傾斜攝影開創(chuàng)實(shí)景三維智慧城市新時(shí)代

文｜黃楊

黑龍江省測繪科學(xué)研究所自2013年底引進(jìn)歐洲空客集團(tuán)“街景工廠”傾斜攝影三維建模軟件以來，致力于傾斜攝影測量相關(guān)技術(shù)的研究與實(shí)踐，以智慧城市建設(shè)項(xiàng)目為開端，將傾斜攝影實(shí)景三維、真正射影像等一系列傾斜攝影成果應(yīng)用在國土、規(guī)劃、城管、警務(wù)等社會各行業(yè)的智慧城市建設(shè)管理中。并從常規(guī)高空傾斜攝影測量逐漸深入至中低空高分辨率領(lǐng)域，率先引入“輕型無人機(jī)傾斜攝影平臺”，并結(jié)合“基于弱POS數(shù)據(jù)的精度控制”等研究，生產(chǎn)出高質(zhì)量、高精度的實(shí)景三維模型，完成“高、中、低空”一整套的傾斜攝影解決方案。為更好的貼近行業(yè)需求，黑龍江省測繪科學(xué)研究所集中科研力量自主研發(fā)基于OSG數(shù)據(jù)的“科思地圖（KysMap）”實(shí)景三維應(yīng)用管理平臺，能夠面向用戶定制開發(fā)實(shí)用功能，滿足智慧城市建設(shè)中各行各業(yè)專業(yè)功能應(yīng)用需求。

傾斜攝影測量正在逐漸成為智慧城市建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)

黑龍江省測繪科學(xué)研究所將傾斜攝影技術(shù)首次應(yīng)用在智慧城市建設(shè)項(xiàng)目中，街景工廠以其高效率的作業(yè)方式成為實(shí)景三維建模的主力軍。其實(shí)景三維成果以高還原度的三維模型、高效率的作業(yè)方式成為新的智慧城市三維建模解決方案，通過傾斜攝影數(shù)據(jù)建立的實(shí)景三維產(chǎn)品，可服務(wù)于規(guī)劃、國土資源管理、城市管理、招商引資等方面。如在數(shù)字城管方面，高分辨率傾斜航片能夠較清晰的拍攝到作業(yè)區(qū)的建筑、附屬設(shè)施、環(huán)境材質(zhì)等信息。尤其是城市管理者關(guān)心的商服廣告牌、各種城市部件，不但能夠看清字體，還可以進(jìn)行三維量測，為城市管理提供依據(jù)。進(jìn)一步與城市監(jiān)控?cái)z像、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)智慧城市管理中的定性、定量分析，如違章?lián)尳?、占道?jīng)營等，為緩解城市管理矛盾提供技術(shù)手段，促進(jìn)城市管理智慧化的快速發(fā)展。以黑龍江省測繪科學(xué)研究所承擔(dān)的智慧城市建設(shè)為例，將傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用于警務(wù)GIS系統(tǒng)，在系統(tǒng)上線運(yùn)行的第一個(gè)月中犯罪率大幅度銳減，為該市同期最低，起到很好的震懾作用，該系統(tǒng)也成為黑龍江警務(wù)系統(tǒng)的樣板工程。

從模型的質(zhì)量上講，傳統(tǒng)人工建模的選擇性較強(qiáng)，許多部分會省略，比如平房、附屬設(shè)施等。在地表建模上，依賴于DEM數(shù)據(jù)的精度，地面材質(zhì)也很難真實(shí)表達(dá)，模型不真實(shí)成為使用上的瓶頸。而傾斜攝影技術(shù)構(gòu)建的實(shí)景三維模型為地表全要素還原，不僅建筑模型按比例還原，對地面、各種設(shè)施的精細(xì)TIN網(wǎng)表達(dá)也是依賴DEM信息生成的人工模型無法比擬的。在影像的真實(shí)度上，由于實(shí)景三維的材質(zhì)來自真實(shí)像片，而用來貼圖的多角度影像更是在多達(dá)數(shù)十張甚至上百張的影像中擇優(yōu)挑選，這種對真實(shí)世界的無差別還原是以往任何技術(shù)難以做到的。因此在模型結(jié)構(gòu)、建筑顏色、細(xì)節(jié)清晰度等方面更適合旅游體驗(yàn)、情景再現(xiàn)、應(yīng)急演練，給觀看者真實(shí)而震撼的感覺。

建立高中低空城市實(shí)景三維模型獲取傾斜攝影總體解決方案

黑龍江省測繪科學(xué)研究所在傾斜攝影技術(shù)研究初期以一千米左右航高的傾斜航攝為主，以街景工廠處理徠卡RCD30等高精度傾斜航攝儀數(shù)據(jù)為代表，所生產(chǎn)的實(shí)景三維成果固然具有高精度優(yōu)勢，但也承襲了高空拍攝地面紋理和顏色不一致、細(xì)節(jié)損失等缺點(diǎn)。隨著用戶對模型分辨率、顏色飽和度以及地面細(xì)節(jié)提出更高的要求，黑龍江省測繪科學(xué)研究所在中低空傾斜攝影領(lǐng)域開展進(jìn)一步研究。由于航片質(zhì)量決定了模型材質(zhì)細(xì)節(jié)，高分辨率的模型為城市管理帶來更多可能。逐漸輕便化的傾斜航拍鏡頭、微型POS系統(tǒng)也促進(jìn)了無人機(jī)拍攝的蓬勃發(fā)展。運(yùn)輸機(jī)以其作業(yè)效率高，飛行姿態(tài)好的優(yōu)勢成為數(shù)字城市制作的首選；而無人機(jī)、動(dòng)力三角翼則憑借起降方便、低空高分辨率作業(yè)、以及低成本的特點(diǎn)，在小區(qū)域精細(xì)數(shù)據(jù)的獲取上更加靈活。無人機(jī)傾斜影像構(gòu)建的實(shí)景三維模型，在窗戶、廣告牌文字、室外樓梯這些近地面的細(xì)節(jié)上處理更加豐富，因此許多行業(yè)應(yīng)用可進(jìn)行更深入的功能開發(fā)。

通過不同傾斜攝影平臺與傾斜相機(jī)的搭配試驗(yàn)，黑龍江省測繪科學(xué)研究所總結(jié)出高空常規(guī)運(yùn)輸機(jī)、中低空動(dòng)力三角翼和直升機(jī)、低空無人機(jī)等一整套傾斜攝影解決方案，滿足用戶從宏觀到微觀的建模需求。在生產(chǎn)過程中，曾出現(xiàn)飛行器POS精度低甚至無POS信息，導(dǎo)致模型精度不達(dá)標(biāo)的問題，黑龍江省測繪科學(xué)研究所技術(shù)團(tuán)隊(duì)通過在第三方軟件中恢復(fù)空三姿態(tài)的方法，解決了該問題。最后通過與歐洲空客公司反復(fù)技術(shù)交流，在街景工廠中通過改進(jìn)算法從根本上實(shí)現(xiàn)了無/弱POS數(shù)據(jù)處理，形成完整的數(shù)據(jù)處理解決方案。使傾斜攝影技術(shù)能夠滿足各行業(yè)需要，靈活定制高性價(jià)比的三維產(chǎn)品。

基于傾斜攝影大比例尺測圖等衍生產(chǎn)品研發(fā)

基于傾斜攝影的自動(dòng)化空三加密與建模優(yōu)勢，能夠在較短時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)高質(zhì)量、高精度的實(shí)景三維產(chǎn)品，既然模型能夠達(dá)到測繪級精度，那么在此基礎(chǔ)上進(jìn)行大比例尺（1 1000、1 500等）地形圖測繪工作，應(yīng)可生產(chǎn)出高質(zhì)量的測圖產(chǎn)品。遵循這個(gè)思路，黑龍江省測繪科學(xué)研究所經(jīng)過大量技術(shù)實(shí)驗(yàn)，并在“黑龍江測繪地理信息局”、“上海浦東新區(qū)海橋村”等多個(gè)測區(qū)進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)踐，經(jīng)外業(yè)檢驗(yàn)，測圖成果精度達(dá)到國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃的要求。并總結(jié)出基于低空高分傾斜攝影產(chǎn)品進(jìn)行大比例尺測圖的技術(shù)路線，該技術(shù)可為國土空間規(guī)劃、土地確權(quán)、城市網(wǎng)格管理、不動(dòng)產(chǎn)登記等工作提供客觀、真實(shí)、時(shí)效性強(qiáng)的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。其優(yōu)勢是將傳統(tǒng)全野外測圖工作轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)業(yè)加部分外業(yè)調(diào)繪，大量減少外業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，整體作業(yè)效率得到提升。尤其對新疆部分地區(qū)、山區(qū)等高危地勢地區(qū)地形圖的獲取，具有深遠(yuǎn)的意義。

在其他傾斜攝影衍生產(chǎn)品方面，黑龍江省測繪科學(xué)研究所結(jié)合用戶需求積極拓展思路，除點(diǎn)云、真正射影像等產(chǎn)品外，開發(fā)出任意角度鳥瞰圖產(chǎn)品，并應(yīng)用在“大學(xué)校園數(shù)字展示”、“長春市地籍管理”等項(xiàng)目中。該產(chǎn)品基于實(shí)景三維無級縮放的特點(diǎn)，可截取任意角度、任意分辨率的模型影像，在使用中更直觀，并可以噴繪成圖。在點(diǎn)云產(chǎn)品的研究中，黑龍江省測繪科學(xué)研究所通過空三點(diǎn)云抽稀、智能切片識別等技術(shù)，完成基于空三點(diǎn)云的DEM數(shù)據(jù)提取，并應(yīng)用在多個(gè)項(xiàng)目中。自此傾斜攝影技術(shù)可通過一次飛行獲取實(shí)景三維、真正射影像、DEM、大比例尺測圖成果等多種產(chǎn)品，提高了應(yīng)用過程中的技術(shù)性價(jià)比和市場競爭力。

自主應(yīng)用平臺——“科思地圖（KysMap）”建設(shè)

為使傾斜攝影生產(chǎn)的實(shí)景三維模型不僅僅停留在瀏覽的功能，應(yīng)用平臺建設(shè)已成為傾斜攝影一體化解決方案的重要環(huán)節(jié)。實(shí)景三維模型的格式為多層級OSGB格式，不兼容傳統(tǒng)三維地理信息平臺，需要在OSG圖形庫基礎(chǔ)上研發(fā)應(yīng)用平臺。為保障實(shí)景三維模型的高效運(yùn)行，黑龍江省測繪科學(xué)研究所集中資源進(jìn)行自主實(shí)景三維應(yīng)用平臺“科思地圖（KysMap）”研發(fā)。在研發(fā)過程中，配合街景工廠提供的諸如模型補(bǔ)面、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、矢量層套合等多種數(shù)據(jù)處理工具，突破了實(shí)景三維海量數(shù)據(jù)加載、數(shù)據(jù)單體化、壓平操作、實(shí)景三維數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等多個(gè)技術(shù)難關(guān)，目前已擁有屬性查詢管理、數(shù)據(jù)疊加、緩沖區(qū)分析等多個(gè)功能模塊，并實(shí)現(xiàn)了警用人口信息庫接入、攝像頭信息接入、人員與車輛定位等物聯(lián)網(wǎng)功能，為更多的行業(yè)用戶所接受。并在國土地籍管理、城市規(guī)劃管理、校園管理等多個(gè)項(xiàng)目中開展應(yīng)用，取得了良好的效果。

未來幾年中，傾斜攝影技術(shù)將廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、警務(wù)、應(yīng)急、城區(qū)管理等各個(gè)方面，傾斜攝影構(gòu)建的三維模型，比人工建模有更深刻的沉浸感，讓使用者能輕易識別出所在位置。隨著智慧城市建設(shè)不斷深入，各類行業(yè)應(yīng)用要想被公眾接受和使用，零學(xué)習(xí)成本的富信息數(shù)據(jù)必不可少。將實(shí)景三維作為智慧城市的本底數(shù)據(jù)，在其上開發(fā)各類行業(yè)應(yīng)用，則更容易被大眾所接受。繼“科思地圖”之后，黑龍江省測繪科學(xué)研究所將繼續(xù)在移動(dòng)端應(yīng)用中發(fā)力，延續(xù)智慧訥河、數(shù)字農(nóng)場中積累的移動(dòng)端成功開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，以HTML5技術(shù)為核心，開發(fā)實(shí)景三維APP應(yīng)用。將實(shí)景三維產(chǎn)品覆蓋至出行、餐飲、物流等位置服務(wù)的每個(gè)角落，讓大家所見即所得，真正做到生活盡在掌握。

傾斜攝影技術(shù)的未來

隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，地圖在互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用越來越廣泛，而實(shí)景三維模型為互聯(lián)網(wǎng)地圖服務(wù)提供了新鮮血液，給互聯(lián)網(wǎng)地圖應(yīng)用帶來新的啟發(fā)，它所提供的對微縮世界的瀏覽與真實(shí)的測量體驗(yàn)為廣大人民的工作與生活帶來極大的便利，將會創(chuàng)造更大的地圖服務(wù)市場。憑借傾斜攝影技術(shù)，全國幾百個(gè)地市級城市將率先完成市區(qū)海量建模，想象一下，偌大的城市在屏幕前變成一個(gè)小小的村落，結(jié)合VR眼鏡的虛擬體驗(yàn)，實(shí)景三維面前仿佛變得觸手可及，供人們欣賞與使用。而我們在傳統(tǒng)三維系統(tǒng)研究中取得的成果也將會延續(xù)，許多功能都可以方便的移植到實(shí)景三維中，只需更換數(shù)據(jù)，即可開展項(xiàng)目研發(fā)。發(fā)展迅速的3D打印技術(shù)還可將實(shí)景三維模型打印成實(shí)體沙盤，還有多源數(shù)據(jù)的二、三維聯(lián)動(dòng)顯示，與實(shí)景全景相結(jié)合實(shí)現(xiàn)空、天、地一體化的模型采集，這些均會增強(qiáng)實(shí)景三維的模型質(zhì)量，為公眾提供更友好的用戶體驗(yàn)、為行業(yè)提供更豐富的地理信息服務(wù)。