基于無(wú)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(guò)基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維模型的一些應(yīng)用案例，對(duì)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(cè)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(wú)人機(jī)傾斜攝影；三維模型；三維成圖；斷面提??；三維GIS平臺(tái)

引言

傾斜攝影技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域近年來(lái)發(fā)展起來(lái)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(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜五個(gè)不同的角度采集影像，將用戶(hù)引入了符合人眼視覺(jué)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(guò)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(jí)的用戶(hù)體驗(yàn)，極大地?cái)U(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(wú)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(mén)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(jí)，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(chǔ)備

需要的關(guān)鍵技術(shù)有傳統(tǒng)測(cè)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(chǔ)技術(shù)等等。

1.1、傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)

首先，測(cè)繪知識(shí)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(cè)繪工作準(zhǔn)備：GPS控制、水準(zhǔn)測(cè)量、像控點(diǎn)布設(shè)及測(cè)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(shí)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(tái)計(jì)算機(jī)（或工作站、服務(wù)器等）通過(guò)互連網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，使它們像一臺(tái)計(jì)算機(jī)一樣地工作，從而可以獲得接近于或超過(guò)并行計(jì)算機(jī)計(jì)算和處理能力的技術(shù)。通過(guò)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(duì)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(guò)高速網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的計(jì)算機(jī)，它們構(gòu)成了一個(gè)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(gè)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(duì)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(duì)象實(shí)現(xiàn)單體和分層管理；通過(guò)構(gòu)建矢量面，完成單體模型屬性掛接，是目前簡(jiǎn)便易行的辦法，工作效率高。作者認(rèn)為，技術(shù)無(wú)止境，任何一種技術(shù)，都以服務(wù)客戶(hù)，解決問(wèn)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(hù)的使用過(guò)程中做好服務(wù)，通過(guò)用戶(hù)的應(yīng)用體驗(yàn)改進(jìn)系統(tǒng)，進(jìn)一步通過(guò)產(chǎn)品升級(jí)回饋用戶(hù)。

1.4、計(jì)算機(jī)海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)

在二維數(shù)據(jù)時(shí)代，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)用計(jì)算機(jī)自帶硬盤(pán)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(dòng)硬盤(pán)將數(shù)據(jù)導(dǎo)出來(lái)。但三維時(shí)代，傾斜攝影無(wú)人機(jī)1天拍攝產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，隨便達(dá)到數(shù)個(gè)G，一個(gè)小型城市，傾斜攝影航拍產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)輕松超過(guò)1個(gè)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(chǔ)空間。數(shù)據(jù)量因“大”產(chǎn)生的讀取、運(yùn)算、轉(zhuǎn)移問(wèn)題，必須要考慮用專(zhuān)業(yè)的硬件架構(gòu)，關(guān)系型SQR數(shù)據(jù)庫(kù)目前尚能滿(mǎn)足需求，今后，可能會(huì)趨向于NOSQL非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)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(cè)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(kù)技術(shù)可以開(kāi)發(fā)基于三維的GIS平臺(tái)，在國(guó)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(cè)試結(jié)果來(lái)看，傾斜攝影分辨率達(dá)到5cm時(shí)，獲得的三維模型精度可以滿(mǎn)足1：1000地形圖成圖要求。傾斜攝影分辨率達(dá)到3cm時(shí)，獲得的三維模型精度可以滿(mǎn)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(cè)工作。除此以外的其它區(qū)域，優(yōu)勢(shì)明顯，隨著航攝、無(wú)人機(jī)、建模等相關(guān)技術(shù)的日趨成熟，傳統(tǒng)的工程測(cè)量作業(yè)將會(huì)逐步航測(cè)化，內(nèi)業(yè)化，而效率會(huì)越來(lái)越高。

2.2、斷面提取

在勘測(cè)設(shè)計(jì)行業(yè)，線路設(shè)計(jì)工作是一個(gè)重要部分，傳統(tǒng)線路設(shè)計(jì)，需要現(xiàn)場(chǎng)踏勘，測(cè)設(shè)地形圖，在二維圖上選線，再到現(xiàn)場(chǎng)定線，測(cè)設(shè)斷面，工序多，成本高、工期長(zhǎng)，對(duì)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(cè)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(guò)原始點(diǎn)云分類(lèi)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(dòng)提取線路路縱、橫斷面。三維測(cè)繪技術(shù)將給傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工作帶來(lái)革命性的變革。

2.3、應(yīng)用于行業(yè)三維GIS平臺(tái)

“三維模型+行業(yè)”可以形成各行業(yè)的GIS平臺(tái)，例如，在國(guó)土部門(mén)可以開(kāi)發(fā)三維不動(dòng)產(chǎn)管理信息平臺(tái)；民政部門(mén)可以用于精準(zhǔn)扶貧；規(guī)劃部門(mén)可以用三維技術(shù)開(kāi)發(fā)輔助規(guī)劃決策信息系統(tǒng)；市政管理部門(mén)可以開(kāi)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(dòng)化管理；公安、維穩(wěn)部門(mén)可以使用城市三維模型用于安防布置、反恐、對(duì)特定人群的精準(zhǔn)定位等。以國(guó)土不動(dòng)產(chǎn)管理為例，不動(dòng)產(chǎn)登記三維管理信息系統(tǒng)通過(guò)將三維實(shí)景模型單體化、分戶(hù)；將不動(dòng)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(duì)戶(hù)、自然幢、邏輯幢、宗地信息進(jìn)行查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)分析；有效克服“外業(yè)調(diào)查指認(rèn)落宗耗時(shí)耗力、房屋落宗編號(hào)耗時(shí)長(zhǎng)、即時(shí)業(yè)務(wù)辦理不及時(shí)”等問(wèn)題，可以很好的提高不動(dòng)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(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，二維碼技術(shù)，三維實(shí)景技術(shù)，通過(guò)將三維實(shí)景模型與招商引資關(guān)聯(lián)起來(lái)，以動(dòng)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(shì)，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(guò)與微信小程序端結(jié)合，通過(guò)二維碼掃碼，直觀，快捷的了解招商區(qū)域的情況，隨時(shí)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(shí)，通過(guò)手機(jī)微信可以搜索到附近小程序，或者通過(guò)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(guò)景區(qū)VR，游客可以直觀了解景區(qū)吃喝玩樂(lè)購(gòu)物等。智慧景區(qū)微信小程序，與時(shí)俱進(jìn)，將三維模型應(yīng)用通過(guò)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(hù)信息，使得旅游、購(gòu)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(mén)案例應(yīng)用的一部分，僅供業(yè)內(nèi)人士參考。通過(guò)這兩年，利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)做的一些項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)的一些系統(tǒng)，我們確實(shí)感覺(jué)到了無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)優(yōu)勢(shì)和廣闊的市場(chǎng)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(xiǎn)救災(zāi)等方面。我想說(shuō)的是，當(dāng)我們測(cè)繪地理信息企業(yè)，在運(yùn)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，提高測(cè)繪本行業(yè)工作的同時(shí)，可以多關(guān)注、多了解國(guó)家、地方的各種政策，政府各部門(mén)的一些需求，這樣就可以讓無(wú)人機(jī)傾斜攝影成果得到更廣泛的運(yùn)用，挖掘更多的價(jià)值。

作者簡(jiǎn)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(cè)繪工程系（現(xiàn)長(zhǎng)安大學(xué)地測(cè)學(xué)院）工程測(cè)量專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)就職于新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司任測(cè)繪地理信息院。任航測(cè)遙感室主任，高級(jí)工程師，從事航測(cè)遙感及GIS項(xiàng)目。