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上搭載多臺傳感器，同時從一個垂直、四個傾斜等五個不同的角度采集影像，將用戶引入了符合人眼視覺的真實直觀世界。利用傾斜攝影技術(shù)的最大優(yōu)勢在于可以全自動、高效率、高精度、高精細的構(gòu)建地表全要素三維模型。自動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。所以呢，這項技術(shù)還是很厲害的。當(dāng)然了更應(yīng)該佩服的是那群通過計算機視覺技術(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技術(shù)帶來的最大創(chuàng)新在于這項技術(shù)帶來了無人機、實景三維建模平臺軟件、實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)的機會。整個傾斜攝影的應(yīng)用可以囊括無人機、傾斜攝影相機、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（如圖所示）擬搭載直升飛機或高空無人機作為飛行平臺，進行數(shù)據(jù)采集工作。傾斜攝影相機設(shè)備相機參數(shù)如下：相機尺寸74mm*69.5mm*52.5mm1*垂直相機鏡頭35mm可選垂直鏡頭55mm4*傾斜相機鏡頭55m

3、m可選傾斜相機鏡頭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)計工作電壓7.4V存儲隨機身存儲整體尺寸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主控臺與Smart3D引擎端。它們遵循主從模式(Master-Worker):Smart3D主控臺是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主控臺不會執(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)隊列(JobQueue)。Smart3D引擎端是Smart3D的工作模塊。它在計算機后臺運行，無需與用戶交互。當(dāng)Smart3D引擎端空閑時，在等待隊列中的任務(wù)，主要取決于它的優(yōu)先級與提交的數(shù)據(jù)。處理任務(wù)包括空中三角測量過程或者三維重建。空中三角測量過程或三維重建采用計算密集型算法，如關(guān)鍵點的提取，自動連接點匹配，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)格計算(GridComputing)。只需在多臺計算機上運行多4Smart3D引擎端，并將它們關(guān)聯(lián)到一個作業(yè)隊列上，就會

5、大幅降低處理時間Smart3DCapture計算架構(gòu)Smart3D包括以下工具模塊：Smart3DViewer是免費的輕量可視化模塊,它針對Smart3D原生格式進行了優(yōu)化，這種格式可以處理多重精細度模型(LOD)、分頁(Paging)和數(shù)據(jù)流(Streaming),因此TB級的三維數(shù)據(jù)能夠在本地或在線環(huán)境下進行順暢地瀏覽?？梢允褂肧mart3DViewer控制模型的生產(chǎn)質(zhì)量，也可以利用它對最終生產(chǎn)的模型成果進行瀏覽。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、運行軟硬件支撐平臺米購設(shè)備配置數(shù)量專用服務(wù)器CPU:8核CPU,CPU物理個數(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E5-1620v3CPU32G內(nèi)存2T硬盤4G獨顯1軟件平臺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 實景三維生產(chǎn)流程空三加電合格f實量三實景三維流程圖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，要及時對數(shù)據(jù)進行下載，原始數(shù)據(jù)經(jīng)下載步驟被分離成單獨影像數(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IMU/GPS數(shù)據(jù)進行聯(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) 航片編號航片編號由12位數(shù)字構(gòu)成，采用以航線為單位的流水編號。航片編號自左至右14位為攝區(qū)代號，56位為分區(qū)號，79位為航線號，1012位為航片流水號。以飛行方向為編號的增長方向，同一航線內(nèi)的航片編號不允許重復(fù)。當(dāng)有補飛航線時，補飛航線的航片流水號在原流水號基礎(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文件夾內(nèi)，文件夾名稱與航線編號一致，分區(qū)所有航線影像存于同一以分區(qū)號命名的文件夾中。影像文件為JPG格式，文件名稱與航片編號一致。航空攝影數(shù)據(jù)采用硬盤存儲，硬盤包裝盒標簽的注記內(nèi)容包括：攝區(qū)名稱、攝區(qū)代號、航攝儀類型及其編號、航攝儀主距、航攝時間、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、數(shù)據(jù)類型、航線號、起止片號。c) 瀏覽影像整理瀏覽影像應(yīng)與數(shù)字航片一一對應(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。而點云是在同一空間參考系下用來表示目標空間分布和目標表面特性的海量點集合。內(nèi)業(yè)軟件基于幾何校正，聯(lián)合平差等處理流程，可計算出基于影像的超高密度點云，如下圖：=TIN鎮(zhèn)型點邑裏投建一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)建真實三維模型，如下圖：4地理信息系統(tǒng)平臺1) 具備同步加載二維地圖、實景三維、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、標注等功能；3)支持WEB端和移動端開發(fā)。4.1 質(zhì)量控制4.1.1 質(zhì)量保證體系1) 實行項目負

10、責(zé)制，從技術(shù)設(shè)計、實施過程中的技術(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踐經(jīng)驗的高級工程師負責(zé)，嚴把質(zhì)量關(guān)。在項目實施過程中應(yīng)嚴格按照IS09001質(zhì)量管理體系的程序進行，做好各項檢查記錄工作。2) 產(chǎn)品實行二級檢查一級驗收制。過程檢查由分院專職檢查員承擔(dān)，最終檢查由院質(zhì)檢科負責(zé)實施，驗收工作由任務(wù)委托單位組織實施，或由該單位委托具有檢驗資格的檢驗機構(gòu)驗收。3) 各級檢查、驗收工作必須獨立進行，不得省略或代替。4.1.2 飛行質(zhì)量控制1)飛機停機位四周應(yīng)視野開闊，視場內(nèi)障礙物的高度角不屆大于15°。2)應(yīng)待飛機上所有發(fā)動機啟動后，方可打開航攝系統(tǒng)的

11、電源開關(guān)。3) 機載設(shè)備開機后，進行5min以上的初始化和靜態(tài)觀測，飛機方能滑行4) 飛行期間基站和機載GPS接收機數(shù)據(jù)采樣間隔均不應(yīng)大于Is。5) 飛機上升、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) 進人攝區(qū)航線時，應(yīng)采用左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎交替方式飛行，且每次直線飛行時間不應(yīng)大于30min。7) 航攝飛行過程中應(yīng)及時觀察系統(tǒng)的工作情況，重點觀察GPS信號失鎖現(xiàn)象，根據(jù)實際情況及時處理。出現(xiàn)GPS信號失鎖時，應(yīng)立即中止攝影，并在信號恢復(fù)正常5min后再進入航線進行攝影，若GPS信號始終無法恢復(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)閉飛機發(fā)動機。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起初是一個做.NET的大神在自己項目中遇到的同時，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)標準的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WMSWFSWMTS標準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實驗宰（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)一個好處就是你壓根不必要準備好一個谷歌瀏覽器環(huán)境，dojo屏蔽了瀏覽器差異。不僅僅于此，用ArcGIS平臺一個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Cesium團隊也在對這些bug進行修復(fù)。后來就出現(xiàn)了超圖的代碼與Cesium團隊代碼合不上的情況，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，因為1.4x到1.5xCesium確實進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)字虛擬地球其實在各家三維球開發(fā)過程中最避不開的就是相機飛行與四角矩陣的計算，Cesium提供的方法各種參數(shù)要的調(diào)試測試，費九牛二虎之力才能找到一個合適的角度，后來師兄教了我自己來計算四角矩陣我才差不多解決這個問題。在此之

16、前飛行方法真的是很頭疼。不過假如你是使用Skyline，你就能體會到skyline提供的飛行方法多么的穩(wěn)定、強大。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)，可以實現(xiàn)對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)與國土資源的計劃、審批、供應(yīng)

17、、補充、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，可實現(xiàn)對國土資源的批、供、用、補、查全過程監(jiān)管，實現(xiàn)資源動態(tài)監(jiān)管的目標，有利于提高工作質(zhì)量及工作效率，減少工作成本，有效實現(xiàn)部門間業(yè)務(wù)信息資源及時共享，便于領(lǐng)導(dǎo)及時準確進行決策。智慧國土中的應(yīng)用6.1.3 在不動產(chǎn)登記中的作用采用傾斜攝影技術(shù)多次對不動產(chǎn)監(jiān)測區(qū)域進行影像獲取，通過傾斜攝影測量自動三維建模技術(shù)建立三維模型，輔助外業(yè)人員調(diào)查，在三維場景中進行坐標量測，形成矢量圖形，輔助外業(yè)進行修補測量等一系列工作，能夠極大程度上提高不動產(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)管理機構(gòu)對日常業(yè)務(wù)的管理需求，實現(xiàn)對不動產(chǎn)登記的可視化、科學(xué)化、精細化管理。在不動產(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有關(guān)應(yīng)急管理的計劃和制度的出臺，應(yīng)急管理工作已經(jīng)成為國家公共安全工作的重點內(nèi)容之一。對于公安應(yīng)急安保業(yè)務(wù)來說，傾斜攝影可真實準確還原目標區(qū)域?qū)嵕叭S。精準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，對事故現(xiàn)場和周圍環(huán)境情況做全面仿真與監(jiān)控，并實時、快速、動態(tài)地了解事態(tài)進展，及時根據(jù)現(xiàn)場實時情況疏散人群、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)