三維實(shí)景地圖生產(chǎn)與應(yīng)用

曹培國(guó),姚磊，李奎英，趙倩

(1.山東省地質(zhì)測(cè)繪院，山東 濟(jì)南 250002；2.山東省國(guó)土資源廳政務(wù)大廳，山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

三維實(shí)景地圖即真實(shí)三維地圖，是多項(xiàng)高新科學(xué)技術(shù)相結(jié)合的新興產(chǎn)物，是一種顛覆性的創(chuàng)新產(chǎn)品，是二維地圖和模擬立體地圖無(wú)法比擬的。它不僅可用于社會(huì)公共事業(yè)管理，還可以讓網(wǎng)民用來(lái)網(wǎng)上搜索興趣點(diǎn)，讓人們足不出戶，身臨其境地了解內(nèi)、外部環(huán)境。

地圖伴隨社會(huì)與科技進(jìn)步，從平面二維地圖發(fā)展到三維模擬地圖，又由三維模擬地圖發(fā)展到今天的實(shí)景地圖?？梢哉f，地圖鐫刻著時(shí)代進(jìn)步的烙印，地圖發(fā)展也是社會(huì)文明程度的一種重要標(biāo)志[1]。

模擬三維地圖是通過人工拍攝獲取建筑物的外形，而后將各個(gè)孤立的單視角3D模型無(wú)縫集成[2]，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(shí)地理信息為基礎(chǔ)，基于WEBGIS和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的[3]。它可以通過多種方式(諸如采用人工拍照方式采集)獲得實(shí)際三維的地理信息，將獲得的地理信息進(jìn)行加工拼接，通過建模的方式加以整理，最后以虛擬現(xiàn)實(shí)的方式呈現(xiàn)。

全景地圖也稱為360度全景地圖、全景環(huán)視地圖[4]，是一種運(yùn)用數(shù)碼相機(jī)對(duì)現(xiàn)有場(chǎng)景進(jìn)行多角度環(huán)視拍攝之后，再利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行后期縫合，并加載播放程序來(lái)完成的一種三維虛擬展示技術(shù)。由多角度拍攝數(shù)張照片后，使用專業(yè)三維平臺(tái)建立數(shù)字模型，然后使用全景工具軟件制作而成?？梢允褂镁W(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(dòng)通信技術(shù)的換代升級(jí)，各種移動(dòng)手持終端的普及使用，全景地圖越來(lái)越受到重視，已經(jīng)普及到普通消費(fèi)者。

實(shí)景地圖也稱為可量測(cè)實(shí)景影像，是利用三維全景技術(shù)建立的地圖，它實(shí)際上是一種以近景攝影測(cè)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[5]。將原始的立體影像(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(cè)影像存儲(chǔ)和管理起來(lái)，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(cè)、調(diào)繪和標(biāo)注出他們所需要的空間目標(biāo)信息[6]。實(shí)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(shí)的地物地貌，可以從不同視角觀察地物、地貌。近年來(lái)，隨著飛艇、無(wú)人駕駛飛機(jī)、飛機(jī)和衛(wèi)星等空中飛行工具的發(fā)展，獲得了一個(gè)全新的視角，并可以進(jìn)行全方位的拍攝，實(shí)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(shí)代即將到來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)深度結(jié)合，必將加速實(shí)景地圖的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用。實(shí)景地圖應(yīng)用模式主要為Web網(wǎng)頁(yè)在線服務(wù)和移動(dòng)終端實(shí)景App地圖服務(wù)[7]。實(shí)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(shí)景地圖不僅會(huì)改變?nèi)藗兊纳詈蜕a(chǎn)方式，也將引起測(cè)繪地理信息行業(yè)深度變革。

1 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)實(shí)景地圖生產(chǎn)介紹及實(shí)例展示

實(shí)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，它是基于實(shí)物拍攝、數(shù)據(jù)抽象采集技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。傳統(tǒng)實(shí)景地圖通過移動(dòng)道路測(cè)量系統(tǒng)采集得到[8]。

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(cè)量車進(jìn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)以及全景相片數(shù)據(jù)，其中激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)為具有真實(shí)空間三維坐標(biāo)點(diǎn)的集合，可設(shè)置常規(guī)坐標(biāo)系統(tǒng)[9]。很多機(jī)關(guān)單位、科研院所、社區(qū)面向道路的一面激光能夠掃描得到，而背對(duì)街道的或側(cè)對(duì)道路的方向無(wú)法得到。并且由于道路兩側(cè)樹木、各種城市部件的遮擋，降低了實(shí)景可視性，對(duì)于廣大使用者可以滿足應(yīng)用要求，但對(duì)于政府部門和高端使用者來(lái)講地圖的可量測(cè)性受到了較大限制。

隨著低空飛行平臺(tái)技術(shù)的成熟，傾斜攝影技術(shù)的快速發(fā)展，利用低空無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全方位的空間地理信息數(shù)據(jù)采集[10]，包括地表影像及建筑物的側(cè)面紋理；通過航測(cè)與遙感數(shù)據(jù)處理軟件，可實(shí)現(xiàn)360°全方位的真實(shí)場(chǎng)景地圖。相對(duì)于移動(dòng)道路測(cè)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，并可以低空俯視、平視等多角度觀測(cè)，大幅度提高了地圖的直觀可視性，拓寬了地圖的視角觀測(cè)廣度，很大程度上解決了全景地圖的可量測(cè)性[11]。它提供了每個(gè)地理位置的360°真實(shí)場(chǎng)景，并且具有漫游、搜索、分享等功能，解決了傳統(tǒng)電子地圖完整性和直觀性不好的問題[12]。無(wú)人機(jī)具有機(jī)動(dòng)、快速、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，以無(wú)人機(jī)作為航空攝影平臺(tái)能夠快速高效地獲取高質(zhì)量、高分辨率的影像[13]。

1.1 硬件配置

利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影飛行，采用大疆PHANTOM 3 PRO版平臺(tái)，平臺(tái)相關(guān)硬件參數(shù)信息如表1～3所示，其中表1為無(wú)人機(jī)參數(shù)，表2為相機(jī)參數(shù)，表3為數(shù)據(jù)處理服務(wù)器參數(shù)。

表1 無(wú)人機(jī)參數(shù)

表2 相機(jī)參數(shù)

表3 數(shù)據(jù)處理服務(wù)器參數(shù)

1.2 數(shù)據(jù)處理

1.2.1 數(shù)據(jù)處理流程

目前主流的3D建模軟件有Smart3D Capture、PhotoMesh、PhotoScan、街景工廠系統(tǒng)等，相較于傳統(tǒng)空中三角測(cè)量軟件，在操作模式上，Smart3D可以實(shí)現(xiàn)一鍵操作。

實(shí)景地圖生產(chǎn)流程：建立項(xiàng)目文件、調(diào)入影像數(shù)據(jù)及相機(jī)參數(shù)、選擇坐標(biāo)系及像控點(diǎn)測(cè)量、提交空三計(jì)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)、模型拼接。數(shù)據(jù)處理流程圖如圖1。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程圖

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

(1)準(zhǔn)備工作。原始影像存放路徑用Excel表格表達(dá)，控制點(diǎn)坐標(biāo)用Excel表格表達(dá)，并且格式符合軟件要求，便于數(shù)據(jù)處理應(yīng)用。

(2)進(jìn)行影像檢查，刪除多余影像及附屬數(shù)據(jù)，檢查影像組的完整性。

(3)快速空中三角測(cè)量計(jì)算時(shí)，采樣率設(shè)置為25%，雖然空三的精度不是很高，但是這樣數(shù)據(jù)處理的速度加快，快速空三主要是便于后期進(jìn)行控制點(diǎn)刺點(diǎn)時(shí)，能夠預(yù)測(cè)大概的外置，方便進(jìn)行刺點(diǎn)工作。

(4)影像控制點(diǎn)測(cè)量是在快速空中三角測(cè)量之后，精密空中三角測(cè)量之前進(jìn)行，首先要根據(jù)像控點(diǎn)坐標(biāo)系，選擇相應(yīng)的坐標(biāo)系統(tǒng)及中央子午線(如xian80，3度帶，中央子午線117°)。根據(jù)野外采集的像控點(diǎn)照片，進(jìn)行刺點(diǎn)，盡可能在像控點(diǎn)所在的每張影像上量測(cè)。

(5)精密空中三角測(cè)量中，采樣率設(shè)置為100%，進(jìn)行添加控制點(diǎn)后的精密空三計(jì)算。

(6)三維模型的構(gòu)建工作，在空間參考系統(tǒng)中選擇相應(yīng)的坐標(biāo)系統(tǒng)(與控制點(diǎn)保持一致，如xian80，3度帶，中央子午線117°)；外圍無(wú)效區(qū)域已經(jīng)裁剪，只選取有效作業(yè)區(qū)域參與建模；切塊選擇規(guī)則立體切塊(測(cè)區(qū)很大，數(shù)據(jù)處理要占用很大的內(nèi)存，分成很多小塊降低了內(nèi)存的占用)。調(diào)節(jié)瓦片大小，查看RAM使用量，不要超過電腦的最大內(nèi)存。

(7)模型輸出，模型數(shù)據(jù)格式選擇，其中S3C便于瀏覽器查看三維模型，OSGB可用于EPS軟件讀取進(jìn)行三維描圖使用；紋理貼圖時(shí)，JPEG質(zhì)量選擇100%；空間參考系統(tǒng)選擇跟控制點(diǎn)相一致；范圍設(shè)置為：已標(biāo)記瓦片數(shù)據(jù)至選擇集。

(8)模型拼接，對(duì)于多架次模型存在拼接問題，現(xiàn)將各架次精密空中三角測(cè)量成果合并，然后再按照上述流程進(jìn)行三維模型生產(chǎn)。

(9)全景地圖可以全方位任意角度展示，由于紙媒展示受限，特選取生產(chǎn)實(shí)例全景地圖4個(gè)不同方位低空角度圖片展示效果。全景地圖實(shí)例展示如圖2。

圖2 全景地圖實(shí)例展示

2 實(shí)景地圖應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景

2.1 實(shí)景地圖應(yīng)用現(xiàn)狀

實(shí)景地圖服務(wù)以真實(shí)直觀的現(xiàn)實(shí)實(shí)景，與傳統(tǒng)的二維平面地圖導(dǎo)航相結(jié)合，給用戶帶來(lái)更真實(shí)的視覺效果。目前，國(guó)內(nèi)實(shí)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(guó)街景、天地圖街景。谷歌街景地圖服務(wù)，已在全球多個(gè)國(guó)家、地區(qū)推出了街景地圖。騰訊也早已發(fā)布了SOSO街景地圖移動(dòng)版，用戶可以通過平板電腦、安卓和蘋果手機(jī)SOSO街景地圖客戶端使用這一產(chǎn)品[14]。

隨著低空航空攝影測(cè)量技術(shù)研究和應(yīng)用不斷深入，其成果和水平也成為各國(guó)科技發(fā)展水平的標(biāo)志之一[15]。實(shí)景地圖應(yīng)用典型的是“我秀中國(guó)”網(wǎng)站，“我秀中國(guó)”是采用當(dāng)今最先進(jìn)移動(dòng)測(cè)量及實(shí)景地圖技術(shù)打造的實(shí)景地圖服務(wù)網(wǎng)站，好比將一個(gè)個(gè)“實(shí)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(jí)的街景影像，提供的實(shí)景地圖覆蓋北京、上海、廣州、成都、深圳、香港、澳門等100多個(gè)城市。

實(shí)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(shí)為政府機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位、商家企業(yè)提供宣傳互動(dòng)的快速通道；參與數(shù)字城市乃至智慧城市的建設(shè)[16]；為人們的日常生活、網(wǎng)上辦事和網(wǎng)絡(luò)娛樂等活動(dòng)提供便捷的解決方案。

2.2 發(fā)展前景

實(shí)景地圖伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)的進(jìn)步而得到快速發(fā)展[17]。以實(shí)景地圖為基礎(chǔ)平臺(tái)，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(shí)VR及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR和混合現(xiàn)實(shí)MR，必將推動(dòng)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[18]，同時(shí)促進(jìn)自動(dòng)駕駛汽車技術(shù)的應(yīng)用推廣。實(shí)景地圖擴(kuò)展應(yīng)用對(duì)礦業(yè)系統(tǒng)可量測(cè)礦堆的體積，尾礦庫(kù)的庫(kù)容計(jì)算，隧道檢測(cè)，跨河大橋的橋梁檢測(cè)，高精度的實(shí)景地圖可用于文物保護(hù)及修復(fù)[19]。實(shí)景地圖還可以廣泛應(yīng)用于災(zāi)情監(jiān)測(cè)、災(zāi)害救援、區(qū)域規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。實(shí)景地圖可進(jìn)一步發(fā)展作為虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)、帶有時(shí)光隧道的歷史實(shí)景地圖回溯，這些都需要大數(shù)據(jù)的支持。由于實(shí)景地圖不僅具有從不同角度進(jìn)行瀏覽地物的功能，還具有高精度的量測(cè)地物空間位置及大小的特點(diǎn)[20]，因此，實(shí)景地圖可以廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、不動(dòng)產(chǎn)管理、農(nóng)業(yè)普查等行業(yè)[21]。隨著移動(dòng)通訊5G時(shí)代的到來(lái)，實(shí)景地圖就像手機(jī)一樣，人們的生活將離不開它。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)實(shí)景地圖服務(wù)網(wǎng)站所提供的多為三維街景圖，還不是真正意義上的三維實(shí)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(shí)景地圖生產(chǎn)工作量大，生產(chǎn)實(shí)景地圖受空管因素影響，生產(chǎn)時(shí)間不可控因素較大。另外，該項(xiàng)工作需要大量資金。

實(shí)景地圖關(guān)乎著國(guó)家安全、人民的財(cái)產(chǎn)安全、個(gè)人信息及隱私安全[22]。因此，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)實(shí)景地圖生產(chǎn)過程的監(jiān)督和檢查，對(duì)外公開的實(shí)景地圖應(yīng)進(jìn)行脫密處理。

隨著實(shí)景地圖近年來(lái)發(fā)展和應(yīng)用，特別在日常生活中的應(yīng)用。產(chǎn)生了多種實(shí)景地圖的生產(chǎn)方法和生產(chǎn)流程，產(chǎn)品質(zhì)量不一而足。目前，采用輕型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可以生產(chǎn)全景地圖，且方便、高效、質(zhì)量較好。是一種比較切實(shí)可行的作業(yè)模式。

該文介紹了采用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)生產(chǎn)三維實(shí)景地圖的生產(chǎn)方法和過程。詳述了實(shí)景地圖應(yīng)用現(xiàn)狀、發(fā)展前景及目前實(shí)景地圖存在的問題。提供給從業(yè)人員一種可行的生產(chǎn)實(shí)景地圖解決方案。當(dāng)然，實(shí)景地圖還有許多的技術(shù)有待進(jìn)一步提高、探索和研究，相關(guān)技術(shù)的發(fā)展會(huì)不斷提高實(shí)景地圖的生產(chǎn)制作水平，實(shí)景地圖的應(yīng)用也將越來(lái)越廣泛。