综合风险数值

    Table  7.   Comprehensive risk values at different elevation levels

    区域 30 m风险 80 m风险 120 m风险 200 m风险 300 m风险 风险值大于可接受范围概率P(R>0.8)/%
    1 0.68 0.61 0.53 0.56 0.57 7.4
    2 0.61 0.56 0.50 0.53 0.54 5.8
    3 0.54 0.48 0.44 0.46 0.47 3.9
    4 0.47 0.42 0.39 0.40 0.40 2.4
    5 0.41 0.37 0.34 0.35 0.35 1.5
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    表  8  消融试验设置与结果

    Table  8.   Ablation study setup and results

    编号 模块 操作内容 IoU L1
    A0 完整模型 全模块启用(块间一致性、曲率与形状指数、人口场景掩模、风速与切变、几何池化) 0.642 0.124
    A1 块间一致性 将3DGS的块间一致性损失置零,各块独立训练 0.497 0.189
    A2 地形形态 去曲率(仅保留坡度),移除曲率强度与形状指数 0.562 0.158
    A3 场景掩模 人口栅格不再裁剪到场景柱向范围内 0.545 0.171
    A4 气象建模 去切变(仅保留风速) 0.571 0.149
    A5 融合策略 将几何池化改为线性加权 0.553 0.163
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-08-26
  • 录用日期:  2026-01-23
  • 修回日期:  2025-11-27
  • 刊出日期:  2026-03-28

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