三維實景地圖的生產(chǎn)與應(yīng)用

曹培國

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三維實景地圖的生產(chǎn)與應(yīng)用

曹培國

山東省地質(zhì)測繪院，山東 濟南 250002

實景地圖近年來發(fā)展迅速，在日常生活中應(yīng)用廣泛，如旅游景點、賓館、銀行、政府服務(wù)中心等的空間位置查詢、服務(wù)內(nèi)容了解。實景地圖的生產(chǎn)方法、生產(chǎn)流程多種多樣，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。目前，利用輕型無人機系統(tǒng)可以實現(xiàn)全景地圖，且方便、高效，質(zhì)量較好。基于此，介紹了生產(chǎn)三維實景地圖的無人機系統(tǒng)以及三維實景地圖生產(chǎn)方法和過程，詳述了實景地圖應(yīng)用、發(fā)展現(xiàn)狀以及目前實景地圖存在的問題。

實景地圖；三維地圖；全景地圖；傾斜攝影

實景地圖即真實三維地圖，是多項高新科學(xué)技術(shù)相結(jié)合的新興產(chǎn)物，是具有顛覆性的創(chuàng)新產(chǎn)品，也是二維地圖和模擬立體地圖無法比擬的。不僅可以用來管理社會公共事業(yè)，而且還可以讓網(wǎng)民用來網(wǎng)上搜索，搜索興趣點的360°實景圖。實景地圖可以讓人們足不出戶，身臨其境的了解內(nèi)、外部環(huán)境。

1 緒論

隨著社會與科技進步，地圖從平面二維地圖發(fā)展到三維模擬地圖，又由模擬三維地圖發(fā)展到今天的實景地圖?？梢哉f，地圖鐫刻著時代進步的烙印，地圖發(fā)展也是社會文明程度的一種重要標(biāo)志。

模擬三維地圖是虛擬三維地圖通過人工拍攝獲取建筑物的外形，而后將各個孤立的單視角3D模型無縫集成，經(jīng)過虛擬美化處理以后，形成三維地圖數(shù)據(jù)文件。

虛擬三維地圖是以現(xiàn)實地理信息為基礎(chǔ)，基于Web GIS和虛擬現(xiàn)實技術(shù)所實現(xiàn)的?？梢酝ㄟ^任何方式（諸如采用人工拍照方式采集）獲得實際三維的地理信息，通常沒有實景三維地圖，對拍攝要求高。將獲得的地理信息進行加工拼接，通過建模的方式加以整理，最后以虛擬現(xiàn)實的方式呈現(xiàn)。

全景地圖也稱為360°全景地圖、全景環(huán)視地圖。是一種運用數(shù)碼相機對現(xiàn)有場景進行多角度環(huán)視拍攝之后，再利用計算機進行后期縫合，并加載播放程序來完成的一種三維虛擬展示技術(shù)。全景地圖由多角度拍攝數(shù)張照片后，使用專業(yè)三維平臺建立數(shù)字模型，然后使用全景工具軟件制作而成。可以使用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器或播放軟件在普通電腦上觀看。隨著網(wǎng)絡(luò)速度的不斷提升、移動通信技術(shù)的換代升級，以及各種移動手持終端的普及使用，全景地圖越來越受重視，使用普及到了普通消費者。

實景地圖也稱為可量測實景影像，是利用三維全景技術(shù)建立的地圖，它實際上是一種以近景攝影測量立體影像文件及其外方位元素構(gòu)成的基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品[1]。將原始的立體影像對（地面、航空或者航天影像），連同他們的外方位元素一起作為數(shù)字可量測影像存儲和管理起來，并在互聯(lián)網(wǎng)上提供必要的使用軟件，就有可能直接由用戶根據(jù)其需要去搜索、量測、調(diào)繪和標(biāo)注出他們所需要的空間目標(biāo)的信息[2]。實景地圖是利用三維全景（panorama）與二維地圖結(jié)合而創(chuàng)建的地圖，可以看到真實的地物地貌，可以從不同視角看觀察地物、地貌。近年來，隨著飛艇、無人駕駛飛機、飛機和衛(wèi)星等空中飛行工具的出現(xiàn)，獲得了一個全新的視角，并可以進行全方位的拍攝，實景三維地圖才得到真正的發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展，5G時代的到來，物聯(lián)網(wǎng)與移動互聯(lián)網(wǎng)深度結(jié)合，必將加速實景地圖的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用。實景地圖應(yīng)用模式主要為Web網(wǎng)頁在線服務(wù)和移動終端實景App地圖服務(wù)。實景三維地圖的直觀性、信息量和精確性遠(yuǎn)非傳統(tǒng)二維電子地圖可比。實景地圖不僅會改變?nèi)藗兊纳詈蜕a(chǎn)方式，也將引起測繪地理信息行業(yè)深度變革。

2 低空無人機系統(tǒng)繪制實景地圖

實景地圖是利用遙感或激光技術(shù)直接掃描建筑物的高度和寬度，最終形成三維地圖數(shù)據(jù)文件。實景地圖是基于實物拍攝、數(shù)據(jù)抽象采集技術(shù)實現(xiàn)的。傳統(tǒng)實景地圖通過移動道路測量系統(tǒng)采集得到[3]。

現(xiàn)行絕大部分網(wǎng)絡(luò)三維地圖生產(chǎn)，主要采用攝影測量車進行車載激光掃描，沿著道路拍攝。車載激光掃描系統(tǒng)獲取激光點云數(shù)據(jù)以及全景相片數(shù)據(jù)，其中激光點云數(shù)據(jù)為具有真實空間三維坐標(biāo)點的集合，可設(shè)置常規(guī)坐標(biāo)系統(tǒng)[4]。很多機關(guān)單位、科研院所、社區(qū)面向道路的一面能夠激光掃描得到，而背對街道的，或則說是側(cè)對道路的方向無法得到。此外，由于道路兩側(cè)樹木、各種城市部件的遮擋，降低了實景可視性，對于廣大使用者可以滿足應(yīng)用要求。對于政府部門和高端使用者來講地圖的可量測性受到了較大限制。

隨著低空飛行平臺技術(shù)的成熟，傾斜攝影技術(shù)的快速發(fā)展，利用低空無人機系統(tǒng)可以實現(xiàn)全方位的空間地理信息數(shù)據(jù)采集，包括地表影像及建筑物的側(cè)面紋理；通過航測與遙感數(shù)據(jù)處理軟件，可實現(xiàn)360°全方位的真實場景地圖。移動道路測量系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，減少了路邊樹木及各種城市構(gòu)筑物的遮擋，可以低空俯視、平視等多角度觀測，大幅提高了地圖的直觀可視性，拓寬了地圖的視角觀測廣度，很大程度上解決了全景地圖的可量測性。它提供了每個地理位置的360°真實場景，實現(xiàn)了漫游、搜索、分享等功能，解決了傳統(tǒng)電子地圖完整性和直觀性的問題[5]。

2.1 硬件配置

利用無人機傾斜攝影飛行，采用大疆PHANTOM 3 PRO版平臺。平臺相關(guān)詳細(xì)信息見表1、表2、表3。

表1 無人機參數(shù)

表2 相機參數(shù)

表3 數(shù)據(jù)處理服務(wù)器

2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理流程，見圖1。

圖1 傾斜數(shù)據(jù)處理流程圖

圖2 全景地圖不同方位圖片

目前主流的3D建模軟件有Smart 3D Capture、PhotoMesh、PhotoScan、街景工廠系統(tǒng)等，相較于傳統(tǒng)空中三角測量軟件，在操作模式上，Smart 3D可以實現(xiàn)一鍵操作。具體步驟為建立項目文件、調(diào)入影像數(shù)據(jù)及相機參數(shù)、選擇坐標(biāo)系及像控點量測、提交空三計算、提交重建任務(wù)（設(shè)置好邊界框、常規(guī)平面格網(wǎng)、瓷磚大小等）、提交生成產(chǎn)品（輸出三維模型）。如圖2全景地圖不同方位圖片。

3 實景地圖應(yīng)用現(xiàn)狀

實景地圖服務(wù)網(wǎng)以真實直觀的現(xiàn)實實景，與傳統(tǒng)的二維平面地圖導(dǎo)航相結(jié)合，給用戶帶來更真實的視覺效果[6]。目前，國內(nèi)實景地圖服務(wù)網(wǎng)站主要有：搜搜騰訊地圖、城市吧街景、百度街景、高德街景、我秀中國街景、天地圖街景。谷歌街景地圖服務(wù)，已在全球多個國家、地區(qū)推出了街景地圖。百度推出全景地圖。騰訊也早已發(fā)布了SOSO街景地圖移動版，用戶可以用過平板電腦、安卓和蘋果手機SOSO 街景地圖客戶端使用這一產(chǎn)品。

隨著低空航空攝影測量技術(shù)研究和應(yīng)用的不斷深入，其成果和水平也成為各國科技發(fā)展水平的標(biāo)志之一[7]。實景地圖應(yīng)用典型的是“我秀中國”?！拔倚阒袊笔遣捎卯?dāng)今最先進移動測量及實景地圖技術(shù)打造“我秀中國”的實景地圖服務(wù)網(wǎng)站，好比將一個個“實景城市”放在了互聯(lián)網(wǎng)上。該網(wǎng)站擁有數(shù)億張各種規(guī)格的精確到厘米級的街景影像，提供的實景地圖覆蓋北京、上海、廣州、成都、深圳、香港、澳門等100多個城市。

實景地圖集成生活資訊、電子政務(wù)、電子商務(wù)、虛擬社區(qū)、出行導(dǎo)航等一系列服務(wù)，為大眾提供地圖查詢、出行導(dǎo)航等地圖檢索功能，同時為政府機關(guān)、企事業(yè)單位、商家企業(yè)提供宣傳互動的快速通道；為人們的日常生活、網(wǎng)上辦事和網(wǎng)絡(luò)娛樂等活動提供便捷的解決方案。

4 發(fā)展前景

實景地圖隨著計算機技術(shù)和通信技術(shù)的進步而得到快速發(fā)展。以實景地圖為基礎(chǔ)平臺，搭建各行業(yè)數(shù)據(jù)或互聯(lián)各類傳感器數(shù)據(jù)，通過虛擬現(xiàn)實VR、及增強現(xiàn)實AR及混合現(xiàn)實MR、必將推動智慧城市、智慧交通、智慧電網(wǎng)、智慧醫(yī)療、智慧旅游、智慧環(huán)保、智慧安保等行業(yè)的發(fā)展，同時，促進自動駕駛汽車技術(shù)的應(yīng)用推廣。實景地圖擴展應(yīng)用在礦業(yè)系統(tǒng)中，可以量測礦堆的體積、計算尾礦庫的庫容、檢測隧道、檢測跨河大橋的橋梁以及保護修復(fù)文物。實景地圖還可以廣泛應(yīng)用于災(zāi)情監(jiān)測、災(zāi)害救援、區(qū)域規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。由于實景地圖不僅具有從不同角度進行瀏覽地物的功能，還具有高精度的量測地物空間位置及大小的特點，因此，實景地圖可以廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、不動產(chǎn)管理、農(nóng)業(yè)普查等行業(yè)。

5 存在的問題

目前，國內(nèi)實景地圖服務(wù)網(wǎng)站所提供的三維街景圖，還不是真正意義上的三維實景城市地圖，主要原因在于數(shù)據(jù)采集量大、數(shù)據(jù)處理及實景地圖生產(chǎn)工作量大，生產(chǎn)實景地圖受空管因素影響，生產(chǎn)時間不可控因素較大。另外，該項工作需要大量資金。

實景地圖關(guān)乎國家安全、人民財產(chǎn)安全、個人信息及隱私安全。因此，應(yīng)加強對實景地圖生產(chǎn)過程的監(jiān)督和檢查，對外公開的實景地圖應(yīng)進行脫密處理。

[1]柳佳佳，葛文.實景地圖的空間認(rèn)知研究[J].測繪工程，2015（3）：6-10.

[2]李德仁.論可測量實景影像的概念和應(yīng)用從4D產(chǎn)品到5D產(chǎn)品[J].測繪科學(xué)，2007，32（4）：5-7.

[3]狄琳.實景影像地圖的特點和技術(shù)審查探討[J].測繪與空間地理信息，2010，33（4）：130-132.

[4]張擁軍，等.基于車載點云數(shù)據(jù)的實景可量測技術(shù)研究[J].山東省國土資源，2017，33（4）：71-74.

[5]李海亭.城市地理信息系統(tǒng)中的全景地圖技術(shù)研究[J].城市勘測，2011（3）：39-43.

[6]韓光輝，等.中國實景地圖服務(wù)的現(xiàn)狀與思考[J].資源開發(fā)與市場，2015，31（1）：100-102.

[7]謝建春.利用無人飛艇獲取的影像資料制作DOM的實踐[J].山東省國土資源，2012，28（7）：35-37.

Production and Application of Three-Dimensional Real Map

Cao Peiguo

Shandong Geo-Surveying and Mapping Institute, Shandong Jinan 250002

The real map has been developing rapidly in recent years, and has widely used in daily life, such as tourist attractions, hotels, banks, government service center of the space position of the query and service content. There are various production methods, production processes, product quality is uneven. At present, the use of lightweight unmanned aerial vehicle (uav) system can realize the panoramic map, which are convenient, efficient and quality is better. Based on this, the paper introduces the production of three-dimensional map of UAV system of real 3D map production method and process, deeply Details the live-action maps, development situation and problems existing in current live map.

real map; 3D map; panoramic map; oblique photography

P283

A

曹培國（1974—），男，山東冠縣人，碩士，高級工程師，現(xiàn)主要從事工程測量、攝影測量與遙感技術(shù)方面的應(yīng)用與研究工作。