“游甘肅”智慧景區(qū)實(shí)景三維建設(shè)技術(shù)研究

李裕家，高 娜

(甘肅大禹九洲空間信息科技有限公司，甘肅 蘭州 730050)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，旅游業(yè)發(fā)展對(duì)信息化有了新的需求，需要利用信息技術(shù)推進(jìn)旅游生產(chǎn)方式、管理模式、營(yíng)銷(xiāo)模式和消費(fèi)形態(tài)的轉(zhuǎn)變，為進(jìn)一步促進(jìn)甘肅省旅游業(yè)發(fā)展，提升旅游產(chǎn)業(yè)質(zhì)量和核心競(jìng)爭(zhēng)力，本文結(jié)合無(wú)人機(jī)傾斜攝影三維建模技術(shù)，快速構(gòu)建了景區(qū)360°實(shí)景真三維，準(zhǔn)確反映了地形地物的客觀特征，并完成與“一部手機(jī)游甘肅”綜合服務(wù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)對(duì)接，方便游客在手機(jī)端進(jìn)行實(shí)景旅游體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了游客對(duì)景區(qū)的全方位在線旅游體驗(yàn)[1]。

1 開(kāi)發(fā)平臺(tái)簡(jiǎn)述

SuperMap iserver是基于跨平臺(tái)GIS內(nèi)核的云GIS 應(yīng)用服務(wù)器產(chǎn)品，通過(guò)服務(wù)的方式，面向網(wǎng)絡(luò)客戶端提供專(zhuān)業(yè)GIS服務(wù)。SuperMap iserver的REST服務(wù)嚴(yán)格遵循SOA設(shè)計(jì)，GIS的各種功能以資源的形式進(jìn)行發(fā)布，并通過(guò)HTTP協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)。ContextCapture平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維建模與數(shù)據(jù)生產(chǎn)，為“游甘肅”實(shí)景三維平臺(tái)提供最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)支撐。

2 項(xiàng)目概況

2019年初，根據(jù)甘肅省首批4A級(jí)景區(qū)實(shí)景三維建設(shè)示范項(xiàng)目要求，利用先進(jìn)的傾斜攝影三維建模技術(shù)，獲取旅游景區(qū)范圍優(yōu)于5 cm傾斜影像，并快速建模形成實(shí)景三維，結(jié)合現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源，開(kāi)發(fā)“一部手機(jī)游甘肅”實(shí)景三維服務(wù)。旅游景區(qū)三維可視化展示及360°全方位覆蓋瀏覽，使景區(qū)更有閱讀性和娛樂(lè)性，生動(dòng)、形象地展示旅游景區(qū)，激發(fā)游客前往游玩的興趣，通過(guò)與電子政務(wù)、電子商務(wù)、公眾服務(wù)的一體化集成，解決景區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施管理，旅游資源的科學(xué)規(guī)劃，宣傳推廣等問(wèn)題，切實(shí)提升甘肅旅游發(fā)展質(zhì)量。主要包含天水麥積山、平?jīng)鲠轻忌?、嘉峪關(guān)關(guān)城、敦煌鳴沙山月牙泉4個(gè)著名5A級(jí)景區(qū)，以及景泰黃河石林、平?jīng)龃笤扑隆跄笇m、會(huì)寧會(huì)師樓、慶陽(yáng)周祖陵等14個(gè)4A級(jí)景區(qū)。

3 總體技術(shù)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目以打造旅游景區(qū)實(shí)景三維為主線，實(shí)現(xiàn)景區(qū)實(shí)景三維數(shù)據(jù)層、技術(shù)層、應(yīng)用層、展示層四個(gè)層次的建設(shè)，難點(diǎn)主要集中在中低空無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)的空三加密結(jié)合及景區(qū)自然色調(diào)一致性、水域漏洞的修補(bǔ)等，通過(guò)對(duì)實(shí)景三維數(shù)據(jù)的串聯(lián)整合，基于三維GIS平臺(tái)REST服務(wù)，以HTML5形式，與“游甘肅”微信平臺(tái)完成數(shù)據(jù)對(duì)接，最終實(shí)現(xiàn)在移動(dòng)端的三維實(shí)景體驗(yàn)，保證實(shí)景三維模塊成功上線運(yùn)行[2]，如圖1所示。

3.1 設(shè)計(jì)原則

(1)技術(shù)挖掘

綜合應(yīng)用傾斜攝影與三維建模關(guān)鍵技術(shù)，利用無(wú)人機(jī)連續(xù)采集獲取景區(qū)傾斜影像，通過(guò)地面站預(yù)設(shè)飛行高度，飛行路線以及相機(jī)拍照間隔，采集高質(zhì)量?jī)A斜影像數(shù)據(jù)，利用分布式集群運(yùn)算模式完成快速建模，實(shí)現(xiàn)景區(qū)的真三維可視化展示。

(2)三維可視化交互瀏覽

在手機(jī)端能夠支持景區(qū)全角度覆蓋瀏覽，支持景區(qū)的放大縮小、自由視角，以及任意角度的漫游瀏覽，模型渲染效率高，使得用戶在前往實(shí)地游玩之前能夠?qū)皡^(qū)的情況了如指掌，可根據(jù)模型中景點(diǎn)分布，道路規(guī)劃進(jìn)行游玩路線設(shè)計(jì)，游客可完全自主規(guī)劃路線，實(shí)現(xiàn)高效的景區(qū)體驗(yàn)，在花費(fèi)較少精力的同時(shí)，能夠游玩到景區(qū)各個(gè)重點(diǎn)景點(diǎn)[3-4]。

(3)GIS功能應(yīng)用

采用二三維一體化GIS平臺(tái)，利用空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、服務(wù)式地理信息技術(shù)、三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)綜合地理空間數(shù)據(jù)和旅游資源數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、集成、共享和應(yīng)用，降低綜合旅游資源數(shù)據(jù)的維護(hù)成本和提高數(shù)據(jù)管理效率[5-9]。

(4)精細(xì)化建模技術(shù)

精細(xì)化建模技術(shù)能夠?qū)⒛Ｐ兔恳惶幖?xì)節(jié)展現(xiàn)到極致，讓游客能夠零距離觀察到景點(diǎn)的細(xì)節(jié)，在線瀏覽到高質(zhì)量的景區(qū)模型，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)游客與景區(qū)互動(dòng)，更深入了解景區(qū)及景點(diǎn)背后的故事[10-11]。

圖1 技術(shù)設(shè)計(jì)流程圖

(5)單體化應(yīng)用

重要景點(diǎn)進(jìn)行模型單體化處理，可實(shí)現(xiàn)景點(diǎn)屬性信息的查詢，用戶只需要點(diǎn)擊就可查詢其詳細(xì)文字介紹，有助于改善游客在實(shí)地游玩時(shí)的體驗(yàn)。

(6)移動(dòng)端瀏覽實(shí)景三維

整個(gè)平臺(tái)的瀏覽最后均需要將數(shù)據(jù)成果進(jìn)行壓縮及相關(guān)數(shù)據(jù)處理，使其格式及數(shù)據(jù)量支持在移動(dòng)端進(jìn)行訪問(wèn)，只需一個(gè)H5鏈接，可實(shí)現(xiàn)三維客戶端在線景區(qū)瀏覽和景點(diǎn)數(shù)據(jù)查詢[12]。

3.2 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層作為空間信息數(shù)據(jù)的支撐，主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)整合等工作，成果有矢量數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、實(shí)景三維數(shù)據(jù)等。

(1)數(shù)據(jù)采集

自適應(yīng)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集體系是針對(duì)旅游景區(qū)數(shù)據(jù)獲取的重要方式。垂直起降固定翼、多旋翼及輕型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)聯(lián)合作業(yè)，完成300多平方公里傾斜影像數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

(2)CC建模及DP&GS修模

建模將獲取到符合建模要求重疊度的航空影像進(jìn)行預(yù)處理，導(dǎo)入軟件系統(tǒng)，均勻挑選出一定數(shù)量的野外控制點(diǎn)，通過(guò)匹配特定算法，進(jìn)行三維模型生產(chǎn)。三維建模模式，從數(shù)據(jù)處理體系上實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的跨越，將傾斜建模流程由CC-DP模式，轉(zhuǎn)換為CC-GS(DP)-CC模式，提高了三維模型的精細(xì)度及準(zhǔn)確性，避免人為因素造成的模型錯(cuò)誤及紋理誤差，將原始需要人工干預(yù)較多的技術(shù)流程，改進(jìn)為批處理操作，同時(shí)，保證了模型的質(zhì)量[7]。

3.3 技術(shù)層

(1)海量數(shù)據(jù)支持

在平臺(tái)上可利用傾斜攝影模型自帶的LOD層級(jí)，實(shí)現(xiàn)直接加載任意剖分類(lèi)型即四叉樹(shù)、八叉樹(shù)的傾斜攝影模型，同時(shí)運(yùn)用LOD優(yōu)化調(diào)度，占用較少硬件資源，保障穩(wěn)定的海量數(shù)據(jù)承載能力。

(2)三維格式緩存切片壓縮

為提高場(chǎng)景刷新顯示速度，將海量數(shù)據(jù)生成影像與地形緩存數(shù)據(jù)，將實(shí)景三維數(shù)據(jù)做切片緩存處理，通過(guò)合并節(jié)點(diǎn)及壓縮單體化的方式實(shí)現(xiàn)。興趣點(diǎn)信息以特有的矢量切片方式，便于在手機(jī)端實(shí)現(xiàn)瀏覽渲染。緩存切片的方式主要體現(xiàn)在紋理的處理方式、頂點(diǎn)的優(yōu)化方式、頂點(diǎn)權(quán)重模式、網(wǎng)格簡(jiǎn)化率等。

(3)水面約束算法

水面由于特征點(diǎn)較少，在匹配計(jì)算時(shí)很難匹配正確，導(dǎo)致輸出模型的水面通常是支離破碎。大面積水域通過(guò)水面高度設(shè)置水面約束線，在重建中對(duì)指定區(qū)域進(jìn)行平面化處理，需特別注意的是約束線高程需為水面最高高程。河道約束適合采用約束線的方式，小區(qū)域湖面適合采用geomatic進(jìn)行邊界修補(bǔ)完成快速修復(fù)，并結(jié)合CC的retouching方式可提高效率。約束方式可同樣適用于草坪、公路、建筑等的約束壓平。

(4)傾斜影像勻光勻色算法

受天氣、傳感器、航攝地形等各方面原因影響，景區(qū)傾斜影像色調(diào)會(huì)出現(xiàn)不一致情況。為了更好地將多傳感器拍攝的照片結(jié)合起來(lái)，保證模型在最終客戶體驗(yàn)時(shí)的一致性，針對(duì)不同的色彩質(zhì)量問(wèn)題，提供多種處理方案，即自適應(yīng)勻光勻色方案、基于模板的勻光勻色方案以及基于地理位置參照的空間勻光勻色方案。通過(guò)創(chuàng)建參照?qǐng)D、參照勻色、分塊勻色的方案，將任務(wù)分塊大小以柵格尺度為標(biāo)準(zhǔn)，劃分格網(wǎng)，建立任意格網(wǎng)部位從原始圖到參照?qǐng)D的相應(yīng)部位的映射關(guān)系，完成色彩的調(diào)整。

3.4 應(yīng)用層

(1)動(dòng)態(tài)單體化技術(shù)應(yīng)用

動(dòng)態(tài)單體化無(wú)需進(jìn)行傾斜攝影預(yù)處理?？蓪?shí)現(xiàn)將配套的二維矢量面與實(shí)景三維加載到同一場(chǎng)景中，在渲染模型數(shù)據(jù)時(shí)把矢量面貼到傾斜模型對(duì)象表面，然后設(shè)置矢量面的顏色和透明度，從而實(shí)現(xiàn)可以單獨(dú)選中地物的效果。單體化的效果可以實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的GIS功能，模型邊緣及屏幕分辨率一致性較強(qiáng)，附加相關(guān)屬性信息，做查詢統(tǒng)計(jì)，鏈接相關(guān)景點(diǎn)圖文介紹信息及音頻資料等，方便數(shù)據(jù)的管理應(yīng)用。

(2)矢量緩存景點(diǎn)標(biāo)注

為保證與“游甘肅”平臺(tái)景點(diǎn)信息的一致性，對(duì)實(shí)景三維景區(qū)進(jìn)行名稱標(biāo)注，尤其是進(jìn)行精細(xì)化建模的亭臺(tái)樓閣，作為重點(diǎn)展示區(qū)域，著重進(jìn)行點(diǎn)位信息采集及矢量標(biāo)注。

3.5 展示層

(1)服務(wù)漏洞測(cè)試掃描

作為面向公眾訪問(wèn)的服務(wù)平臺(tái)，安全漏洞掃描及滲透測(cè)試至關(guān)重要。對(duì)存在安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的低危以上漏洞均進(jìn)行修復(fù)，提升服務(wù)的安全性能。針對(duì)服務(wù)版本存在的問(wèn)題實(shí)現(xiàn)修復(fù)更新，尤其在對(duì)敏感信息明文傳輸及防暴力破解機(jī)制方面進(jìn)行通信加密。服務(wù)Apache Tomcat存在的版本安全漏洞，通過(guò)對(duì)iserver封裝服務(wù)的拆解，以war包形式，運(yùn)行服務(wù)，解決了服務(wù)端安全問(wèn)題。

(2)三維REST服務(wù)發(fā)布

三維REST服務(wù)以資源的形式體現(xiàn)，可對(duì)服務(wù)器發(fā)布的場(chǎng)景和數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，提供三維場(chǎng)景的各種功能。三維REST資源層次結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

(3)三維場(chǎng)景搭建

三維可視化表達(dá)通過(guò)三維球體來(lái)模擬地球，更為真實(shí)地表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界中地理事物的位置、高度及形狀等信息。場(chǎng)景構(gòu)建分為球面場(chǎng)景與平面場(chǎng)景兩種視圖模式。球面場(chǎng)景是以模擬地球的球體三維空間形式對(duì)地球表層的場(chǎng)景進(jìn)行展示，平面場(chǎng)景則使地球球面展開(kāi)成平面，模擬整個(gè)大地類(lèi)似一個(gè)平面的形式進(jìn)行場(chǎng)景展示。本文中場(chǎng)景為球面場(chǎng)景，添加相關(guān)地形、影像、矢量、單體化模型等對(duì)象至場(chǎng)景中，完成數(shù)據(jù)的調(diào)整和處理，保存最終工作空間，場(chǎng)景紋理緩存方式為手機(jī)端紋理方式，如圖3所示。

圖2 三維REST資源層次結(jié)構(gòu)圖

圖3 嘉峪關(guān)關(guān)城三維場(chǎng)景圖

(4)移動(dòng)端實(shí)景瀏覽

移動(dòng)端發(fā)布服務(wù)提供初始位置、導(dǎo)航等按鈕，方便游客對(duì)實(shí)景三維的操作，并進(jìn)行中英文翻譯，提供便于識(shí)別的操作方法。目前可通過(guò)“一部手機(jī)游甘肅”微信公眾號(hào)一機(jī)游實(shí)現(xiàn)線上三維訪問(wèn)，如圖4所示。相關(guān)開(kāi)發(fā)代碼示例如下：

if(viewer.navigationHelpButton) {

viewer.navigationHelpButton.viewModel.tooltip = "操作指南";

viewer.homeButton.viewModel.tooltip = "初始位置";

viewer.scene.screenSpaceCameraController.minimumZoomDistance = 70;

scene.open("https://jqjm.tourgansu.com/iserver/services/3D-publishYYQ/rest/realspace");

圖4 移動(dòng)端實(shí)景三維瀏覽示意圖

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)旅游景區(qū)實(shí)景三維建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)了“游甘肅”18個(gè)示范景區(qū)實(shí)景三維建設(shè)及服務(wù)的線上訪問(wèn)，提高了游客體驗(yàn)效果，拓展了“游甘肅”平臺(tái)服務(wù)的深度和廣度。隨著“一部手機(jī)游甘肅”平臺(tái)的推廣應(yīng)用及游客需求的不斷提高，實(shí)景三維用戶體驗(yàn)和服務(wù)能力也將不斷地完善和提高。后續(xù)也將會(huì)在以下幾個(gè)方面展開(kāi)研究：一是針對(duì)三維數(shù)據(jù)的優(yōu)化處理，需進(jìn)一步研究其數(shù)據(jù)壓縮方式，克服數(shù)據(jù)量大導(dǎo)致的傳輸慢問(wèn)題。二是移動(dòng)設(shè)備端由于沒(méi)有顯卡設(shè)備，基于手機(jī)端三維瀏覽的顯示速度一直跟不上，完全不能與PC端相提并論，需進(jìn)一步完善手機(jī)端數(shù)據(jù)處理顯示的方式，提高用戶體驗(yàn)。