無人機(jī)多角度傾斜攝影三維重建服務(wù)系統(tǒng)研究

潘邦龍，莊雪晴，張 華

(1.安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院,安徽 合肥 230601；2. 安徽建筑大學(xué) 遙感與地理信息研究所,安徽 合肥 230601)

隨著城市化進(jìn)程迅速推進(jìn)，城市的多維需求日益更新，智慧城市應(yīng)運(yùn)而生。三維數(shù)據(jù)模型作為智慧城市數(shù)據(jù)庫的重要載體，已成為智慧城市建設(shè)的重要組成部分。近年來,隨著現(xiàn)代攝影測(cè)量技術(shù)和計(jì)算機(jī)計(jì)算的快速發(fā)展，實(shí)景三維場(chǎng)景建模已成為自然資源空間信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。該技術(shù)主要利用傾斜航空攝影原理，通常在無人機(jī)或直升機(jī)平臺(tái)上搭載多臺(tái)相機(jī)，從前視、俯視、后視等多角度對(duì)目標(biāo)地物或場(chǎng)景同時(shí)采集影像數(shù)據(jù)，再采用傾斜攝影三維建模軟件處理傾斜攝影像片，結(jié)合像控測(cè)量的成果數(shù)據(jù)，包括POS數(shù)據(jù)、像控點(diǎn)坐標(biāo)等成果，生成實(shí)景三維模型。由于該技術(shù)具有大場(chǎng)景、高精度、高效率等特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于智慧城市管理各個(gè)領(lǐng)域。在城市管理過程中，為實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維場(chǎng)景的信息化、業(yè)務(wù)化和智慧化，研發(fā)實(shí)景三維場(chǎng)景重建服務(wù)系統(tǒng)已成為智慧城市建設(shè)的迫切需求。

近年來，三維WebGIS蓬勃發(fā)展，實(shí)景三維系統(tǒng)已初步應(yīng)用于城市規(guī)劃、不動(dòng)產(chǎn)登記、三維地籍測(cè)量、智慧旅游等領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者在三維數(shù)據(jù)模型、二三維一體化、三維空間分析與可視化等方面的研究取得了一定進(jìn)展。如王超領(lǐng)、戴德師等較早地展開了對(duì)三維地籍的分析與研究；而孫靈杰基于CAD格式的分層分戶圖構(gòu)建了三維樓盤模型，并將其應(yīng)用于三維不動(dòng)產(chǎn)管理中；于麗麗提出基于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)城市三維實(shí)景建模；原明超等利用Context Capture進(jìn)行實(shí)景三維建模；潘九寶等基于低空無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)快速構(gòu)建城市精細(xì)化三維模型；穆超等結(jié)合三維GIS技術(shù)研發(fā)出三維地籍信息管理系統(tǒng)；王兆利用Unity 3D交互平臺(tái)進(jìn)行二三維數(shù)據(jù)查詢與管理，三維實(shí)景Web GIS系統(tǒng)在地籍管理的應(yīng)用是大勢(shì)所趨。

隨著HTML5與WebGL(Web圖形庫，Web Graphics Library)的出現(xiàn)，三維WebGIS步上了新的臺(tái)階。HTML5很好地支持本地離線存儲(chǔ)，其內(nèi)含的Canvas元素支持網(wǎng)頁的圖形渲染環(huán)境，獨(dú)立性良好，用戶無需再下載專門的插件。WebGL是HTML5最重要的特性之一。WebGL 3D引擎的出現(xiàn)進(jìn)一步提高了應(yīng)用的開發(fā)速度和用戶體驗(yàn)，同時(shí)更多操作系統(tǒng)平臺(tái)、瀏覽器支持WebGL及相關(guān)性能優(yōu)化，將進(jìn)一步激發(fā)HTML5 3D應(yīng)用。但是WebGL是內(nèi)置于瀏覽器的一個(gè)繪圖API(Application Programming Interface)，使用較為不便。2011年，AGI公司推出了Cesium，Cesium是一個(gè)基于WebGL開發(fā)的開源Java Script庫，廣泛應(yīng)用于從航空航天到智慧城市再到無人機(jī)的多個(gè)領(lǐng)域。各行各業(yè)的開發(fā)人員都通過它創(chuàng)建Web應(yīng)用程序，可以顯示三維模型數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)等，軟件支持多種數(shù)據(jù)格式，具有較好的WebGIS應(yīng)用前景。

研究利用無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)生成三維實(shí)景模型，基于WebGIS技術(shù)，采用B/S架構(gòu)和Cesium庫，建立基于Web的不動(dòng)產(chǎn)三維重建服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)不動(dòng)產(chǎn)權(quán)屬信息三維可視化管理。該系統(tǒng)將三維WebGIS與無人機(jī)傾斜攝影模型相結(jié)合，基于Cesium庫快速模擬與分析不動(dòng)產(chǎn)實(shí)景三維場(chǎng)景，有效解決了三維場(chǎng)景模型渲染和海量數(shù)據(jù)的Web前端顯示和分析，有力地支撐了不動(dòng)產(chǎn)信息的整合與應(yīng)用，為智慧城市三維可視化服務(wù)助力。

1 不動(dòng)產(chǎn)三維模型構(gòu)建與處理

1.1 模型構(gòu)建

以Smart 3D軟件為建模工具，基于無人機(jī)的傾斜攝影測(cè)量技術(shù)來獲取影像數(shù)據(jù)，以建立三維模型中關(guān)鍵流程技術(shù)原理作為理論支撐，選取并測(cè)量適當(dāng)?shù)目刂泣c(diǎn)，通過數(shù)據(jù)整合、空三運(yùn)算、模型重建等自動(dòng)化處理流程來完成實(shí)景三維模型的創(chuàng)建?；趦A斜攝影測(cè)量技術(shù)的三維模型構(gòu)建包括圖像匹配、空中三角測(cè)量、多視影像密集匹配、三角網(wǎng)的構(gòu)建、紋理映射等過程。

利用Smart 3D軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列自動(dòng)化處理，生產(chǎn)出研究區(qū)域的三維模型，主要有以下幾個(gè)階段：

(1)數(shù)據(jù)導(dǎo)入階段。在軟件中新建工程，設(shè)置好文件路徑和坐標(biāo)信息等，將采集得到的農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)影像數(shù)據(jù)加載進(jìn)去，并導(dǎo)入POS文件等數(shù)據(jù)。

(2)空三解算階段。設(shè)置好空三解算相關(guān)參數(shù)后，由軟件自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算。完成解算之后查看空三運(yùn)算成果，檢查有無異常。接下來導(dǎo)入控制點(diǎn)文件也對(duì)其進(jìn)行空三計(jì)算。

(3)三維重建階段。確認(rèn)空三無誤后，可以進(jìn)行三維重建工作。確認(rèn)輸出格式和坐標(biāo)系，利用軟件自動(dòng)計(jì)算生產(chǎn)模型，并使用模型瀏覽器對(duì)生成的三維模型成果進(jìn)行檢查。

基本過程如圖1所示。

圖1 自動(dòng)建模過程

1.2 模型處理

利用Smart3D軟件建模生產(chǎn)的無人機(jī)傾斜攝影模型數(shù)據(jù)一般為OSGB格式，由于Cesium不支持OSGB，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以利用Cesiumlab將OSGB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為Cesium支持的3DTiles數(shù)據(jù)。Cesiumlab是為Cesium開源數(shù)字地球平臺(tái)打造的數(shù)據(jù)處理工具集，支持?jǐn)?shù)據(jù)處理、分發(fā)服務(wù)和三維可視。格式轉(zhuǎn)換界面如圖2所示，選擇容易調(diào)用的散列文件形式存儲(chǔ)。下載模型所在條帶的高程并進(jìn)行裁剪得到該區(qū)域的Dem數(shù)據(jù)，再使用Cesiumlab進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到Terrain數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換界面如圖3所示。將3DTiles和底圖及高程用Cesium一起顯示，效果如圖4所示。

1.3 不動(dòng)產(chǎn)二維矢量數(shù)據(jù)提取

農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)矢量數(shù)據(jù)提取采用CASS 3D軟件，此軟件不僅支持CASS環(huán)境下傾斜三維模型的加載與瀏覽，還支持三維模型直接采集、補(bǔ)測(cè)DLG數(shù)據(jù)。研究利用CASS 3D軟件，將生成好的三維模型導(dǎo)入，提取繪制房屋矢量圖層，如圖5所示。

圖2 OSGB轉(zhuǎn)3Dtiles 圖3 DEM轉(zhuǎn)terrain

圖4 數(shù)據(jù)顯示 圖5 宗地圖制作

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 模塊設(shè)計(jì)

不動(dòng)產(chǎn)三維重建服務(wù)系統(tǒng)功能需求主要有二維地圖和三維模型的瀏覽與聯(lián)動(dòng)、不動(dòng)產(chǎn)模型繪制與標(biāo)注、模型測(cè)量層高及面積計(jì)算、實(shí)體分戶空間屬性查詢和場(chǎng)景三維通視和日照分析等。根據(jù)需求分析和設(shè)計(jì)原則，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了以下模塊：地圖控制模塊、繪制量測(cè)模塊、屬性查詢模塊和空間分析模塊，以實(shí)現(xiàn)不動(dòng)產(chǎn)信息管理與服務(wù)。系統(tǒng)模塊如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)模塊

2.2 功能設(shè)計(jì)

(1)地圖控制模塊。視圖控制：Cesium主窗口提供了一個(gè)虛擬地球，可將圖層在地球上顯示，并提供一組基本控件，可以實(shí)現(xiàn)定位、二三維視圖轉(zhuǎn)換、返回初始位置、放大縮小、拖動(dòng)等基本功能。圖層聯(lián)動(dòng)：通過控件可進(jìn)行地圖或地形的切換。

(2)繪制量測(cè)模塊。圖形繪制：圖形繪制包括線、矩形、多邊形的繪制，實(shí)現(xiàn)貼面繪制效果。房屋量測(cè)：建筑量測(cè)包括測(cè)距和測(cè)面兩大功能，實(shí)現(xiàn)貼面測(cè)量。

(3)屬性查詢模塊。實(shí)現(xiàn)單體分層查詢。

(4)空間分析模塊。通視控制：時(shí)間控制包括控制時(shí)間和播放動(dòng)畫。日照分析：根據(jù)不同時(shí)間太陽的位置和建筑物的位置得出相應(yīng)陰影，實(shí)現(xiàn)日照分析。

3 不動(dòng)產(chǎn)三維重建服務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)主界面的實(shí)現(xiàn)

主界面主要分為四大塊：地圖控制模塊、繪制量測(cè)模塊、屬性查詢模塊和空間分析模塊。地圖控制模塊包括Geocoder、Home Button、Scene Mode Picker、Base Layer Picker、Navigation Help Button控件和Cesium-navigation插件，用于實(shí)現(xiàn)地圖控制。繪制量測(cè)模塊包括繪制功能和量測(cè)功能。屬性查詢模塊包括一個(gè)彈出窗口，可顯示建筑的單體信息?？臻g分析模塊包括Timeline 和Animation控件，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)日照情況分析展示。系統(tǒng)主界面如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)主界面

3.2 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)功能主要分為四大塊：地圖控制功能、繪制量測(cè)功能、屬性查詢功能和空間分析功能。地圖控制功能需要調(diào)用相關(guān)控件并將部分控件進(jìn)行改寫(如自定義Home Button)，并調(diào)用所需插件以實(shí)現(xiàn)縮放、旋轉(zhuǎn)、定位、切換地圖、切換視圖等基本操作。繪制量測(cè)功能包括測(cè)距和測(cè)面兩大功能，可以通過貼建筑量測(cè)得到不動(dòng)產(chǎn)的層高、棟高，測(cè)面得到建筑的面積，由此判斷不動(dòng)產(chǎn)是否符合建造規(guī)范。屬性查詢功能中為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)單體化需要矢量圖層，在Arcmap中創(chuàng)建面shapefile文件，根據(jù)谷歌無偏影像可以畫出對(duì)應(yīng)的房屋輪廓，并在屬性表中記錄相關(guān)不動(dòng)產(chǎn)信息及每一層的底高和頂高，將shapefile轉(zhuǎn)換成GeoJSON即可在Cesium中調(diào)用，以獲取單體分層信息?？臻g分析功能通過Timeline和Animation兩個(gè)控件可定位到某一時(shí)刻，確定該時(shí)刻的日照情況，并能倍速播放動(dòng)畫不同時(shí)間跨度的日照情況。

3.3 系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)例

系統(tǒng)采用無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)，各模塊功能如下：

(1)地圖控制模塊。實(shí)現(xiàn)縮放、旋轉(zhuǎn)、定位、切換地圖、切換視圖等基本操作，如圖8所示。

圖8 地圖控制模塊

(2)繪制量測(cè)模塊。量測(cè)功能設(shè)計(jì)了測(cè)距和測(cè)面兩大功能，可以通過貼建筑量測(cè)得到農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)的層高、棟高，測(cè)面得到建筑的面積，由此判斷農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)是否符合建造規(guī)范，不合規(guī)范的彈出警示窗口。單擊按鈕開始測(cè)面，左鍵確定頂點(diǎn)，右鍵確定圖形的終點(diǎn)，完成圖形繪制。該功能可以用來判斷建筑面積是否超占或建筑層高是否違章。測(cè)距與測(cè)面功能如圖9所示。

圖9 測(cè)距與測(cè)面

實(shí)現(xiàn)繪制功能，包括繪制線、矩形和多邊形，繪制為貼面進(jìn)行，效果如同為建筑覆蓋一層薄膜。繪制功能如圖10所示。

(3)單體查詢模塊。為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)單體化需要矢量圖層，在Arcmap中創(chuàng)建面Shapefile文件，根據(jù)谷歌無偏影像可以畫出對(duì)應(yīng)的房屋輪廓，并在屬性表中記錄相關(guān)不動(dòng)產(chǎn)信息及每一層的底高和頂高。由于Cesium不支持Shapefile格式，需轉(zhuǎn)換成GeoJSON文件，在網(wǎng)址http://mapshaper.org/可進(jìn)行在線轉(zhuǎn)換。調(diào)用GeoJSON并設(shè)置實(shí)體顯示屬性，根據(jù)屬性表的信息進(jìn)行三維實(shí)體的創(chuàng)建。設(shè)置顏色為隨機(jī)，分層創(chuàng)建單體覆蓋各個(gè)建筑單體。將透明度設(shè)置得較高，使得建筑外層實(shí)體不顯示，單擊各層可跳出信息框?qū)崿F(xiàn)信息的查詢，單擊某一建筑的某一層會(huì)彈出該層的詳細(xì)信息，如圖11所示。

圖10 繪制功能 圖11 單體分層查詢

(4)空間分析模塊。CesiumWidget的scene對(duì)象中內(nèi)置一些圖元對(duì)象，如地球、天空盒、太陽、月亮等，可以根據(jù)太陽的位置進(jìn)行陰影顯示，地球與太陽相背的一面為黑夜，相迎的一面為白天。基于此，啟用陰影的代碼，調(diào)用動(dòng)畫和時(shí)間軸，對(duì)不動(dòng)產(chǎn)三維模型進(jìn)行日照分析，通過拖動(dòng)時(shí)間條可觀察不同時(shí)間日照情況，動(dòng)畫控件可倍速觀看日照動(dòng)畫，如圖12所示。

圖12 日照分析功能

4 結(jié)論

為適應(yīng)三維模型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)化應(yīng)用需求，以農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)實(shí)體為例，提出利用無人機(jī)多角度傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，建立了基于Cesium的無人機(jī)傾斜攝影三維重建Web服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了不動(dòng)產(chǎn)三維信息可視化、查詢和分析等相關(guān)功能，為農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)可視化管理與分析提供了實(shí)景化平臺(tái)。基于Cesium庫光照模型提出了不動(dòng)產(chǎn)Web三維場(chǎng)景日照模擬技術(shù)，為建筑場(chǎng)景規(guī)劃設(shè)計(jì)提供了智慧化決策平臺(tái)。受制于系統(tǒng)軟硬件條件，本系統(tǒng)在空間分析、決策和業(yè)務(wù)化方面還存在一些不足，有待完善。隨著城市立體擴(kuò)張的加快，未來在三維Web業(yè)務(wù)化服務(wù)平臺(tái)上需求迫切，更高效、優(yōu)質(zhì)服務(wù)的功能亟待開發(fā)，有待進(jìn)一步深入研究。