數(shù)字化測圖三維實景仿真系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

鄭 哲

(福建省地質(zhì)測繪院，福州，350011)

近年來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)因其沉浸性、交互性、多感知性的特征，在虛擬仿真建模方面應(yīng)用十分廣泛。在測繪領(lǐng)域由于資源、場地、天氣的限制，對從業(yè)人員專業(yè)培訓(xùn)的效果無法達到理想的狀態(tài)，因此，眾多學(xué)者嘗試進行測繪仿真教學(xué)的探索和突破?；ㄏ蚣t等[1,2]應(yīng)用Arc-Scene和Sketch Up相結(jié)合的建模方法建立了地面數(shù)字化測圖模擬與仿真平臺；馬春艷等[3]應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行測繪儀器模型的設(shè)計與開發(fā)；田鵬等[4]基于Unity 3D虛擬現(xiàn)實引擎進行全站儀虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)。對于測繪領(lǐng)域，虛擬系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵在于模擬符合真實性的基本地理信息數(shù)據(jù)，如空間坐標、相對位置及方向等[5]，而傳統(tǒng)的虛擬仿真技術(shù)采用的三維模型是在CAD圖紙的基礎(chǔ)上，依托三維建模軟件搭建出來的簡化的虛擬場景，其場景不是真實世界在計算機中的表示，無法精確表達基礎(chǔ)地理信息，場景單一，模型結(jié)構(gòu)簡單。數(shù)字化測圖采集的是地物、地貌的坐標、屬性、連接關(guān)系[6]，難點在于如何根據(jù)實際復(fù)雜的地形情況制定測圖方案，從而快速地、高精度地完成測繪工作，而經(jīng)簡化、單一化、美化的場景實際上并不適合作為測圖仿真教學(xué)的場景，因此提出將三維實景建模技術(shù)應(yīng)用于虛擬仿真中，設(shè)計、開發(fā)數(shù)字化測圖三維實景仿真系統(tǒng)。

1 數(shù)字化測圖三維實景仿真系統(tǒng)整體架構(gòu)

依托三維實景模型數(shù)據(jù)，應(yīng)用Unity 3D開發(fā)工具，通過其組件導(dǎo)向式的平臺功能、內(nèi)置的API函數(shù)庫與C#語言結(jié)合[7]，高效開發(fā)數(shù)字化測圖三維實景仿真系統(tǒng)。首先應(yīng)用三維實景建模技術(shù)，通過無人機、手持掃描儀、相機等采集設(shè)備，根據(jù)多個角度采集的帶有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的影像信息，自動生成高精度、高分辨率、帶有真實紋理的實景三維模型。其次以三維實景模型為基礎(chǔ)，基于測圖的任務(wù)和工序，應(yīng)用Unity 3D進行系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)，其中控制測量為數(shù)字測圖提供控制基礎(chǔ)，數(shù)字測圖采集場景地物、地貌的信息并實時成圖，質(zhì)量評價指對測圖的成果進行數(shù)學(xué)精度檢測和屬性精度檢測。

2 三維實景建模

以福州貴安地區(qū)500 m×500 m區(qū)域為例，進行三維實景建模，實驗應(yīng)用飛馬F200無人機搭載小型5鏡頭傾斜航攝儀，鏡頭采用SONY QX1，焦距為20 mm，像元尺寸為4.3 μm，在航飛過程中嚴格限制航高，相機正射面時相對航高最大為232.5 m。對于因房屋密集或植被過密造成下層物體被遮擋的現(xiàn)象，地面補充拍攝被遮擋的影像以補充影像信息，獲取不同視角的傾斜影像。由于從不同視角獲取影像數(shù)據(jù)，尺度無法統(tǒng)一[8,9]，因此采用空地聯(lián)合進行多視角空三加密，根據(jù)不同視角傾斜影像、不同傾角相機之間的相對位置關(guān)系的描述文件、下視影像的外方位元素、像控點成果進行區(qū)域網(wǎng)平差求解所有影像的外方位元素[10,11]。再根據(jù)2張相片攝影中心點之間的位置關(guān)系，逐一在范圍內(nèi)進行像對點云匹配、合并，根據(jù)合并后的點云文件創(chuàng)建三維模型。應(yīng)用LOD技術(shù)創(chuàng)建紋理細節(jié)層次，并根據(jù)視點遠近自動進行紋理映射[12]構(gòu)建三維實景模型。通過對無人機航飛處理后的點云數(shù)據(jù)(圖1a)做成三維實景模型成果(圖1b)；在放大的三維實景局部效果中可以看出創(chuàng)建的三維實景具有豐富的細節(jié)層次(圖1c)；在實驗區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)18個檢核點，用以進行三維實景模型的精度檢核，事先應(yīng)用GNSS靜態(tài)測量獲取18個檢核點的坐標，將其與三維實景模型中對應(yīng)檢核點的坐標進行比對(圖1d)。

圖1 三維實景模型Fig.1 3D real scene modela—處理后的點云數(shù)據(jù)；b—模型成果；c—放大的局部效果；d—檢核點比對效果

模型坐標各檢核點的X、Y、 Z分量上的差值，只列出部分數(shù)值(表1)。根據(jù)檢驗情況統(tǒng)計計算得到中誤差為2.694 cm，通過分析三維實景模型總體精度優(yōu)于3 cm，該三維實景模型滿足大比例尺數(shù)字化測圖的成圖精度要求(表2)。

表1 三維實景模型坐標檢核Table 1 3D real scene model coordinate check core

表2 三維實景模型精度(中誤差)統(tǒng)計Table 2 3D real scene model accuracy (mean error) statistics

模型加載與優(yōu)化從兩個方面入手，首先紋理方面，創(chuàng)建LOD紋理，應(yīng)用紋理壓縮技術(shù)，通過DXT壓縮算法對紋理進行壓縮，節(jié)省紋理內(nèi)存空間[13-17]；其次模型方面應(yīng)用可見性剔除技術(shù)，通過定義一個視錐體，依據(jù)截錐體和對象的邊界體(包圍盒)的位置關(guān)系來實現(xiàn)裁減算法，其結(jié)果是在實時渲染過程中，只有在截錐體內(nèi)部的多邊形才會被繪制出來。

3 系統(tǒng)模塊設(shè)計

利用Unity 3D開發(fā)工具進行相關(guān)系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計和交互式操作，系統(tǒng)根據(jù)測繪工序設(shè)計3個模塊，分別是控制測量、數(shù)字測圖、質(zhì)量評價，為每個模塊的具體功能(圖2)。仿真系統(tǒng)是側(cè)重于如何利用測量儀器進行數(shù)據(jù)的獲取，獲取什么樣的數(shù)據(jù)，獲取的數(shù)據(jù)如何進行處理。因此系統(tǒng)中簡化儀器的架設(shè)操作，默認儀器一架好就是對中整平狀態(tài)；簡化儀器的按鍵操作，數(shù)據(jù)采集用空格鍵來代替，通過對測量儀器進行交互式的操作獲取水平角、豎直角、距離、坐標、高程等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。

圖2 測圖仿真系統(tǒng)模塊設(shè)計圖Fig.2 Mapping simulation system module design drawing

3.1 控制測量

應(yīng)用全站儀進行導(dǎo)線控制測量。首先進行控制點布設(shè)，系統(tǒng)設(shè)計2種布設(shè)方案，一種系統(tǒng)內(nèi)置一套控制點，一種可在場景中進行手動布點，在系統(tǒng)中通過鼠標手動布點，該示例中S01、S02為已知點，S03～S06為布設(shè)的待求控制點(圖3a)。其次，進行測站的模擬外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作。通過鼠標單擊棱鏡操作驅(qū)動全站儀瞄準對應(yīng)棱鏡中心，由鼠標控制進行盤位選擇，從而讀取相關(guān)讀數(shù)。程序設(shè)計一測站進行2個測回觀測，采集測站名、方向名、盤左盤右水平方向值、距離，由此計算一測回水平方向值、平均距離。程序設(shè)置了檢核參數(shù)：半測回歸零差、歸零半測回方向值互差、同一方向值測回間互差、觀測邊長較差。數(shù)據(jù)一旦采集完畢，自動觸發(fā)程序進行參數(shù)檢核，由此嚴格控制數(shù)據(jù)采集的精度，為應(yīng)用控制測量程序進行的數(shù)據(jù)采集(圖3b)。所有測站數(shù)據(jù)采集完成后進入內(nèi)業(yè)進行成果整理工作。

圖3 測圖仿真系統(tǒng)中控制點布設(shè)(a)與控制測量采集(b)Fig.3 Control point layout (a) and control measurement acquisition (b) in mapping simulation system

3.2 數(shù)字測圖

數(shù)字測圖模塊以采集的控制測量成果為基礎(chǔ)開展地理要素采集，該模塊設(shè)計2種作業(yè)模式：(1)根據(jù)控制測量成果，程序設(shè)計利用4個方向鍵驅(qū)動人物進行全場景漫游。當人物進入到測站點區(qū)域范圍時，程序設(shè)計此時無論進行儀器架設(shè)還是棱鏡架設(shè)都自動捕捉測站點坐標，默認儀器已嚴格進行對中整平。右下方設(shè)計望遠鏡窗口，模擬望遠鏡進行瞄準觀測，當望遠鏡處于瞄準狀態(tài)時，設(shè)計通過鼠標滾輪進行場景的放大和縮小，通過“1，2，3，5”4個數(shù)字鍵模擬全站儀的水平微動、豎直微動以便精確瞄準目標，當目標精確瞄準時，程序設(shè)計以空格鍵作為采集快捷鍵進行坐標采集，望遠鏡瞄準采集某一房角特征點坐標。場景中必然存在因地物遮擋或觀測條件不佳造成無法采集特征點的情況，根據(jù)地物繪圖的方式以及測算結(jié)合的思路，通過獲取鼠標單擊位置的坐標，應(yīng)用magnitude函數(shù)設(shè)計開發(fā)距離量算功能。(2)將仿真系統(tǒng)中采集的坐標實時傳輸?shù)紺ASS軟件中以便作業(yè)員對照實景進行成圖，通過定義2個坐標點文件，一個用于備份，一個不斷復(fù)寫、更新坐標點將仿真系統(tǒng)采集的坐標實時保存成坐標點文件，最后基于實時傳輸?shù)淖鴺藬?shù)據(jù)進行成圖，對應(yīng)該三維實景的測圖區(qū)域的效果圖(圖4)。

圖4 三維實景測圖成圖效果Fig.4 3D real scene figure effect

3.3 質(zhì)量評價

質(zhì)量評價分為數(shù)學(xué)精度檢測和屬性精度檢測，數(shù)學(xué)精度檢測，包括平面坐標精度檢測、高程精度檢測、距離精度檢測、等高線精度檢測；屬性精度檢測，主要是針對成圖的完整性，是否存在地物錯漏或者屬性編碼不一致等情況[18]，質(zhì)量評價算法如下。

(1)進行評分點設(shè)置，獲取評分點的基本信息，如評分點坐標、屬性編碼。評分點根據(jù)地物類型細分為依比例、不依比例、半依比例的地物評分點，不同類型地物基點位置不同需加以區(qū)分。

(2)設(shè)置編碼文件和搜索范圍。編碼文件格式為：地物編碼=地物編碼1,地物編碼2……

根據(jù)編碼文件全圖搜索與評分點地物編碼對應(yīng)的所有地物，得到搜索結(jié)果，再根據(jù)搜索范圍在搜索結(jié)果的集合內(nèi)搜索與評分點相近的點。若結(jié)果為真則判定屬性精度檢測結(jié)果可靠，并進入數(shù)學(xué)精度檢測，否則統(tǒng)計屬性錯誤(含地物缺漏)個數(shù)。

(3)數(shù)學(xué)精度檢測，首先設(shè)置粗差率，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，統(tǒng)計粗差個數(shù)，若粗差率超過設(shè)定值則該圖某項數(shù)學(xué)精度檢測不合格；若粗差率在控制范圍內(nèi)，則將粗差剔除，計算精度進行精度評分。

(4)根據(jù)粗差情況、各分項精度檢測得分設(shè)計權(quán)重值，得到該圖的綜合得分，各圖幅的綜合得分分值在0～100。

4 結(jié)論

通過數(shù)字化測圖三維實景仿真系統(tǒng)的構(gòu)建思路，提出將三維實景應(yīng)用到測繪的仿真中，以真實地再現(xiàn)現(xiàn)實世界，模擬符合真實性的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。同時該系統(tǒng)是一個綜合型的應(yīng)用系統(tǒng)，根據(jù)測圖的任務(wù)特征將控制測量、數(shù)字測圖、質(zhì)量評價等3大缺一不可的內(nèi)容集成在一起，實現(xiàn)內(nèi)外業(yè)一體化測圖。