大規(guī)模傾斜攝影數(shù)據(jù)在西海岸數(shù)字城市平臺(tái)中的應(yīng)用與實(shí)踐

（青島西海岸新區(qū)自然資源局，山東青島 266000）

0.引言

傾斜攝影是近些年來測(cè)繪領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)。將西海岸數(shù)字城市平臺(tái)技術(shù)引入該項(xiàng)目并成功應(yīng)用，解決了大比例尺傾斜攝影數(shù)據(jù)加載、多源數(shù)據(jù)融合、簡(jiǎn)化和專業(yè)化空間分析模型等技術(shù)問題，提高了傾斜攝影數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值，拓展了傾斜攝影數(shù)據(jù)在數(shù)字城市中的應(yīng)用。

1.大規(guī)模傾斜攝影數(shù)據(jù)海量加載

青島西海岸新區(qū)傾斜攝影數(shù)據(jù)量龐大，這給數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、加載、應(yīng)用性能帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，而傾斜攝影模型深入行業(yè)應(yīng)用的重點(diǎn)之一在于能否提供穩(wěn)定、流暢的加載性能。

本項(xiàng)目依托于SuperMap GIS 平臺(tái)，利用傾斜攝影模型原生的LOD（多層次細(xì)節(jié)），幾何壓縮、紋理壓縮、合并根節(jié)點(diǎn)、動(dòng)態(tài)調(diào)度、創(chuàng)建空間索引等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了模型一次性下載，一次性載入內(nèi)存，可以更快的加載模型，減少顯存的占用，提高模型數(shù)據(jù)的負(fù)載，提高性能體驗(yàn)。

以合并根節(jié)點(diǎn)為例，由于傾斜攝影模型的數(shù)據(jù)生成過程中缺乏軟件和硬件資源，因此有必要將其分成幾個(gè)小塊以生成OSGB模型并將其以平鋪方式存儲(chǔ)，即將模型存儲(chǔ)在一定的空間分為多個(gè)塊并存儲(chǔ)在一個(gè)文件夾中，每個(gè)文件夾包含一個(gè)根節(jié)點(diǎn)文件和多個(gè)子節(jié)點(diǎn)文件。當(dāng)模型空間很大且數(shù)據(jù)量很大時(shí)，模型將分為多個(gè)根節(jié)點(diǎn)。讀取這些根節(jié)點(diǎn)需要很長(zhǎng)時(shí)間，導(dǎo)致模型加載緩慢。此時(shí)，為了提高模型的加載和瀏覽性能，我們需要合并根節(jié)點(diǎn)?！昂喜⒏?jié)點(diǎn)”的功能是將根節(jié)點(diǎn)合并到某個(gè)空間中的根節(jié)點(diǎn)中，即，將四個(gè)相鄰的小塊合并到一個(gè)新塊中，并從上往下細(xì)化LOD級(jí)別。每次合并，模型根節(jié)點(diǎn)的數(shù)量將減少原始數(shù)量的約1/4。本項(xiàng)目中用到的500km2的原始傾斜數(shù)據(jù)，共計(jì)42835個(gè)Tile根節(jié)點(diǎn)，通過合并根節(jié)點(diǎn)操作，處理之后的根節(jié)點(diǎn)數(shù)量為835個(gè)，極大的減少讀取根節(jié)點(diǎn)花費(fèi)的時(shí)間，從而提升加載效率。

經(jīng)實(shí)際測(cè)試，可實(shí)現(xiàn)近5TB傾斜攝影數(shù)據(jù)基于瀏覽器順暢瀏覽，幀率在30幀以上，性能提升了近78%。

2.多源數(shù)據(jù)融合

本項(xiàng)目基于統(tǒng)一坐標(biāo)基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了傾斜攝影數(shù)據(jù)與二維矢量點(diǎn)線面數(shù)據(jù)，天地圖在線數(shù)據(jù)，人工建模數(shù)據(jù)，三維地下管線數(shù)據(jù)，三維地形數(shù)據(jù)的高效融合。

多源數(shù)據(jù)的采集方式、數(shù)據(jù)精度各有不同。如何將不同精度的數(shù)據(jù)在同一場(chǎng)景中進(jìn)行匹配融合，成為本項(xiàng)目的一個(gè)難點(diǎn)。通過無人機(jī)采集的傾斜攝影數(shù)據(jù)，幾何糾正、輻射校正能達(dá)到很高的精度，包括成果數(shù)據(jù)的高度、長(zhǎng)度、面積、角度、坡度等。因此，基于青島西海岸新區(qū)的500km2的傾斜攝影數(shù)據(jù)，通過SuperMap GIS平臺(tái)，生成DSM（Digital Surface Model），即數(shù)字地表模型數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目通過生成的DSM，進(jìn)一步修正三維地下管線數(shù)據(jù)、人工建模數(shù)據(jù)的高程信息，以此實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的高精度無縫融合。

3.模型動(dòng)態(tài)單體化

本項(xiàng)目采用陰影體繪制技術(shù)將矢量底面附著繪制在傾斜攝影建模數(shù)據(jù)表面，在不切割數(shù)據(jù)的情況下，實(shí)現(xiàn)了傾斜攝影建模數(shù)據(jù)的單體化表達(dá)，即動(dòng)態(tài)單體化技術(shù)。在渲染模型時(shí)，矢量平面傾斜模型對(duì)象表面會(huì)呈現(xiàn)模型數(shù)據(jù)，然后設(shè)置顏色和透明度矢量平面，以達(dá)到分別選擇對(duì)象的效果。在三維渲染中，無需預(yù)處理傾斜攝影模型數(shù)據(jù)，并且將相應(yīng)的矢量平面動(dòng)態(tài)疊加在傾斜攝影模型上，充分利用矢量面數(shù)據(jù)模型的空間查詢和空間運(yùn)算能力，支持更為強(qiáng)大的二三維一體化的GIS應(yīng)用，它類似于一個(gè)薄膜，從上到下包裹相應(yīng)的建筑物和其他物體的模型，根據(jù)建筑物的不同業(yè)務(wù)屬性，如施工時(shí)間、施工目的、使用壽命等設(shè)置不同的顏色和透明度，并將它們包裹在傾斜的攝影數(shù)據(jù)面上，從而實(shí)現(xiàn)分別選擇地面物體的效果，直觀地將業(yè)務(wù)屬性信息通過傾斜數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化表達(dá)[1]。該技術(shù)可以充分利用矢量面數(shù)據(jù)模型的空間查詢和空間運(yùn)算能力，實(shí)現(xiàn)了傾斜攝影建模數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的相關(guān)聯(lián)，解決了傾斜攝影建模數(shù)據(jù)在GIS應(yīng)用中的難題，有效推動(dòng)了傾斜攝影建模數(shù)據(jù)在測(cè)繪、規(guī)劃、數(shù)字城市等行業(yè)的廣泛應(yīng)用。

4.專業(yè)空間分析

針對(duì)單體化后的傾斜攝影模型數(shù)據(jù)，本項(xiàng)目研發(fā)了基于空間數(shù)據(jù)的三維空間分析功能，使傾斜攝影模型不再局限于“看一看”的功能，更適應(yīng)于城市現(xiàn)狀三維分析，產(chǎn)生更多的實(shí)際應(yīng)用。傾斜攝影數(shù)據(jù)的三維分析包括可見度分析、陰影率統(tǒng)計(jì)分析、天際線分析、可見度分析、地下管線分析、剖面分析等。

以陰影率的統(tǒng)計(jì)分析為例，地理位置是決定太陽光線空間變化的重要因素。不同的經(jīng)緯度、模型元素投下的陰影和其他因素都會(huì)影響某一地區(qū)的日照長(zhǎng)度。根據(jù)指定范圍的經(jīng)緯度范圍，計(jì)算該范圍在某段時(shí)間內(nèi)受太陽照射的時(shí)間長(zhǎng)短。在城市規(guī)劃進(jìn)行選址時(shí)，陰影率統(tǒng)計(jì)分析功能輸出適宜性模型作為重要參考。

借助SuperMap GIS三維平臺(tái)的三維空間分析功能以及西海岸新區(qū)500km2的傾斜攝影數(shù)據(jù)，本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)建筑模型日照分析計(jì)算，通過科學(xué)分析城市開發(fā)建設(shè)過程中對(duì)現(xiàn)有交通、市政基礎(chǔ)設(shè)施承載能力的影響，系統(tǒng)對(duì)接道路拓寬分析模型、舊城改造分析模型、道路斷面結(jié)構(gòu)分析模型、給水管線控制分析模型、排水管線控制分析模型等城市容量計(jì)算模型，預(yù)測(cè)和規(guī)劃未來城市發(fā)展的容量規(guī)模，實(shí)現(xiàn)區(qū)域開發(fā)、項(xiàng)目建設(shè)對(duì)城市容量的動(dòng)態(tài)解析[2]。

5.城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)

傾斜攝影數(shù)據(jù)更多需要真正服務(wù)于項(xiàng)目應(yīng)用。本項(xiàng)目基于傾斜攝影數(shù)據(jù)和已有的地類圖斑數(shù)據(jù)、城市人口數(shù)據(jù)等，實(shí)現(xiàn)城市規(guī)劃大數(shù)據(jù)庫管理模塊、城市設(shè)計(jì)研究模塊、城市容量智能規(guī)劃模塊、旅游景區(qū)管理模塊等內(nèi)容。

在三維攝影數(shù)據(jù)實(shí)景三維系統(tǒng)中，可以實(shí)時(shí)進(jìn)行方案調(diào)整、規(guī)劃和設(shè)計(jì)，快速三維建模、多方案比較、建筑體量調(diào)整、立面分析、三維測(cè)量等多項(xiàng)專業(yè)規(guī)劃管理功能，利用三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更直觀準(zhǔn)確的表達(dá)規(guī)劃效果，輔助用戶進(jìn)一步理解規(guī)劃設(shè)計(jì)，全面掌握建設(shè)方案，對(duì)工業(yè)、交通、住宅、商業(yè)、公眾服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施等進(jìn)行合理的組織和布局，使規(guī)劃設(shè)計(jì)更加真實(shí)可靠、城市空間得到更高的利用、景觀空間得到更佳的展示[3]。

6.結(jié)語

近幾年，隨著傾斜攝影測(cè)量的發(fā)展，利用無人機(jī)航測(cè)建立的三維模型，成本低、效率高、模型自帶真實(shí)紋理貼圖，被市場(chǎng)廣泛認(rèn)可。而伴隨著系統(tǒng)應(yīng)用要求的提高、數(shù)據(jù)量的增加和數(shù)據(jù)類型的多樣性給實(shí)際工程的應(yīng)用帶來了新的挑戰(zhàn)。本文基于西海岸數(shù)字城市平臺(tái)項(xiàng)目中的傾斜攝影數(shù)據(jù)工程應(yīng)用，不僅能觀察到建筑的頂部和四個(gè)方向的側(cè)面，進(jìn)入一個(gè)三維世界，完全符合人眼所看到的真實(shí)城市，還研究解決了大規(guī)模海量數(shù)據(jù)加載、多源數(shù)據(jù)融合、動(dòng)態(tài)單體化、專業(yè)空間分析等問題，使得傾斜攝影數(shù)據(jù)在實(shí)踐中得到了良好應(yīng)用，取得了豐富的成果，未來將有更廣闊的應(yīng)用前景。