劉先林：城市三維建模的新方法

城市的信息化快速?gòu)亩S向三維過(guò)渡，而且老百姓對(duì)城市信息的服務(wù)提出了更高的要求，過(guò)去的平面地圖、影像已經(jīng)不能滿足需要。不僅要求是三維的，而且是三維建模的，而且要真實(shí)的、彩色的、精細(xì)的、準(zhǔn)確的三維模型?？墒沁^(guò)去城市三維技術(shù)成本很高，一個(gè)平方有的需要十萬(wàn)塊錢(qián)，因此急需一個(gè)快速、廉價(jià)的，比過(guò)去效率更高的建模方法。

中國(guó)測(cè)繪研究院名譽(yù)院長(zhǎng)、中國(guó)工程院院士、研究員 劉先林

傾斜攝影

過(guò)去我們做了SWDC- 4，把這個(gè)一改就可以改成5頭的攝影機(jī)，這個(gè)攝影機(jī)最近在長(zhǎng)春進(jìn)行了飛行，在浙江演示了相應(yīng)的系統(tǒng)，反映相當(dāng)不錯(cuò)。SWDC-4焦距短使得影像有一些差別。這一次用長(zhǎng)焦距，影像質(zhì)量大大提高。這個(gè)像機(jī)過(guò)去曾經(jīng)引進(jìn)了一臺(tái)，是1200像素，我們是4千萬(wàn)像素，因此質(zhì)量提高。而且每張照片都有姿態(tài)，意味著很方便可以往墻上貼，比地面上采集的效率高多了，目前后處理軟件還沒(méi)有得到發(fā)展。

今后很可能傾斜攝影是很重要的辦法。因?yàn)樗梢詿o(wú)限制地在空間飛行，影像很清楚。從照片上來(lái)看，地面的紋理很清楚，人都可以看得很清楚，街道，斑馬線，甚至體育場(chǎng)上的字，因?yàn)槭切迸亩伎梢钥吹?，你到地面拍，照片一方面小，而且沒(méi)有姿態(tài)，使得貼起紋理很麻煩。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，相繼的平面差很小，幾何精度很高，可以進(jìn)行空間探測(cè)測(cè)量。后處理來(lái)看，現(xiàn)在在緊鑼密鼓的做，后處理軟件目前還跟不上。

用這個(gè)相機(jī)，首先，可以直接用傾斜照片服務(wù)，美國(guó)公司的產(chǎn)品有傾斜照片數(shù)據(jù)庫(kù)，可以隨時(shí)把這個(gè)地方，拍到這個(gè)地方幾張傾斜照片調(diào)出來(lái)，可以有立體的感覺(jué)，而且可以量出水平距離和垂直距離，量斜距還有問(wèn)題。拿傾斜照片直接服務(wù)不是我們最終理想，最終理想是建模。

另外也可以做空中三角測(cè)量，雖然照片之間的重疊度不像傳統(tǒng)攝影60%或30%，但是基于地面每一個(gè)點(diǎn)，都經(jīng)過(guò)了五根光線的拍照，因此從理論上完全可以做光速法平差，因此連POS也不一定，有這些方案目前在緊鑼密鼓的做實(shí)驗(yàn)。

SSW- 2車(chē)載激光建模測(cè)量車(chē)

這是我在首都師范大學(xué)兼職做的車(chē)載激光建模測(cè)量車(chē)，這從2004年就開(kāi)始做這個(gè)，但是2004、2005、2006都搞航空照相機(jī)去了。我在2006年以后經(jīng)過(guò)了很艱苦的過(guò)程，激光先是用四科激光，然后轉(zhuǎn)成國(guó)產(chǎn)的廣電院的激光。國(guó)外的車(chē)普遍選型比較低，我們也是第一次搞不敢選比較高的POS，基本上選5-10年的水平，但是是國(guó)產(chǎn)的，價(jià)格要便宜一倍，竣工的激光陀螺。我們車(chē)子研制成功，最重要的是把國(guó)內(nèi)兩個(gè)關(guān)鍵設(shè)備，一個(gè)激光、一個(gè)陀螺，把它促成國(guó)產(chǎn)化。過(guò)去這些東西都是靠進(jìn)口，一方面貴，另一方面打破了國(guó)外POS產(chǎn)品的壟斷。國(guó)產(chǎn)的POS出來(lái)以后，外國(guó)的POS廠商不是禁運(yùn)反而找上門(mén)來(lái)推銷(xiāo)。

硬件的配置可以用商務(wù)車(chē)，也可以用普通的越野車(chē)，商務(wù)車(chē)也可以。這套設(shè)備有舉升臺(tái)，有一個(gè)控制計(jì)算機(jī)PC104，有一個(gè)掃描激光器，激光陀螺是國(guó)產(chǎn)的，照相機(jī)有三款可以選。這個(gè)車(chē)不僅可以推走還可以轉(zhuǎn)走，我們把地面激光搬到車(chē)上去，下面加一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)，這樣就是一個(gè)可移動(dòng)的地面激光，因?yàn)橛蠫PS接受器和AMU，所以輸出的是絕對(duì)坐標(biāo)，直接可以得到點(diǎn)云。再一個(gè)后處理的工作站DY-2，這是車(chē)載激光中很重要的一個(gè)設(shè)備，如果沒(méi)有這個(gè)工作站使后處理工作很麻煩，后處理基本上自動(dòng)的，有一些交互。全數(shù)字?jǐn)z影工作站是完全一樣的工作系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的觀察，立體觀察。

軟件有組合導(dǎo)航軟件，融合軟件，生成絕對(duì)坐標(biāo)，點(diǎn)云實(shí)體化分類(lèi)，三維建模，DY-2點(diǎn)云工作站。這要提一下點(diǎn)云實(shí)體化和自動(dòng)分類(lèi)，現(xiàn)在點(diǎn)云都是三維為主，二維數(shù)據(jù)至少可以分層顯示，而且在二維實(shí)體化沒(méi)有做好，使得二維運(yùn)行比較麻煩，到三維最低限度得有層可以分層顯示，我只看電線桿，只看路燈，只看立交橋或垃圾筒，因?yàn)闆](méi)有RD碼，有這個(gè)碼才能管起來(lái)，現(xiàn)在做的系統(tǒng)爭(zhēng)取做到這一點(diǎn)，自動(dòng)把類(lèi)分出來(lái)，自動(dòng)把實(shí)體化做出來(lái)，這為將來(lái)真正3D的GRS提供條件。我們這套系統(tǒng)指標(biāo)都很高，射程達(dá)300米，陀螺的精度也很高，選擇漂移1%度，側(cè)角精度也很高，所以普遍選的設(shè)備都是高精度的，售價(jià)不高，比外國(guó)車(chē)便宜一半，而且相機(jī)有很多選擇。

整個(gè)車(chē)的調(diào)效是一個(gè)關(guān)鍵，包括激光的調(diào)校，組合調(diào)校，激光和POS組合檢校，如果沒(méi)有檢校就沒(méi)有精度，沒(méi)有精度就沒(méi)法分類(lèi)。還有你POS合不合要求，國(guó)產(chǎn)和外國(guó)要加在一起，同時(shí)來(lái)考測(cè)，看兩個(gè)數(shù)字是不是一樣，現(xiàn)在看來(lái)國(guó)產(chǎn)的POS也還不錯(cuò)。檢校后的相機(jī)就完全正常了。我們?cè)诒本┑娜h(huán)、二環(huán)路做了一些實(shí)驗(yàn)，路面高層可以達(dá)到2公分以下，由于這么高的精度，對(duì)后面自動(dòng)分類(lèi)提供很有利的基礎(chǔ)。

整個(gè)過(guò)程還要進(jìn)行高精度的組合導(dǎo)航，要考慮很多問(wèn)題，比如子午線收斂角，84系和地方坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，偏心角和求解和精化，重力模型的導(dǎo)入，垂線偏差的引入等，所以這些數(shù)字都要搞準(zhǔn)確，否則組合導(dǎo)航輸出不了精確的數(shù)據(jù)。在北京做了很多實(shí)驗(yàn)。我們轉(zhuǎn)掃也有精度，代替了地面激光，可以達(dá)到10公分的精度水平。我們?cè)谌齺?、石家莊、廈門(mén)、北京測(cè)繪院，北京三、四環(huán)做了很多實(shí)驗(yàn)，可以看到紫竹橋立交橋點(diǎn)云分布很準(zhǔn)確。

這個(gè)設(shè)備有什么特點(diǎn)？射程長(zhǎng)，角度大，片率高，IMU精度高，關(guān)鍵器件國(guó)產(chǎn)化，而且可以享受后續(xù)的升級(jí)。測(cè)量車(chē)大家不知道有什么用，其實(shí)這個(gè)測(cè)量車(chē)有很多地方可以用，列舉了很多，比如我這里面沒(méi)有提到的，比如房屋的節(jié)能改造，你要設(shè)計(jì)保溫層，你首先要對(duì)房子進(jìn)行掃描，高速公路資產(chǎn)調(diào)查，特別是有兩點(diǎn)需要提到，一個(gè)是三維導(dǎo)航地圖，現(xiàn)在地圖是二維的，將來(lái)會(huì)發(fā)展成三維，三維的下一步是什么？是虛實(shí)相結(jié)合的，把數(shù)據(jù)庫(kù)里的東西投影到街上，這種所謂虛實(shí)結(jié)合的增強(qiáng)的三維導(dǎo)航系統(tǒng)，國(guó)外已經(jīng)看到報(bào)道了，北理工也有團(tuán)隊(duì)搞這個(gè)。所以三維導(dǎo)航數(shù)據(jù)有可能會(huì)用。另外這個(gè)車(chē)如果可以快速把三維模型建起來(lái)。

后期處理是關(guān)鍵，主要依靠點(diǎn)云工作站，點(diǎn)云工作站目前還不是用來(lái)測(cè)圖，主要是想通過(guò)點(diǎn)云工作站，要實(shí)行快速的分類(lèi)，快速的實(shí)體化，和快速的建模。

我們目前的工作主要在做自動(dòng)分類(lèi)和自動(dòng)實(shí)體化，還有一個(gè)邊際問(wèn)題叫增刪減，最后要矢量化建模，當(dāng)然建模不一定都要經(jīng)過(guò)矢量化，為什么要先分類(lèi)后建模，不同類(lèi)建模方案不一樣的，有的用紋理分，有的用材質(zhì)，有的用符號(hào)。還有一個(gè)宏分類(lèi)，要先學(xué)習(xí)進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi)。我們最終的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)所謂的新的網(wǎng)上街景，發(fā)布真三維的模型，而不是照片。