基于傾斜攝影測量建模的數(shù)字校園建設(shè)

張博源 駱元家 謝光雄

（柳州工學(xué)院 廣西·柳州 545000）

0 緒論

（1）研究的背景和意義。每一次移動通信網(wǎng)絡(luò)的升級，都帶動了新媒體的高速發(fā)展，從2G網(wǎng)絡(luò)的文字閱讀，到3G網(wǎng)絡(luò)的圖文、視頻，再到4G網(wǎng)絡(luò)的短視頻、直播，宣傳方式越來越多樣，用戶體驗越來越直觀；隨著時代發(fā)展，5G網(wǎng)絡(luò)即將走入尋常百姓家，在5G網(wǎng)絡(luò)的支持下，不難想象，這又將會一場新媒體宣傳方式的躍進。

而在測繪行業(yè)內(nèi)使用的傾斜攝影的三維實景模型，其具備近乎100%的實景還原度，且有獲取方便、承載信息多、讀取信息直觀等特點，他最大的問題就是數(shù)據(jù)量巨大，不方便用于網(wǎng)絡(luò)的即使展示，但在5G網(wǎng)絡(luò)的加持下，三維實景模型終將會走入千家萬戶。

（2）研究的內(nèi)容和目的。三維實景模型是數(shù)字校園的基礎(chǔ)，是智慧校園的基石，實景模型的質(zhì)量和可用性，直接影響了數(shù)字校園和智慧校園的建設(shè)，智慧校園就是智慧城市的縮影，實現(xiàn)智慧校園，再由小及大建設(shè)數(shù)字城市、智慧城市。

我把這個建設(shè)路徑分為三步走：第一步，建立區(qū)域?qū)嵕澳Ｐ停瑢崿F(xiàn)地物可視化；第二步，建立區(qū)域內(nèi)的地物信息數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)信息可視化；第三步，在區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)物互聯(lián)，實現(xiàn)萬物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市的終極形態(tài)。這就是本文的研究目的和項目的主體構(gòu)思。

照片1：現(xiàn)場照片（科教樓）

照片2：模型照片（科教樓）

（3）研究的現(xiàn)狀。目前已經(jīng)完全實現(xiàn)了上述的第一步，獲取可用的三維實景模型，該模型使用測繪行業(yè)內(nèi)的傾斜攝影技術(shù)完成，行業(yè)內(nèi)對此已具備相當完善的技術(shù)，通過無人機自動航攝、特殊面手動航拍和地面拍攝三者結(jié)合的方法，實現(xiàn)空地結(jié)合，提高了模型的精度和還原度；在信息交互方面，使用ArcGIS、3DMAX、DP等軟件給模型添加地物信息，可實現(xiàn)簡單的宣傳展示作用，在學(xué)校的宣傳和招新工作中可發(fā)揮很好的價值；在物聯(lián)網(wǎng)方面我們提出了很多設(shè)想，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是數(shù)字校園向智慧校園發(fā)展的關(guān)鍵一步，先建設(shè)好數(shù)字校園，再逐步完善改進為智慧校園。

1 數(shù)字校園建設(shè)

此次研究以柳州工學(xué)院為例，該學(xué)校占地1300畝，建筑面積33.15萬平方米；外業(yè)數(shù)據(jù)采集方面，使用六懸翼五鏡頭的中海達無人機，加上RTK采點作為像控點，共采集照片6150張，像控點十五個；內(nèi)業(yè)采用Smart 3D制作模型。

1.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集與資料整理

作業(yè)期間，首先進行了相控點布設(shè)，本次相控點選擇了地面特征點，以空曠路面上的的斑馬線、道路中心線、田徑場跑道線的拐角為像控點，具有永固性和便識性，坐標系使用CGCS2000國家大地坐標系，1985國家高程基準，使用衛(wèi)星接收機在已選的相控點上進行載波相位差分技術(shù)進行點位采集，連續(xù)復(fù)位采集三次，點位中誤差控制在5cm以內(nèi)，精度滿足像控點要求，同時采集了經(jīng)緯度信息，可以與照片的POS文件進行對照。點位位置和環(huán)境要做好記錄，采用拍照和文字敘述的方式，以方便內(nèi)業(yè)進行刺點時找點。

像控點布設(shè)完畢后，開始準備對作業(yè)區(qū)域進行航拍，在航拍之前，我們對該區(qū)域的最高建筑進行了調(diào)查，該區(qū)域內(nèi)最高的建筑在80米左右，所以在行高上我們選擇120米左右，根據(jù)當天的天氣情況，航速方面我們選擇8m/s，協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎，重疊度是模型質(zhì)量的關(guān)鍵，考慮到內(nèi)業(yè)電腦計算的壓力和模型質(zhì)量，我們選擇了旁向重疊80%，航向重疊80%的狀態(tài)進行采集；由于校園內(nèi)部分區(qū)域的樹木十分茂盛，樹冠遮擋了大量的地物，我們采用了空地結(jié)合的方法，在無人機無法拍攝的區(qū)域，使用地面相機進行了地面補拍，進一步提高模型的還原度；除了遮擋對航拍的影響，在建筑密度過高、房檐較長的地方，也會因為傾斜航拍受阻，造成影像數(shù)據(jù)不足，從而模型發(fā)生扭曲的現(xiàn)象，為了消除此影響，我們選擇使用大疆精靈進行手控飛行補拍，通過這種空地結(jié)合的方式，模型的精度和還原度才可以得到保證。

圖3：像控點數(shù)據(jù)

圖4：影像變形示意圖

現(xiàn)如今測繪外業(yè)采集的途徑越來越多，依靠無人機等智能設(shè)備，已經(jīng)實現(xiàn)雙人即可完成采集任務(wù)，在本次實驗任務(wù)中，我們操控員只有兩名，在一起完成像控點布設(shè)后，一同進行無人機航拍，在無人機電源充足的情況下，1300畝的航拍任務(wù)可在一天能做完，外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率和采集成本是非?？煽氐?。

1.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理與模型生產(chǎn)

外業(yè)數(shù)據(jù)采集完后，導(dǎo)出相片和POS文件，移交內(nèi)業(yè)處理；在內(nèi)業(yè)當中我們使用Smart3D進行模型生產(chǎn)，首先導(dǎo)入相片和POS文件，這里不能直接使用無人機導(dǎo)出的POS，應(yīng)該將相片文件名和POS數(shù)據(jù)一一對應(yīng)，制作出與相片相對應(yīng)的POS文件進行生產(chǎn)使用；導(dǎo)入好POS文件后檢查照片的姿態(tài)信息是否有誤，確認無誤后進行第一次空三解算，在空三解算設(shè)置中，按照項目的精度需求選擇解算方式；不提供POS文件Smart 3D也可進行空三解算，但是解算時間和精度會有所降低，所以在這一步盡量采用POS文件進行空三解算。

第一遍空三解算結(jié)束后，檢查空三結(jié)果，主要觀察相機位置及排布方式，以及“飛點”數(shù)量，例如五鏡頭的相機位置，應(yīng)為五個一組的“蓮花”狀，相片朝向規(guī)則統(tǒng)一，排布方式應(yīng)明顯看出與預(yù)設(shè)航帶相同，飛點即明顯超出測區(qū)范圍的連接點，通過上述內(nèi)容基本可以判斷第一遍空三的質(zhì)量。

然后導(dǎo)入像控點信息，對應(yīng)外業(yè)的像控點記錄文件，進行刺點，刺點時對照片的選擇也很重要，不要選擇像控點處于邊緣的照片，不要選擇像控點模糊的照片，這樣的照片用于刺點，不光不能提高精度，還有可能拉低整體的準確度，所以不建議將這樣的照片用于刺點。

刺點完成后，再跑一次空三，空三結(jié)束后簡單檢查一下空三質(zhì)量，標準同上，檢查無誤后就可以準備生成模型了，在生成模型時，根據(jù)需求選擇模型格式，通常情況下我們使用OSGB格式，如果用于網(wǎng)絡(luò)展示方面，可以使用3MX格式，該格式支持同時生產(chǎn)相對應(yīng)的HTML文件，HTML文件可直接將模型用于網(wǎng)絡(luò)展示。

在模型生成中，大型模型都會被切割成許多瓦片進行獨立生產(chǎn)，相鄰的瓦片會重復(fù)計算相接的邊，用于之后各瓦片連接所用，這就意味著，瓦片切的越小，瓦片數(shù)量就會越多，同時重復(fù)運算也會越多，但是用于連接各瓦片的重復(fù)運算對于模型生產(chǎn)來說就是無用功；由此可見，瓦片越小，無用功越多，消耗的時間越多。

每個瓦片切多大，這就由電腦的RAM決定，RAM越大，切的瓦片就越大，瓦片數(shù)量少了，自然重復(fù)運算少了，時間成本就會降低。在設(shè)置瓦片時，我們一般選擇瓦片占用的RAM為電腦RAM的75%-85%，例如RAM 16G的電腦，瓦片設(shè)置為12G-14G左右。

模型的生產(chǎn)將會很耗時間，這里建議使用集群操作，集群方法在最后進行討論，這里不做累述。

1.3 數(shù)字校園

生產(chǎn)了校園的實景三維模型，該模型已具備了宣傳展示的作用，基本完成數(shù)字校園的雛形，下一步我門將把該產(chǎn)品和GIS（地理信息系統(tǒng)）相結(jié)合，添加上校園的各項地物信息、屬性信息已達到交互式體驗，用戶可以通過點擊實景模型中的位置，例如點擊某教室、某辦公室、某會議室等，來獲取教室排課信息、辦公室的職能信息和老師信息、會議室的預(yù)約信息等；將信息可視化結(jié)合到實景模型中，數(shù)字校園的概念才能得到實現(xiàn)：真實的現(xiàn)場景觀，信息交互式體驗，方便快捷的瀏覽方式；這就是5G時代下的數(shù)字校園概念。

2 智慧校園探索

將上述成果與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，例如與感應(yīng)器相結(jié)合，在三維實景模型中可以實時觀測到各地的人員密度，車流量密度，同時通過該模型操控紅路燈、操控門禁、指揮現(xiàn)場人員等方式來干預(yù)指揮現(xiàn)場情況等；再例如與監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合，通過點擊模型中的監(jiān)控系統(tǒng)，立即調(diào)取實地的監(jiān)控畫面，還可以通過利用監(jiān)控畫面建模，將監(jiān)控中任意時間段的真實景象，重現(xiàn)于模型之中。

圖5：柳州工學(xué)院（實景三維模型）

該項目的可與各種方向相結(jié)合，包括安保方向、建筑方向、管理方向以及各種商業(yè)活動中都可以發(fā)揮巨大價值。先與各行各業(yè)相結(jié)合，再服務(wù)于各行各業(yè)，至此便完成智慧城市的終極形態(tài)，也是本研究的最終目標：萬物互聯(lián)。

3 其他

3.1 Smart 3D集群

Smart 3D再進行模型生產(chǎn)時的計算量是十分巨大的，所以通常情況下，我們都選擇使用集群的方法進行模型生產(chǎn)。

首先CC Setting中的配置下，更改任務(wù)序列目錄，路徑要處于可訪問的狀態(tài)下，文件名為jobs，然后從機同上設(shè)置；在生產(chǎn)時，主機打開工程文件啟動生產(chǎn)，從機只要引擎軟件即可實現(xiàn)Smart 3D的集群生產(chǎn)。

3.2 PhotoScna空三解算、集群

Smart3D利用傾斜攝影建模的能力是很好的，但是Smart 3D的空三解算過程經(jīng)常會報錯，在使用中常常遇到意外的情況，所以這里可以使用PhotoScan進行空三，然后導(dǎo)出KML格式的空三文件給Smart3D進行模型生產(chǎn)，由此便可規(guī)避Smart 3D空三常常報錯的問題。

PhotoScan的空三也很簡單，導(dǎo)入照片然后點擊工作流程，點擊對齊照片即可，空三后導(dǎo)出相機，格式為BlocksExchange（*.xml），該格式可直接用于Smart 3D的模型生產(chǎn)。

下面主要介紹一下PhotoScan的集群方法，主要有以下三步：

第一步：在主機的PhotoScan中的工具欄-偏好設(shè)置-網(wǎng)絡(luò)中，選擇使用網(wǎng)絡(luò)，主機名填入本機的IP地址或網(wǎng)絡(luò)地址名稱，要確保該IP地址對外可見，從機將通過這個地址訪問主機；在根中輸入工程路徑，該路徑也要是網(wǎng)絡(luò)訪問的路徑，不能是本地訪問的路徑，從機將通過此路徑訪問工程文件；再根據(jù)需求選擇細級任務(wù)分發(fā)，這里決定了從機可以完成那些任務(wù)。

第二步：由主機通過WIN+R打開CMD命令窗，開始構(gòu)架集群網(wǎng)絡(luò)；在命令窗中首先進入PhotoScan軟件所在的路徑下，然后執(zhí)行命令：【photoscan--server--control IP--dispatch IP】（IP為主機設(shè)置的IP地址），再打開PhotoScan中的Agisoft NetworkMonitor，監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)搭建情況，至此，PhotoScan集群網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建完成。

第三步，從機使用命令窗，首先進入PhotoScan所在的目錄下，再執(zhí)行命令：【photoscan--node--dispatch IP--root根目錄】（IP為主機IP，根目錄為工程文件的網(wǎng)絡(luò)路徑），然后通過主機的監(jiān)視器，即可查看從機是否連接成功。

集群網(wǎng)絡(luò)如上構(gòu)建完成后，由主機開啟任務(wù)，主機將自動分發(fā)給從機協(xié)助工作，從而完成集群操作。

4 結(jié)論

本文針對如何生產(chǎn)可用于數(shù)字校園的高精度實景三維模型進行了研究，最終得出結(jié)論，從數(shù)據(jù)采集開始，要針對測區(qū)特點對航高、重疊度和航速等參數(shù)進行把控最重要的就是POS文件的整理；再到像控點的布設(shè)，要做到測得準和看得清，同時要做好記錄，以便于內(nèi)業(yè)刺點的使用；在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時，推薦使用PhotoScan跑空三加Smart3D跑模型的組合，Photo-Scan和Smart 3D互相取長補短，以實現(xiàn)模型的最好效果。