基于傾斜攝影快速構(gòu)建城市三維模型的方法

1、基于傾斜攝影技術(shù)快速構(gòu)建城市三維模型的方法1航測系統(tǒng)傾斜攝影技術(shù)是國際測繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，它顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜等五個(gè)不同的角度采集影像，將用戶引入了符合人眼視覺的真實(shí)直觀世界。利用傾斜攝影技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于可以全自動(dòng)、高效率、高精度、高精細(xì)的構(gòu)建地表全要素三維模型。自動(dòng)建模和智能測圖一下搞定了攝影測量幾十年來苦苦追求的目標(biāo)。所以呢，這項(xiàng)技術(shù)還是很厲害的。當(dāng)然了更應(yīng)該佩服的是那群通過計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)利用足夠數(shù)量和有足夠重疊度的傾斜影像實(shí)現(xiàn)了三維重建的程序員，這才形成了傾斜攝影技術(shù)或傾斜攝影測量技

2、術(shù)。而我自己覺得傾斜攝影這項(xiàng)技術(shù)帶來的最大創(chuàng)新在于這項(xiàng)技術(shù)帶來了無人機(jī)、實(shí)景三維建模平臺(tái)軟件、實(shí)景三維模型后期建模修模、GIS+上下游產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的空間。帶來了一大批高薪就業(yè)的機(jī)會(huì)。整個(gè)傾斜攝影的應(yīng)用可以囊括無人機(jī)、傾斜攝影相機(jī)、航拍航線、航飛、空三、建模面向應(yīng)用（三維測圖、結(jié)合3DGIS定制開發(fā)應(yīng)用）等。傾斜攝影原理示意圖1傾斜攝影原理示意圖2傾斜攝影技術(shù)作為數(shù)據(jù)獲取方案，采用傾斜攝影相機(jī)（如圖所示）擬搭載直升飛機(jī)或高空無人機(jī)作為飛行平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。傾斜攝影相機(jī)設(shè)備相機(jī)參數(shù)如下：相機(jī)尺寸74mm*69.5mm*52.5mm1*垂直相機(jī)鏡頭35mm可選垂直鏡頭55mm4*傾斜相機(jī)鏡頭55m

3、m可選傾斜相機(jī)鏡頭85mm快門速度1/30S到1/4000S像素尺寸5456*3632(3:2)防抖減震整體吊艙減震設(shè)計(jì)工作電壓7.4V存儲(chǔ)隨機(jī)身存儲(chǔ)整體尺寸240mm*240mm*178mm吊艙重量2.9kg工作溫度-10攝氏度到40攝氏度2軟件系統(tǒng)Smart3D的兩大模塊：Smart3D主控臺(tái)與Smart3D引擎端。它們遵循主從模式(Master-Worker):Smart3D主控臺(tái)是Smart3D的主要模塊。用戶可以通過圖形用戶界面，向軟件定義輸入數(shù)據(jù)，設(shè)置處理過程、提交過程任務(wù)、監(jiān)控這些任務(wù)的處理過程與處理結(jié)果可視化等。Smart3D主控臺(tái)不會(huì)執(zhí)行處理過程，而是將任務(wù)分解為基礎(chǔ)作業(yè)并其

4、提交給作業(yè)隊(duì)列(JobQueue)。Smart3D引擎端是Smart3D的工作模塊。它在計(jì)算機(jī)后臺(tái)運(yùn)行，無需與用戶交互。當(dāng)Smart3D引擎端空閑時(shí)，在等待隊(duì)列中的任務(wù)，主要取決于它的優(yōu)先級(jí)與提交的數(shù)據(jù)。處理任務(wù)包括空中三角測量過程或者三維重建?？罩腥菧y量過程或三維重建采用計(jì)算密集型算法，如關(guān)鍵點(diǎn)的提取，自動(dòng)連接點(diǎn)匹配，集束調(diào)整、密度圖像匹配、穩(wěn)健三維重建、無接縫紋理映射、紋理貼圖、包裝、細(xì)節(jié)層次生成等。由于采用了主從模式(Master-Worker),Smart3D支持網(wǎng)格計(jì)算(GridComputing)。只需在多臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行多4Smart3D引擎端，并將它們關(guān)聯(lián)到一個(gè)作業(yè)隊(duì)列上，就會(huì)

5、大幅降低處理時(shí)間Smart3DCapture計(jì)算架構(gòu)Smart3D包括以下工具模塊：Smart3DViewer是免費(fèi)的輕量可視化模塊,它針對(duì)Smart3D原生格式進(jìn)行了優(yōu)化，這種格式可以處理多重精細(xì)度模型(LOD)、分頁(Paging)和數(shù)據(jù)流(Streaming),因此TB級(jí)的三維數(shù)據(jù)能夠在本地或在線環(huán)境下進(jìn)行順暢地瀏覽?？梢允褂肧mart3DViewer控制模型的生產(chǎn)質(zhì)量，也可以利用它對(duì)最終生產(chǎn)的模型成果進(jìn)行瀏覽。Smart3DSettings管理軟件授權(quán)許可證、任務(wù)路徑設(shè)置及相關(guān)其他軟件配置。Smart3DSceneComposer為Smart3DViewer修改、配置三維索引文件。數(shù)據(jù)

6、運(yùn)行軟硬件支撐平臺(tái)米購設(shè)備配置數(shù)量專用服務(wù)器CPU:8核CPU,CPU物理個(gè)數(shù)22,2.4GHz及以上；內(nèi)存：32GB；硬盤：4*300G1圖形工作站塔式圖形工作站主機(jī)E5-1620v3CPU32G內(nèi)存2T硬盤4G獨(dú)顯1軟件平臺(tái)Supermap8C、Arcgis、Citymaker、Skyline等13技術(shù)路線、流程3.1總體技術(shù)流程總體技術(shù)流程圖3.2 傾斜攝影流程圖6傾斜攝影流程圖否3.3 實(shí)景三維生產(chǎn)流程空三加電合格f實(shí)量三實(shí)景三維流程圖3.4航測數(shù)據(jù)處理3.4.1 數(shù)據(jù)下載航攝飛行完成，要及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行下載，原始數(shù)據(jù)經(jīng)下載步驟被分離成單獨(dú)影像數(shù)據(jù)、位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)、飛行信息數(shù)據(jù)。3.4.

7、2 IMU/GPS數(shù)據(jù)處理采用InertialExplorer軟件將同步觀測的CORS基站數(shù)據(jù)采用差分GPS方法對(duì)IMU/GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算，并填寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理檢查手簿和飛行數(shù)據(jù)檢查結(jié)果分析表。按規(guī)范要求平面偏差不大于0.08m、高程偏差不大于0.3m、速度偏差不大于0.4m/s。3.4.3 數(shù)據(jù)整理a) 航片編號(hào)航片編號(hào)由12位數(shù)字構(gòu)成，采用以航線為單位的流水編號(hào)。航片編號(hào)自左至右14位為攝區(qū)代號(hào)，56位為分區(qū)號(hào)，79位為航線號(hào)，1012位為航片流水號(hào)。以飛行方向?yàn)榫幪?hào)的增長方向，同一航線內(nèi)的航片編號(hào)不允許重復(fù)。當(dāng)有補(bǔ)飛航線時(shí)，補(bǔ)飛航線的航片流水號(hào)在原流水號(hào)基礎(chǔ)上加500。b) 航片整

8、理以航線為單位，同一條航線的航片統(tǒng)一按正北方向存放在同一個(gè)文件夾內(nèi)，文件夾名稱與航線編號(hào)一致，分區(qū)所有航線影像存于同一以分區(qū)號(hào)命名的文件夾中。影像文件為JPG格式，文件名稱與航片編號(hào)一致。航空攝影數(shù)據(jù)采用硬盤存儲(chǔ)，硬盤包裝盒標(biāo)簽的注記內(nèi)容包括：攝區(qū)名稱、攝區(qū)代號(hào)、航攝儀類型及其編號(hào)、航攝儀主距、航攝時(shí)間、航線數(shù)和航片數(shù)、航攝面積、地面分辨率、航攝單位、硬盤編號(hào)、數(shù)據(jù)類型、航線號(hào)、起止片號(hào)。c) 瀏覽影像整理瀏覽影像應(yīng)與數(shù)字航片一一對(duì)應(yīng)，由高分辨率真彩色影像重采樣獲得，文件大小為100KB300KB，其文件命名與其對(duì)應(yīng)的數(shù)字航片文件命名一致。傾斜攝影測量的數(shù)據(jù)本質(zhì)上來看是mesh模型，什么是me

9、sh模型呢？mesh模型就是網(wǎng)格面模型，它是點(diǎn)云通過一些算法，比如區(qū)域增長法、八叉樹算法和波前算法等等構(gòu)成的。而點(diǎn)云是在同一空間參考系下用來表示目標(biāo)空間分布和目標(biāo)表面特性的海量點(diǎn)集合。內(nèi)業(yè)軟件基于幾何校正，聯(lián)合平差等處理流程，可計(jì)算出基于影像的超高密度點(diǎn)云，如下圖：=TIN鎮(zhèn)型點(diǎn)邑裏投建一TINI不規(guī)則三角網(wǎng))摸型，如下圏最后經(jīng)過紋理映射構(gòu)建真實(shí)三維模型，如下圖：4地理信息系統(tǒng)平臺(tái)1) 具備同步加載二維地圖、實(shí)景三維、三維模型、正射影像圖的數(shù)據(jù)管理能力；2) 具備三維交互瀏覽、屬性查詢檢索、分析、標(biāo)注等功能；3)支持WEB端和移動(dòng)端開發(fā)。4.1 質(zhì)量控制4.1.1 質(zhì)量保證體系1) 實(shí)行項(xiàng)目負(fù)

10、責(zé)制，從技術(shù)設(shè)計(jì)、實(shí)施過程中的技術(shù)問題處理，到DEM采集、DOM制作、紋理數(shù)據(jù)采集、模型制作都選定具有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的高級(jí)工程師負(fù)責(zé)，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)。在項(xiàng)目實(shí)施過程中應(yīng)嚴(yán)格按照IS09001質(zhì)量管理體系的程序進(jìn)行，做好各項(xiàng)檢查記錄工作。2) 產(chǎn)品實(shí)行二級(jí)檢查一級(jí)驗(yàn)收制。過程檢查由分院專職檢查員承擔(dān)，最終檢查由院質(zhì)檢科負(fù)責(zé)實(shí)施，驗(yàn)收工作由任務(wù)委托單位組織實(shí)施，或由該單位委托具有檢驗(yàn)資格的檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)驗(yàn)收。3) 各級(jí)檢查、驗(yàn)收工作必須獨(dú)立進(jìn)行，不得省略或代替。4.1.2 飛行質(zhì)量控制1)飛機(jī)停機(jī)位四周應(yīng)視野開闊，視場內(nèi)障礙物的高度角不屆大于15°。2)應(yīng)待飛機(jī)上所有發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，方可打開航攝系統(tǒng)的

11、電源開關(guān)。3) 機(jī)載設(shè)備開機(jī)后，進(jìn)行5min以上的初始化和靜態(tài)觀測，飛機(jī)方能滑行4) 飛行期間基站和機(jī)載GPS接收機(jī)數(shù)據(jù)采樣間隔均不應(yīng)大于Is。5) 飛機(jī)上升、下降速率不應(yīng)大于10m/s，且飛行過程中轉(zhuǎn)彎坡度不宜超過20°。6) 進(jìn)人攝區(qū)航線時(shí)，應(yīng)采用左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎交替方式飛行，且每次直線飛行時(shí)間不應(yīng)大于30min。7) 航攝飛行過程中應(yīng)及時(shí)觀察系統(tǒng)的工作情況，重點(diǎn)觀察GPS信號(hào)失鎖現(xiàn)象，根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)處理。出現(xiàn)GPS信號(hào)失鎖時(shí)，應(yīng)立即中止攝影，并在信號(hào)恢復(fù)正常5min后再進(jìn)入航線進(jìn)行攝影，若GPS信號(hào)始終無法恢復(fù)正常，應(yīng)立即終止本架次飛行，并查明原因。8）飛機(jī)停穩(wěn)后，IMU/GP

12、S系統(tǒng)應(yīng)繼續(xù)觀測2min以上，再關(guān)閉航攝系統(tǒng)，最后關(guān)閉飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。9）飛行結(jié)束后，填寫航攝飛行記錄表和IMU/GPS記錄表。5幾家平臺(tái)介紹5.1 CesiumWebGL技術(shù)+三維球開源框架+大數(shù)據(jù)渲染Cesium起初是一個(gè)做.NET的大神在自己項(xiàng)目中遇到的同時(shí)，思考基于webgl技術(shù)寫的一套三維虛擬地球框架，這讓我們自然的聯(lián)想到為什么Cesium默認(rèn)底圖是微軟的BingMap。Cesium到現(xiàn)在已經(jīng)迭代到1.56版，在各方面已經(jīng)相當(dāng)成熟。有OGC社區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的3DTiles數(shù)據(jù)規(guī)范雖然積極因素很大，但是從國內(nèi)國外使用Cesium來拓展自己webgl三維球的GIS廠商來看就知道了。Cesium支持傾

13、斜攝影分層分戶單體化、影像黑邊代碼控制透明、支持3DTiles傾斜攝影、BIM數(shù)據(jù)加載和lod，支持實(shí)WMSWFSWMTS標(biāo)準(zhǔn)OGS服務(wù)Cesium超圖WbGL引擎棄例集合（基于Cesium改造）ArcGISJS（非基于Cesium）Wish3D（基于Cesium改造）Wish3D案例集（基于Cesium改造）Cesium實(shí)驗(yàn)宰（提供基于Cesium的數(shù)據(jù)處理和可視化功能）知乎妙艾三維呂曲5.2 ArcGISArcGIS的Web3D來得很遲ArcGISAPIforJavaScript4.x，Esri推出的旗幟鮮明對(duì)接64位ArcGISPro的WebGL開發(fā)包,ArcGIS這一套完全是自己自主開

14、發(fā)，底層用了Dojo框架，用ArcGIS開發(fā)一個(gè)好處就是你壓根不必要準(zhǔn)備好一個(gè)谷歌瀏覽器環(huán)境，dojo屏蔽了瀏覽器差異。不僅僅于此，用ArcGIS平臺(tái)一個(gè)好處就是你在桌面配的效果，只管放心的發(fā)布服務(wù)，桌面什么風(fēng)格，發(fā)布后服務(wù)絕對(duì)就是什么風(fēng)格，不用擔(dān)心風(fēng)格、樣式丟失。短期內(nèi)的web三維崛起，還是挺期待ArcGIS的。5.3 SuperMap借助二三維一體化占據(jù)國內(nèi)三維市場第一用超圖的軟件：流程簡易，容易上手入門，場景配置、服務(wù)發(fā)布流程簡易，國內(nèi)服務(wù)好，有中文api，同時(shí)還能撥打客服電話咨詢開發(fā)中遇到的問題。但是超圖的WebGL較早的投入到了Cesium的懷抱，而早期的Cesium問題較多，超圖在

15、拿到源碼后為了適配自己的其他產(chǎn)品，修復(fù)了不少bug，同時(shí)Cesium團(tuán)隊(duì)也在對(duì)這些bug進(jìn)行修復(fù)。后來就出現(xiàn)了超圖的代碼與Cesium團(tuán)隊(duì)代碼合不上的情況，所以，所以、所以、到現(xiàn)在，超圖的VebGL版本還是1.41,其實(shí)社區(qū)已經(jīng)有很大的更新呼聲了。相信不久就能更新了吧，因?yàn)?.4x到1.5xCesium確實(shí)進(jìn)行大的更新迭代和功能修復(fù)。5.4 skyline與谷歌地球同源的3D數(shù)字虛擬地球其實(shí)在各家三維球開發(fā)過程中最避不開的就是相機(jī)飛行與四角矩陣的計(jì)算，Cesium提供的方法各種參數(shù)要的調(diào)試測試，費(fèi)九牛二虎之力才能找到一個(gè)合適的角度，后來師兄教了我自己來計(jì)算四角矩陣我才差不多解決這個(gè)問題。在此之

16、前飛行方法真的是很頭疼。不過假如你是使用Skyline，你就能體會(huì)到skyline提供的飛行方法多么的穩(wěn)定、強(qiáng)大。6傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用6.1行業(yè)應(yīng)用611智慧城市建設(shè)中的作用城市空間信息系統(tǒng)是數(shù)字化的軟基礎(chǔ)設(shè)施。但是長久以來，城市三維模型采集制作周期長、建模費(fèi)用高、測量精度差等問題，成為了制約智慧城市發(fā)展的瓶頸。隨著本項(xiàng)目傾斜攝影技術(shù)的普及，使大范圍、高精度城市傾斜影像獲取成為可能，利用相關(guān)處理軟件，形成城市三維地理信息數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)智慧城市全要素管理、監(jiān)測、分析，為決策者提供輔助決策支持。6.1.2 在智慧國土中的作用利用傾斜三維數(shù)據(jù)，并與土地管理數(shù)據(jù)、礦產(chǎn)數(shù)據(jù)與國土資源的計(jì)劃、審批、供應(yīng)

17、、補(bǔ)充、開發(fā)、執(zhí)法等行政監(jiān)管系統(tǒng)疊加，共同構(gòu)建統(tǒng)一的綜合監(jiān)管平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)國土資源的批、供、用、補(bǔ)、查全過程監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)資源動(dòng)態(tài)監(jiān)管的目標(biāo)，有利于提高工作質(zhì)量及工作效率，減少工作成本，有效實(shí)現(xiàn)部門間業(yè)務(wù)信息資源及時(shí)共享，便于領(lǐng)導(dǎo)及時(shí)準(zhǔn)確進(jìn)行決策。智慧國土中的應(yīng)用6.1.3 在不動(dòng)產(chǎn)登記中的作用采用傾斜攝影技術(shù)多次對(duì)不動(dòng)產(chǎn)監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行影像獲取，通過傾斜攝影測量自動(dòng)三維建模技術(shù)建立三維模型，輔助外業(yè)人員調(diào)查，在三維場景中進(jìn)行坐標(biāo)量測，形成矢量圖形，輔助外業(yè)進(jìn)行修補(bǔ)測量等一系列工作，能夠極大程度上提高不動(dòng)產(chǎn)登記的效率；結(jié)合其他分析工具可以形成以房屋數(shù)據(jù)為主線，從房產(chǎn)建設(shè)到房屋拆遷的完整生命周期管理，能

18、夠滿足房產(chǎn)管理機(jī)構(gòu)對(duì)日常業(yè)務(wù)的管理需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)不動(dòng)產(chǎn)登記的可視化、科學(xué)化、精細(xì)化管理。在不動(dòng)產(chǎn)登記中的應(yīng)用6.1.4在公安應(yīng)急中的作用隨著國家各項(xiàng)有關(guān)應(yīng)急管理的計(jì)劃和制度的出臺(tái)，應(yīng)急管理工作已經(jīng)成為國家公共安全工作的重點(diǎn)內(nèi)容之一。對(duì)于公安應(yīng)急安保業(yè)務(wù)來說，傾斜攝影可真實(shí)準(zhǔn)確還原目標(biāo)區(qū)域?qū)嵕叭S。精準(zhǔn)的三維模型可以為警用空間分析提供更精確的分析結(jié)果，對(duì)事故現(xiàn)場和周圍環(huán)境情況做全面仿真與監(jiān)控，并實(shí)時(shí)、快速、動(dòng)態(tài)地了解事態(tài)進(jìn)展，及時(shí)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)時(shí)情況疏散人群、組織救援、協(xié)調(diào)各方資源提供應(yīng)急保障，從而最大程度上減少人民群眾的人身和財(cái)產(chǎn)損失，為決策人員提供詳盡的輔助決策方案，有效保障安保任務(wù)的順利執(zhí)行。在公安應(yīng)急中的應(yīng)