傾斜攝影開創實景三維智慧城市新時代

文｜黃楊

黑龍江省測繪科學研究所自2013年底引進歐洲空客集團“街景工廠”傾斜攝影三維建模軟件以來，致力于傾斜攝影測量相關技術的研究與實踐，以智慧城市建設項目為開端，將傾斜攝影實景三維、真正射影像等一系列傾斜攝影成果應用在國土、規劃、城管、警務等社會各行業的智慧城市建設管理中。并從常規高空傾斜攝影測量逐漸深入至中低空高分辨率領域，率先引入“輕型無人機傾斜攝影平臺”，并結合“基于弱POS數據的精度控制”等研究，生產出高質量、高精度的實景三維模型，完成“高、中、低空”一整套的傾斜攝影解決方案。為更好的貼近行業需求，黑龍江省測繪科學研究所集中科研力量自主研發基于OSG數據的“科思地圖（KysMap）”實景三維應用管理平臺，能夠面向用戶定制開發實用功能，滿足智慧城市建設中各行各業專業功能應用需求。

傾斜攝影測量正在逐漸成為智慧城市建設的關鍵技術

黑龍江省測繪科學研究所將傾斜攝影技術首次應用在智慧城市建設項目中，街景工廠以其高效率的作業方式成為實景三維建模的主力軍。其實景三維成果以高還原度的三維模型、高效率的作業方式成為新的智慧城市三維建模解決方案，通過傾斜攝影數據建立的實景三維產品，可服務于規劃、國土資源管理、城市管理、招商引資等方面。如在數字城管方面，高分辨率傾斜航片能夠較清晰的拍攝到作業區的建筑、附屬設施、環境材質等信息。尤其是城市管理者關心的商服廣告牌、各種城市部件，不但能夠看清字體，還可以進行三維量測，為城市管理提供依據。進一步與城市監控攝像、物聯網設備相結合，可實現智慧城市管理中的定性、定量分析，如違章搶建、占道經營等，為緩解城市管理矛盾提供技術手段，促進城市管理智慧化的快速發展。以黑龍江省測繪科學研究所承擔的智慧城市建設為例，將傾斜攝影技術應用于警務GIS系統，在系統上線運行的第一個月中犯罪率大幅度銳減，為該市同期最低，起到很好的震懾作用，該系統也成為黑龍江警務系統的樣板工程。

從模型的質量上講，傳統人工建模的選擇性較強，許多部分會省略，比如平房、附屬設施等。在地表建模上，依賴于DEM數據的精度，地面材質也很難真實表達，模型不真實成為使用上的瓶頸。而傾斜攝影技術構建的實景三維模型為地表全要素還原，不僅建筑模型按比例還原，對地面、各種設施的精細TIN網表達也是依賴DEM信息生成的人工模型無法比擬的。在影像的真實度上，由于實景三維的材質來自真實像片，而用來貼圖的多角度影像更是在多達數十張甚至上百張的影像中擇優挑選，這種對真實世界的無差別還原是以往任何技術難以做到的。因此在模型結構、建筑顏色、細節清晰度等方面更適合旅游體驗、情景再現、應急演練，給觀看者真實而震撼的感覺。

建立高中低空城市實景三維模型獲取傾斜攝影總體解決方案

黑龍江省測繪科學研究所在傾斜攝影技術研究初期以一千米左右航高的傾斜航攝為主，以街景工廠處理徠卡RCD30等高精度傾斜航攝儀數據為代表，所生產的實景三維成果固然具有高精度優勢，但也承襲了高空拍攝地面紋理和顏色不一致、細節損失等缺點。隨著用戶對模型分辨率、顏色飽和度以及地面細節提出更高的要求，黑龍江省測繪科學研究所在中低空傾斜攝影領域開展進一步研究。由于航片質量決定了模型材質細節，高分辨率的模型為城市管理帶來更多可能。逐漸輕便化的傾斜航拍鏡頭、微型POS系統也促進了無人機拍攝的蓬勃發展。運輸機以其作業效率高，飛行姿態好的優勢成為數字城市制作的首選；而無人機、動力三角翼則憑借起降方便、低空高分辨率作業、以及低成本的特點，在小區域精細數據的獲取上更加靈活。無人機傾斜影像構建的實景三維模型，在窗戶、廣告牌文字、室外樓梯這些近地面的細節上處理更加豐富，因此許多行業應用可進行更深入的功能開發。

通過不同傾斜攝影平臺與傾斜相機的搭配試驗，黑龍江省測繪科學研究所總結出高空常規運輸機、中低空動力三角翼和直升機、低空無人機等一整套傾斜攝影解決方案，滿足用戶從宏觀到微觀的建模需求。在生產過程中，曾出現飛行器POS精度低甚至無POS信息，導致模型精度不達標的問題，黑龍江省測繪科學研究所技術團隊通過在第三方軟件中恢復空三姿態的方法，解決了該問題。最后通過與歐洲空客公司反復技術交流，在街景工廠中通過改進算法從根本上實現了無/弱POS數據處理，形成完整的數據處理解決方案。使傾斜攝影技術能夠滿足各行業需要，靈活定制高性價比的三維產品。

基于傾斜攝影大比例尺測圖等衍生產品研發

基于傾斜攝影的自動化空三加密與建模優勢，能夠在較短時間內生產高質量、高精度的實景三維產品，既然模型能夠達到測繪級精度，那么在此基礎上進行大比例尺（1 1000、1 500等）地形圖測繪工作，應可生產出高質量的測圖產品。遵循這個思路，黑龍江省測繪科學研究所經過大量技術實驗，并在“黑龍江測繪地理信息局”、“上海浦東新區海橋村”等多個測區進行項目實踐，經外業檢驗，測圖成果精度達到國家相關標準規劃的要求。并總結出基于低空高分傾斜攝影產品進行大比例尺測圖的技術路線，該技術可為國土空間規劃、土地確權、城市網格管理、不動產登記等工作提供客觀、真實、時效性強的基礎地理信息數據。其優勢是將傳統全野外測圖工作轉變為內業加部分外業調繪，大量減少外業人員勞動強度，整體作業效率得到提升。尤其對新疆部分地區、山區等高危地勢地區地形圖的獲取，具有深遠的意義。

在其他傾斜攝影衍生產品方面，黑龍江省測繪科學研究所結合用戶需求積極拓展思路，除點云、真正射影像等產品外，開發出任意角度鳥瞰圖產品，并應用在“大學校園數字展示”、“長春市地籍管理”等項目中。該產品基于實景三維無級縮放的特點，可截取任意角度、任意分辨率的模型影像，在使用中更直觀，并可以噴繪成圖。在點云產品的研究中，黑龍江省測繪科學研究所通過空三點云抽稀、智能切片識別等技術，完成基于空三點云的DEM數據提取，并應用在多個項目中。自此傾斜攝影技術可通過一次飛行獲取實景三維、真正射影像、DEM、大比例尺測圖成果等多種產品，提高了應用過程中的技術性價比和市場競爭力。

自主應用平臺——“科思地圖（KysMap）”建設

為使傾斜攝影生產的實景三維模型不僅僅停留在瀏覽的功能，應用平臺建設已成為傾斜攝影一體化解決方案的重要環節。實景三維模型的格式為多層級OSGB格式，不兼容傳統三維地理信息平臺，需要在OSG圖形庫基礎上研發應用平臺。為保障實景三維模型的高效運行，黑龍江省測繪科學研究所集中資源進行自主實景三維應用平臺“科思地圖（KysMap）”研發。在研發過程中，配合街景工廠提供的諸如模型補面、坐標轉換、矢量層套合等多種數據處理工具，突破了實景三維海量數據加載、數據單體化、壓平操作、實景三維數據的網絡發布等多個技術難關，目前已擁有屬性查詢管理、數據疊加、緩沖區分析等多個功能模塊，并實現了警用人口信息庫接入、攝像頭信息接入、人員與車輛定位等物聯網功能，為更多的行業用戶所接受。并在國土地籍管理、城市規劃管理、校園管理等多個項目中開展應用，取得了良好的效果。

未來幾年中，傾斜攝影技術將廣泛應用于城市規劃、警務、應急、城區管理等各個方面，傾斜攝影構建的三維模型，比人工建模有更深刻的沉浸感，讓使用者能輕易識別出所在位置。隨著智慧城市建設不斷深入，各類行業應用要想被公眾接受和使用，零學習成本的富信息數據必不可少。將實景三維作為智慧城市的本底數據，在其上開發各類行業應用，則更容易被大眾所接受。繼“科思地圖”之后，黑龍江省測繪科學研究所將繼續在移動端應用中發力，延續智慧訥河、數字農場中積累的移動端成功開發經驗，以HTML5技術為核心，開發實景三維APP應用。將實景三維產品覆蓋至出行、餐飲、物流等位置服務的每個角落，讓大家所見即所得，真正做到生活盡在掌握。

傾斜攝影技術的未來

隨著互聯網的飛速發展，地圖在互聯網中的應用越來越廣泛，而實景三維模型為互聯網地圖服務提供了新鮮血液，給互聯網地圖應用帶來新的啟發，它所提供的對微縮世界的瀏覽與真實的測量體驗為廣大人民的工作與生活帶來極大的便利，將會創造更大的地圖服務市場。憑借傾斜攝影技術，全國幾百個地市級城市將率先完成市區海量建模，想象一下，偌大的城市在屏幕前變成一個小小的村落，結合VR眼鏡的虛擬體驗，實景三維面前仿佛變得觸手可及，供人們欣賞與使用。而我們在傳統三維系統研究中取得的成果也將會延續，許多功能都可以方便的移植到實景三維中，只需更換數據，即可開展項目研發。發展迅速的3D打印技術還可將實景三維模型打印成實體沙盤，還有多源數據的二、三維聯動顯示，與實景全景相結合實現空、天、地一體化的模型采集，這些均會增強實景三維的模型質量，為公眾提供更友好的用戶體驗、為行業提供更豐富的地理信息服務。