三維實景地圖的生產與應用

曹培國

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三維實景地圖的生產與應用

曹培國

山東省地質測繪院，山東 濟南 250002

實景地圖近年來發展迅速，在日常生活中應用廣泛，如旅游景點、賓館、銀行、政府服務中心等的空間位置查詢、服務內容了解。實景地圖的生產方法、生產流程多種多樣，產品質量參差不齊。目前，利用輕型無人機系統可以實現全景地圖，且方便、高效，質量較好。基于此，介紹了生產三維實景地圖的無人機系統以及三維實景地圖生產方法和過程，詳述了實景地圖應用、發展現狀以及目前實景地圖存在的問題。

實景地圖；三維地圖；全景地圖；傾斜攝影

實景地圖即真實三維地圖，是多項高新科學技術相結合的新興產物，是具有顛覆性的創新產品，也是二維地圖和模擬立體地圖無法比擬的。不僅可以用來管理社會公共事業，而且還可以讓網民用來網上搜索，搜索興趣點的360°實景圖。實景地圖可以讓人們足不出戶，身臨其境的了解內、外部環境。

1 緒論

隨著社會與科技進步，地圖從平面二維地圖發展到三維模擬地圖，又由模擬三維地圖發展到今天的實景地圖。可以說，地圖鐫刻著時代進步的烙印，地圖發展也是社會文明程度的一種重要標志。

模擬三維地圖是虛擬三維地圖通過人工拍攝獲取建筑物的外形，而后將各個孤立的單視角3D模型無縫集成，經過虛擬美化處理以后，形成三維地圖數據文件。

虛擬三維地圖是以現實地理信息為基礎，基于Web GIS和虛擬現實技術所實現的。可以通過任何方式（諸如采用人工拍照方式采集）獲得實際三維的地理信息，通常沒有實景三維地圖，對拍攝要求高。將獲得的地理信息進行加工拼接，通過建模的方式加以整理，最后以虛擬現實的方式呈現。

全景地圖也稱為360°全景地圖、全景環視地圖。是一種運用數碼相機對現有場景進行多角度環視拍攝之后，再利用計算機進行后期縫合，并加載播放程序來完成的一種三維虛擬展示技術。全景地圖由多角度拍攝數張照片后，使用專業三維平臺建立數字模型，然后使用全景工具軟件制作而成。可以使用網絡瀏覽器或播放軟件在普通電腦上觀看。隨著網絡速度的不斷提升、移動通信技術的換代升級，以及各種移動手持終端的普及使用，全景地圖越來越受重視，使用普及到了普通消費者。

實景地圖也稱為可量測實景影像，是利用三維全景技術建立的地圖，它實際上是一種以近景攝影測量立體影像文件及其外方位元素構成的基礎地理信息產品[1]。將原始的立體影像對（地面、航空或者航天影像），連同他們的外方位元素一起作為數字可量測影像存儲和管理起來，并在互聯網上提供必要的使用軟件，就有可能直接由用戶根據其需要去搜索、量測、調繪和標注出他們所需要的空間目標的信息[2]。實景地圖是利用三維全景（panorama）與二維地圖結合而創建的地圖，可以看到真實的地物地貌，可以從不同視角看觀察地物、地貌。近年來，隨著飛艇、無人駕駛飛機、飛機和衛星等空中飛行工具的出現，獲得了一個全新的視角，并可以進行全方位的拍攝，實景三維地圖才得到真正的發展。物聯網快速發展，5G時代的到來，物聯網與移動互聯網深度結合，必將加速實景地圖的快速發展與廣泛應用。實景地圖應用模式主要為Web網頁在線服務和移動終端實景App地圖服務。實景三維地圖的直觀性、信息量和精確性遠非傳統二維電子地圖可比。實景地圖不僅會改變人們的生活和生產方式，也將引起測繪地理信息行業深度變革。

2 低空無人機系統繪制實景地圖

實景地圖是利用遙感或激光技術直接掃描建筑物的高度和寬度，最終形成三維地圖數據文件。實景地圖是基于實物拍攝、數據抽象采集技術實現的。傳統實景地圖通過移動道路測量系統采集得到[3]。

現行絕大部分網絡三維地圖生產，主要采用攝影測量車進行車載激光掃描，沿著道路拍攝。車載激光掃描系統獲取激光點云數據以及全景相片數據，其中激光點云數據為具有真實空間三維坐標點的集合，可設置常規坐標系統[4]。很多機關單位、科研院所、社區面向道路的一面能夠激光掃描得到，而背對街道的，或則說是側對道路的方向無法得到。此外，由于道路兩側樹木、各種城市部件的遮擋，降低了實景可視性，對于廣大使用者可以滿足應用要求。對于政府部門和高端使用者來講地圖的可量測性受到了較大限制。

隨著低空飛行平臺技術的成熟，傾斜攝影技術的快速發展，利用低空無人機系統可以實現全方位的空間地理信息數據采集，包括地表影像及建筑物的側面紋理；通過航測與遙感數據處理軟件，可實現360°全方位的真實場景地圖。移動道路測量系統采集的數據，減少了路邊樹木及各種城市構筑物的遮擋，可以低空俯視、平視等多角度觀測，大幅提高了地圖的直觀可視性，拓寬了地圖的視角觀測廣度，很大程度上解決了全景地圖的可量測性。它提供了每個地理位置的360°真實場景，實現了漫游、搜索、分享等功能，解決了傳統電子地圖完整性和直觀性的問題[5]。

2.1 硬件配置

利用無人機傾斜攝影飛行，采用大疆PHANTOM 3 PRO版平臺。平臺相關詳細信息見表1、表2、表3。

表1 無人機參數

表2 相機參數

表3 數據處理服務器

2.2 數據處理

數據處理流程，見圖1。

圖1 傾斜數據處理流程圖

圖2 全景地圖不同方位圖片

目前主流的3D建模軟件有Smart 3D Capture、PhotoMesh、PhotoScan、街景工廠系統等，相較于傳統空中三角測量軟件，在操作模式上，Smart 3D可以實現一鍵操作。具體步驟為建立項目文件、調入影像數據及相機參數、選擇坐標系及像控點量測、提交空三計算、提交重建任務（設置好邊界框、常規平面格網、瓷磚大小等）、提交生成產品（輸出三維模型）。如圖2全景地圖不同方位圖片。

3 實景地圖應用現狀

實景地圖服務網以真實直觀的現實實景，與傳統的二維平面地圖導航相結合，給用戶帶來更真實的視覺效果[6]。目前，國內實景地圖服務網站主要有：搜搜騰訊地圖、城市吧街景、百度街景、高德街景、我秀中國街景、天地圖街景。谷歌街景地圖服務，已在全球多個國家、地區推出了街景地圖。百度推出全景地圖。騰訊也早已發布了SOSO街景地圖移動版，用戶可以用過平板電腦、安卓和蘋果手機SOSO 街景地圖客戶端使用這一產品。

隨著低空航空攝影測量技術研究和應用的不斷深入，其成果和水平也成為各國科技發展水平的標志之一[7]。實景地圖應用典型的是“我秀中國”。“我秀中國”是采用當今最先進移動測量及實景地圖技術打造“我秀中國”的實景地圖服務網站，好比將一個個“實景城市”放在了互聯網上。該網站擁有數億張各種規格的精確到厘米級的街景影像，提供的實景地圖覆蓋北京、上海、廣州、成都、深圳、香港、澳門等100多個城市。

實景地圖集成生活資訊、電子政務、電子商務、虛擬社區、出行導航等一系列服務，為大眾提供地圖查詢、出行導航等地圖檢索功能，同時為政府機關、企事業單位、商家企業提供宣傳互動的快速通道；為人們的日常生活、網上辦事和網絡娛樂等活動提供便捷的解決方案。

4 發展前景

實景地圖隨著計算機技術和通信技術的進步而得到快速發展。以實景地圖為基礎平臺，搭建各行業數據或互聯各類傳感器數據，通過虛擬現實VR、及增強現實AR及混合現實MR、必將推動智慧城市、智慧交通、智慧電網、智慧醫療、智慧旅游、智慧環保、智慧安保等行業的發展，同時，促進自動駕駛汽車技術的應用推廣。實景地圖擴展應用在礦業系統中，可以量測礦堆的體積、計算尾礦庫的庫容、檢測隧道、檢測跨河大橋的橋梁以及保護修復文物。實景地圖還可以廣泛應用于災情監測、災害救援、區域規劃、生態環境監測等領域。由于實景地圖不僅具有從不同角度進行瀏覽地物的功能，還具有高精度的量測地物空間位置及大小的特點，因此，實景地圖可以廣泛應用于城市規劃、不動產管理、農業普查等行業。

5 存在的問題

目前，國內實景地圖服務網站所提供的三維街景圖，還不是真正意義上的三維實景城市地圖，主要原因在于數據采集量大、數據處理及實景地圖生產工作量大，生產實景地圖受空管因素影響，生產時間不可控因素較大。另外，該項工作需要大量資金。

實景地圖關乎國家安全、人民財產安全、個人信息及隱私安全。因此，應加強對實景地圖生產過程的監督和檢查，對外公開的實景地圖應進行脫密處理。

[1]柳佳佳，葛文.實景地圖的空間認知研究[J].測繪工程，2015（3）：6-10.

[2]李德仁.論可測量實景影像的概念和應用從4D產品到5D產品[J].測繪科學，2007，32（4）：5-7.

[3]狄琳.實景影像地圖的特點和技術審查探討[J].測繪與空間地理信息，2010，33（4）：130-132.

[4]張擁軍，等.基于車載點云數據的實景可量測技術研究[J].山東省國土資源，2017，33（4）：71-74.

[5]李海亭.城市地理信息系統中的全景地圖技術研究[J].城市勘測，2011（3）：39-43.

[6]韓光輝，等.中國實景地圖服務的現狀與思考[J].資源開發與市場，2015，31（1）：100-102.

[7]謝建春.利用無人飛艇獲取的影像資料制作DOM的實踐[J].山東省國土資源，2012，28（7）：35-37.

Production and Application of Three-Dimensional Real Map

Cao Peiguo

Shandong Geo-Surveying and Mapping Institute, Shandong Jinan 250002

The real map has been developing rapidly in recent years, and has widely used in daily life, such as tourist attractions, hotels, banks, government service center of the space position of the query and service content. There are various production methods, production processes, product quality is uneven. At present, the use of lightweight unmanned aerial vehicle (uav) system can realize the panoramic map, which are convenient, efficient and quality is better. Based on this, the paper introduces the production of three-dimensional map of UAV system of real 3D map production method and process, deeply Details the live-action maps, development situation and problems existing in current live map.

real map; 3D map; panoramic map; oblique photography

P283

A

曹培國（1974—），男，山東冠縣人，碩士，高級工程師，現主要從事工程測量、攝影測量與遙感技術方面的應用與研究工作。