基于影像的地下空间3DGS 可行性研究

城市地下空间（如地铁、管廊、商场、人防设施）在现代城市建设中扮演着越来越重要的角色，其智能化管理需求日益迫切平[1]。然而，高精度建模技术（如三维激光扫描）虽然能够提供准确的数据，但其高成本、低效率以及可及性差的问题限制了其广泛应用。

目前消费级手机影像技术已从单摄像头演进至多焦段、多像素阵列，并具备防畸变等专业能力[2]。其随手可得的特性大幅降低了数据采集门槛，若能与高效渲染框架结合，即可形成一条轻量化 3D 重建成为一种潜在的解决方案。同时，3D 高斯泼溅（3DGS）技术因其在渲染效率和质量上的显著优势，逐渐成为一个研究热点 [3]。能够实现高效的 GPU 光栅化渲染，并支持显式表达和可微分优化。

因此，本文提出一种地下空间中消费级手机影像 +3DGS 生成质量可用的三维模型的技术，为城市地下空间城市管理的轻量级三维重建提供技术支持。

1 3DGS 技术概述

1 3DGS

3DGS 是将场景表示为若干带透明度的三维高斯椭球体。高斯椭球可通过协方差矩阵描述尺度与旋转；球谐系数则对视角相关颜色进行编码。相较于传统渲染，该具备 GPU 光栅化流程支持并行。同时，可实时渲染，参数量与存储需求与场景复杂度线性相关，并且全流程可微，易于端到端优化。

2 3DGS 流程

标准化 3DGS 流程通常包括四步：（1）多视影像与位姿获取，获取影像多视角图像和相机位姿；（2）高斯初始化，输出的稀疏点云创建初始 3D高斯分布；（3）优化，通过梯度下降优化每个高斯的参数；（4）光栅化渲染，光栅化器进行快速的新视角合成。

3 3DGS 流程

3DGS 应用于城市地下空间仍面临显著挑战：位姿质量高度依赖纹理与光照，而地下昏暗、单调材质易致漂移；其二，车辆等动态目标会在优化过程中留下劣化几何与纹理；其三，大尺度或长走廊场景需要海量高斯，训练显存与时间激增；其四，椭球表示对尖锐边缘与细管线的几何保真度有限。

2 影像+3DGS 地下空间建模实践

2.1 实验系统构建

实验数据采集以小米 14 手机作为唯一影像源，IMU 用于辅助位姿估计，并辅以轻便三脚架减少运动模糊，便携 LED 补光灯提供可控光源，静帧拍摄以抑制运动模糊。全部设备由一人手持或肩背。数据建模采用Windows 11 专业版 64 位台式电脑，使用 Pycharm 2025.01 版本编写代码，调用 NVIDIA GeForce RTX 4060 8 GB 显卡进行渲染处理。

2.2 测试场景选择与特性

测试地点选地下车库入口，兼具低光、中等纹理与低人流量的典型特征。本研究将测试场景设定为某市地下停车场出入口通道。该区域呈长廊型几何，墙面主要为灰色混凝土，提供了中等级别的纹理细节，低光环境。拍摄时间选在运营低谷期，基本无行人，可最大程度减少动态目标干扰。场景内同时包含坡道、警示标识与金属栅栏等多种材质与复杂几何，为评估方案在不同光照、纹理与尺度条件下的稳健性提供了充分验证。

2.3 数据采集与处理

使用小米 14 手机的原生相机采用场景影像。然后将电脑输入影像，执行特征提取、匹配与增量式 SfM，获得稀疏点云和精确相机外参；随后调用 3DGS 框架，将 SfM 点云初始化为高斯分布，并以默认参数迭代完成3DGS 优化。训练结束后，通过同一框架实时光栅化生成新视角渲染，并输出模型。技术流程图如下：

3 建模效果

3.1 实验系统构建

为了客观评估重建效果，我们定义以下指标：

（1）几何精度：重建模型主体结构完整度，通过测量与实际值比较，计算平均误差。

（2）渲染质量：视觉检查评估纹理清晰度、颜色准确性和伪影程度（3）建模效率：从数据采集到渲染的总时间，以及GPU 内存消耗3.2 实验结果

在光照充足、纹理中等的条件下，重建模型的几何精度很好，建模效率较快。主体结构完整，但低纹理区、遮挡区和边缘区域出现少量孔洞。同时渲染效果良好，纹理清晰，颜色与实际场景一致。但在动态物体（如行人）存在的场景中，观察到轻微的模糊现象。实验表明选取场景时应考虑光源稳定且高纹理环境，或通过图像预处理技术提升低纹理区域质量，同时需引入动态物体识别和过滤机制以优化模型效果。实验证明建模技术在地下空间的实用价值，特别是在优化光照和纹理条件后的高质量三维重建应用中。

3.3 实验分析

实验结果表明位姿质量（受光照与纹理双重影响）是决定建模精度的首要因素，其次为动态目标干扰；渲染效率主要由高斯数量驱动，场景内仍能保持实时交互。由此可见，补光、丰富纹理特征并在低人流时段采集，可显著提升模型质量；而在极低光照或纹理贫乏的地下空间，需结合影像增强与动态目标剔除技术方能确保3DGS 稳定收敛并输出可用结果。

4 结论

本文测试了“手机影像 + 3DGS”在城市地下空间快速建模中的工程可行性。结果表明，纹理信息适中且动态干扰受控时，通过标准化处理即可获得结构相对完整度的三维模型，并可在桌面 GPU 上实现实时渲染，足以支撑规划展示、应急演练等中低精度应用。

本技术仍有广阔提升空间，未来将针对低照度与纹理匮乏环境研发自适应去噪、色彩与特征增强等影像预处理，以稳固位姿；同时开展多机型、不同传感器尺寸的系统对比，厘清硬件对重建质量的边际影响。以拓宽该轻量级方案在更大尺度和更苛刻地下环境中的应用边界。

参考文献：

[1] 张照杰 ， 张宏波 ， 李娜 . 基于三维激光扫描技术的城市地下空间三维建模 [J]. 地理空间信息 ，2021，19（06）：89-91+6.

[2] 李闻杰 ， 左小清 ， 唐灵 ， 等 . 手机影像辅助倾斜摄影的快速精细化建模方法研究 [J]. 城市勘测 ，2022，（03）：60-64.

[3] 朱东林 ， 陈淼 ， 毛宇岩 ， 等 . 三维高斯泼溅技术在场景重建中的现状 与 挑 战 [J/OL]. 集 成 技 术 ，1-17[2025-06-21].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/44.169t.20250319.1842.002.html.