基于無人機(jī)傾斜攝影的實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)應(yīng)用探索

摘 要：通過基于無人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維模型的一些應(yīng)用案例，對三維模型在數(shù)據(jù)生產(chǎn)階段、數(shù)據(jù)加工階段，大數(shù)據(jù)深度挖掘利用階段的應(yīng)用案例做了介紹，探索了三維模型在測繪地理信息行業(yè)以及其它行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)傾斜攝影；三維模型；三維成圖；斷面提??；三維GIS平臺

引言

傾斜攝影技術(shù)是國際測繪領(lǐng)域近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)。它顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從一個垂直、四個傾斜五個不同的角度采集影像，將用戶引入了符合人眼視覺的真實(shí)直觀世界。航空傾斜影像不僅能夠真實(shí)地反應(yīng)地物情況，而且可通過先進(jìn)的定位技術(shù)，嵌入精確的地理信息、更豐富的影像信息、更高級的用戶體驗(yàn)，極大地擴(kuò)展遙感影像的應(yīng)用領(lǐng)域，使遙感影像的行業(yè)應(yīng)用更加深入。無人機(jī)搭載傾斜相機(jī)的傾斜影像技術(shù)的引進(jìn)和應(yīng)用，拆掉了航拍作業(yè)的門檻，使得航拍作業(yè)成本更低、作業(yè)模式更靈活，效率更高；在模型精度上，已經(jīng)達(dá)到了厘米級，為三維技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

本文結(jié)合作者單位的工作實(shí)踐，初步探索了三維模型在一些行業(yè)上的應(yīng)用。本文中提到的三維模型，特指基于傾斜攝影技術(shù)的三維模型。

1、三維模型應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)儲備

需要的關(guān)鍵技術(shù)有傳統(tǒng)測繪技術(shù)、計(jì)算機(jī)集群數(shù)據(jù)處理技術(shù)、三維模型單體化技術(shù)、計(jì)算機(jī)海量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)等等。

1.1、傳統(tǒng)測繪技術(shù)

首先，測繪知識基礎(chǔ)不可或缺，要獲得帶有地理定位的精確模型，在航拍前期階段就需要做大量的測繪工作準(zhǔn)備：GPS控制、水準(zhǔn)測量、像控點(diǎn)布設(shè)及測量、投影及抵償面的選擇、坐標(biāo)系的選擇等等，總之，所獲得模型的數(shù)學(xué)基準(zhǔn)要與二維數(shù)據(jù)體系一致，或者確定換算關(guān)系。

1.2、計(jì)算機(jī)集群數(shù)據(jù)處理技術(shù)

不管用何種工具，三維模型的獲得需要計(jì)算機(jī)處理海量數(shù)據(jù)。比之單張拍攝，傾斜攝影一次拍攝5張相片，即時不考慮重疊度，數(shù)據(jù)已經(jīng)增加了5倍。要迅速處理數(shù)據(jù)，必須提升計(jì)算機(jī)的處理能力，計(jì)算機(jī)集群處理技術(shù)是目前行之有效的選擇。計(jì)算機(jī)集群（cluster）技術(shù)它是將若干臺計(jì)算機(jī)（或工作站、服務(wù)器等）通過互連網(wǎng)絡(luò)連接起來，使它們像一臺計(jì)算機(jī)一樣地工作，從而可以獲得接近于或超過并行計(jì)算機(jī)計(jì)算和處理能力的技術(shù)。通過集群技術(shù)，可以在付出較低成本的情況下獲得在性能、可靠性、靈活性方面的相對較高的收益，其任務(wù)調(diào)度則是集群系統(tǒng)中的核心技術(shù)。集群是一組相互獨(dú)立的、通過高速網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的計(jì)算機(jī)，它們構(gòu)成了一個組，并以單一系統(tǒng)的模式加以管理。

1.3、三維模型單體化技術(shù)

傾斜攝影獲得的實(shí)景三維模型是一個整體，如果模型不能單體化，則中看不中用。模型單體化方法有全要素分層法，構(gòu)建矢量面法等。全要素分層對傾斜三維模型按照建筑，水系，道路，電桿、植被、隔離帶等等的對象實(shí)現(xiàn)單體和分層管理；通過構(gòu)建矢量面，完成單體模型屬性掛接，是目前簡便易行的辦法，工作效率高。作者認(rèn)為，技術(shù)無止境，任何一種技術(shù)，都以服務(wù)客戶，解決問題為根本。新技術(shù)的推廣應(yīng)用要考慮經(jīng)濟(jì)因素、軟硬件設(shè)備因素，先讓產(chǎn)品落地，在用戶的使用過程中做好服務(wù)，通過用戶的應(yīng)用體驗(yàn)改進(jìn)系統(tǒng)，進(jìn)一步通過產(chǎn)品升級回饋用戶。

1.4、計(jì)算機(jī)海量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)

在二維數(shù)據(jù)時代，數(shù)據(jù)存儲用計(jì)算機(jī)自帶硬盤已經(jīng)足夠，容量為4G的電腦，一名技術(shù)人員可用好幾年，大不了用移動硬盤將數(shù)據(jù)導(dǎo)出來。但三維時代，傾斜攝影無人機(jī)1天拍攝產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，隨便達(dá)到數(shù)個G，一個小型城市，傾斜攝影航拍產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)輕松超過1個T，三維建模階段更是需要消耗數(shù)倍于原始數(shù)據(jù)的存儲空間。數(shù)據(jù)量因“大”產(chǎn)生的讀取、運(yùn)算、轉(zhuǎn)移問題，必須要考慮用專業(yè)的硬件架構(gòu)，關(guān)系型SQR數(shù)據(jù)庫目前尚能滿足需求，今后，可能會趨向于NOSQL非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫工具。

2、三維模型的應(yīng)用

三維模型在數(shù)據(jù)的獲取階段及數(shù)據(jù)分析加工階段都有著廣泛的應(yīng)用。在測繪行業(yè)，可以用三維模型生成大比例尺地形圖；提取工程斷面。在GIS應(yīng)用方面，三維模型是最直觀的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，三維模型+屬性數(shù)據(jù)庫技術(shù)可以開發(fā)基于三維的GIS平臺，在國土、公安、民政、稅務(wù)、市政、規(guī)劃等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。

2.1、大比例尺成圖

傾斜攝影航拍分辨率與獲得的三維模型精度約為1：3，從實(shí)際測試結(jié)果來看，傾斜攝影分辨率達(dá)到5cm時，獲得的三維模型精度可以滿足1：1000地形圖成圖要求。傾斜攝影分辨率達(dá)到3cm時，獲得的三維模型精度可以滿足1：500地形圖成圖要求。用三維模型成圖，在建筑物密集區(qū)、植被覆蓋率高的區(qū)域，需要加強(qiáng)實(shí)地調(diào)繪及補(bǔ)測工作。除此以外的其它區(qū)域，優(yōu)勢明顯，隨著航攝、無人機(jī)、建模等相關(guān)技術(shù)的日趨成熟，傳統(tǒng)的工程測量作業(yè)將會逐步航測化，內(nèi)業(yè)化，而效率會越來越高。

2.2、斷面提取

在勘測設(shè)計(jì)行業(yè)，線路設(shè)計(jì)工作是一個重要部分，傳統(tǒng)線路設(shè)計(jì)，需要現(xiàn)場踏勘，測設(shè)地形圖，在二維圖上選線，再到現(xiàn)場定線，測設(shè)斷面，工序多，成本高、工期長，對設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)要求高。傾斜攝影三維模型可以直接用于勘測公路、渠道、鐵路、地下管線、電力線等線路的踏勘、選線、定線工作。通過原始點(diǎn)云分類處理得到的地面點(diǎn)以及設(shè)計(jì)給的線路主線，還能自動提取線路路縱、橫斷面。三維測繪技術(shù)將給傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工作帶來革命性的變革。

2.3、應(yīng)用于行業(yè)三維GIS平臺

“三維模型+行業(yè)”可以形成各行業(yè)的GIS平臺，例如，在國土部門可以開發(fā)三維不動產(chǎn)管理信息平臺；民政部門可以用于精準(zhǔn)扶貧；規(guī)劃部門可以用三維技術(shù)開發(fā)輔助規(guī)劃決策信息系統(tǒng)；市政管理部門可以開發(fā)三維智慧城市管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)城市部件的智慧化，自動化管理；公安、維穩(wěn)部門可以使用城市三維模型用于安防布置、反恐、對特定人群的精準(zhǔn)定位等。以國土不動產(chǎn)管理為例，不動產(chǎn)登記三維管理信息系統(tǒng)通過將三維實(shí)景模型單體化、分戶；將不動產(chǎn)登記信息與三維模型進(jìn)行有效掛接，實(shí)現(xiàn)三維環(huán)境下的對戶、自然幢、邏輯幢、宗地信息進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)分析；有效克服“外業(yè)調(diào)查指認(rèn)落宗耗時耗力、房屋落宗編號耗時長、即時業(yè)務(wù)辦理不及時”等問題，可以很好的提高不動產(chǎn)統(tǒng)一登記管理的質(zhì)量和效率。

2.4、應(yīng)用于招商引資

充分利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，二維碼技術(shù)，三維實(shí)景技術(shù)，通過將三維實(shí)景模型與招商引資關(guān)聯(lián)起來，以動態(tài)的方式在三維環(huán)境下展示招商區(qū)域的經(jīng)濟(jì)狀況，區(qū)位優(yōu)勢，優(yōu)惠政策；實(shí)現(xiàn)在線實(shí)景考察招商區(qū)域的環(huán)境；通過與微信小程序端結(jié)合，通過二維碼掃碼，直觀，快捷的了解招商區(qū)域的情況，隨時隨地宣傳，查看招商區(qū)域情況，實(shí)現(xiàn)便利化的在線實(shí)景考察。

2.5、VR+實(shí)景三維+微信小程序在智慧景區(qū)中的應(yīng)用

實(shí)景三維模型+VR+微信小程序可以應(yīng)用于智慧景區(qū)，游客在景區(qū)游玩時，通過手機(jī)微信可以搜索到附近小程序，或者通過掃碼下載景區(qū)VR，有了景區(qū)VR，相當(dāng)于貼身導(dǎo)游，而且是免費(fèi)的。通過景區(qū)VR，游客可以直觀了解景區(qū)吃喝玩樂購物等。智慧景區(qū)微信小程序，與時俱進(jìn)，將三維模型應(yīng)用通過互聯(lián)網(wǎng)推送到手機(jī)，服務(wù)大眾。景區(qū)VR還可以關(guān)聯(lián)景區(qū)商戶信息，使得旅游、購物、宣傳推介有機(jī)結(jié)合，用手機(jī)作為媒介更便于大眾接受。

以上案例僅是作者結(jié)合本部門案例應(yīng)用的一部分，僅供業(yè)內(nèi)人士參考。通過這兩年，利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)做的一些項(xiàng)目，開發(fā)的一些系統(tǒng)，我們確實(shí)感覺到了無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)優(yōu)勢和廣闊的市場潛力。這項(xiàng)技術(shù)還可以運(yùn)用到智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)、智慧旅游、智慧水利、應(yīng)急維穩(wěn)、搶險救災(zāi)等方面。我想說的是，當(dāng)我們測繪地理信息企業(yè)，在運(yùn)用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，提高測繪本行業(yè)工作的同時，可以多關(guān)注、多了解國家、地方的各種政策，政府各部門的一些需求，這樣就可以讓無人機(jī)傾斜攝影成果得到更廣泛的運(yùn)用，挖掘更多的價值。

作者簡介

金輝 籍貫甘肅榆中縣，生于1973.06，男，1998年畢業(yè)于西安工程學(xué)院測繪工程系（現(xiàn)長安大學(xué)地測學(xué)院）工程測量專業(yè)，現(xiàn)就職于新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司任測繪地理信息院。任航測遙感室主任，高級工程師，從事航測遙感及GIS項(xiàng)目。