基于傾斜攝影測量建模的數字校園建設

張博源 駱元家 謝光雄

（柳州工學院 廣西·柳州 545000）

0 緒論

（1）研究的背景和意義。每一次移動通信網絡的升級，都帶動了新媒體的高速發展，從2G網絡的文字閱讀，到3G網絡的圖文、視頻，再到4G網絡的短視頻、直播，宣傳方式越來越多樣，用戶體驗越來越直觀；隨著時代發展，5G網絡即將走入尋常百姓家，在5G網絡的支持下，不難想象，這又將會一場新媒體宣傳方式的躍進。

而在測繪行業內使用的傾斜攝影的三維實景模型，其具備近乎100%的實景還原度，且有獲取方便、承載信息多、讀取信息直觀等特點，他最大的問題就是數據量巨大，不方便用于網絡的即使展示，但在5G網絡的加持下，三維實景模型終將會走入千家萬戶。

（2）研究的內容和目的。三維實景模型是數字校園的基礎，是智慧校園的基石，實景模型的質量和可用性，直接影響了數字校園和智慧校園的建設，智慧校園就是智慧城市的縮影，實現智慧校園，再由小及大建設數字城市、智慧城市。

我把這個建設路徑分為三步走：第一步，建立區域實景模型，實現地物可視化；第二步，建立區域內的地物信息數據庫，實現信息可視化；第三步，在區域內實現物互聯，實現萬物聯網、智慧城市的終極形態。這就是本文的研究目的和項目的主體構思。

照片1：現場照片（科教樓）

照片2：模型照片（科教樓）

（3）研究的現狀。目前已經完全實現了上述的第一步，獲取可用的三維實景模型，該模型使用測繪行業內的傾斜攝影技術完成，行業內對此已具備相當完善的技術，通過無人機自動航攝、特殊面手動航拍和地面拍攝三者結合的方法，實現空地結合，提高了模型的精度和還原度；在信息交互方面，使用ArcGIS、3DMAX、DP等軟件給模型添加地物信息，可實現簡單的宣傳展示作用，在學校的宣傳和招新工作中可發揮很好的價值；在物聯網方面我們提出了很多設想，物聯網技術是數字校園向智慧校園發展的關鍵一步，先建設好數字校園，再逐步完善改進為智慧校園。

1 數字校園建設

此次研究以柳州工學院為例，該學校占地1300畝，建筑面積33.15萬平方米；外業數據采集方面，使用六懸翼五鏡頭的中海達無人機，加上RTK采點作為像控點，共采集照片6150張，像控點十五個；內業采用Smart 3D制作模型。

1.1 外業數據采集與資料整理

作業期間，首先進行了相控點布設，本次相控點選擇了地面特征點，以空曠路面上的的斑馬線、道路中心線、田徑場跑道線的拐角為像控點，具有永固性和便識性，坐標系使用CGCS2000國家大地坐標系，1985國家高程基準，使用衛星接收機在已選的相控點上進行載波相位差分技術進行點位采集，連續復位采集三次，點位中誤差控制在5cm以內，精度滿足像控點要求，同時采集了經緯度信息，可以與照片的POS文件進行對照。點位位置和環境要做好記錄，采用拍照和文字敘述的方式，以方便內業進行刺點時找點。

像控點布設完畢后，開始準備對作業區域進行航拍，在航拍之前，我們對該區域的最高建筑進行了調查，該區域內最高的建筑在80米左右，所以在行高上我們選擇120米左右，根據當天的天氣情況，航速方面我們選擇8m/s，協調轉彎，重疊度是模型質量的關鍵，考慮到內業電腦計算的壓力和模型質量，我們選擇了旁向重疊80%，航向重疊80%的狀態進行采集；由于校園內部分區域的樹木十分茂盛，樹冠遮擋了大量的地物，我們采用了空地結合的方法，在無人機無法拍攝的區域，使用地面相機進行了地面補拍，進一步提高模型的還原度；除了遮擋對航拍的影響，在建筑密度過高、房檐較長的地方，也會因為傾斜航拍受阻，造成影像數據不足，從而模型發生扭曲的現象，為了消除此影響，我們選擇使用大疆精靈進行手控飛行補拍，通過這種空地結合的方式，模型的精度和還原度才可以得到保證。

圖3：像控點數據

圖4：影像變形示意圖

現如今測繪外業采集的途徑越來越多，依靠無人機等智能設備，已經實現雙人即可完成采集任務，在本次實驗任務中，我們操控員只有兩名，在一起完成像控點布設后，一同進行無人機航拍，在無人機電源充足的情況下，1300畝的航拍任務可在一天能做完，外業數據采集效率和采集成本是非常可控的。

1.2 內業數據處理與模型生產

外業數據采集完后，導出相片和POS文件，移交內業處理；在內業當中我們使用Smart3D進行模型生產，首先導入相片和POS文件，這里不能直接使用無人機導出的POS，應該將相片文件名和POS數據一一對應，制作出與相片相對應的POS文件進行生產使用；導入好POS文件后檢查照片的姿態信息是否有誤，確認無誤后進行第一次空三解算，在空三解算設置中，按照項目的精度需求選擇解算方式；不提供POS文件Smart 3D也可進行空三解算，但是解算時間和精度會有所降低，所以在這一步盡量采用POS文件進行空三解算。

第一遍空三解算結束后，檢查空三結果，主要觀察相機位置及排布方式，以及“飛點”數量，例如五鏡頭的相機位置，應為五個一組的“蓮花”狀，相片朝向規則統一，排布方式應明顯看出與預設航帶相同，飛點即明顯超出測區范圍的連接點，通過上述內容基本可以判斷第一遍空三的質量。

然后導入像控點信息，對應外業的像控點記錄文件，進行刺點，刺點時對照片的選擇也很重要，不要選擇像控點處于邊緣的照片，不要選擇像控點模糊的照片，這樣的照片用于刺點，不光不能提高精度，還有可能拉低整體的準確度，所以不建議將這樣的照片用于刺點。

刺點完成后，再跑一次空三，空三結束后簡單檢查一下空三質量，標準同上，檢查無誤后就可以準備生成模型了，在生成模型時，根據需求選擇模型格式，通常情況下我們使用OSGB格式，如果用于網絡展示方面，可以使用3MX格式，該格式支持同時生產相對應的HTML文件，HTML文件可直接將模型用于網絡展示。

在模型生成中，大型模型都會被切割成許多瓦片進行獨立生產，相鄰的瓦片會重復計算相接的邊，用于之后各瓦片連接所用，這就意味著，瓦片切的越小，瓦片數量就會越多，同時重復運算也會越多，但是用于連接各瓦片的重復運算對于模型生產來說就是無用功；由此可見，瓦片越小，無用功越多，消耗的時間越多。

每個瓦片切多大，這就由電腦的RAM決定，RAM越大，切的瓦片就越大，瓦片數量少了，自然重復運算少了，時間成本就會降低。在設置瓦片時，我們一般選擇瓦片占用的RAM為電腦RAM的75%-85%，例如RAM 16G的電腦，瓦片設置為12G-14G左右。

模型的生產將會很耗時間，這里建議使用集群操作，集群方法在最后進行討論，這里不做累述。

1.3 數字校園

生產了校園的實景三維模型，該模型已具備了宣傳展示的作用，基本完成數字校園的雛形，下一步我門將把該產品和GIS（地理信息系統）相結合，添加上校園的各項地物信息、屬性信息已達到交互式體驗，用戶可以通過點擊實景模型中的位置，例如點擊某教室、某辦公室、某會議室等，來獲取教室排課信息、辦公室的職能信息和老師信息、會議室的預約信息等；將信息可視化結合到實景模型中，數字校園的概念才能得到實現：真實的現場景觀，信息交互式體驗，方便快捷的瀏覽方式；這就是5G時代下的數字校園概念。

2 智慧校園探索

將上述成果與物聯網技術結合，例如與感應器相結合，在三維實景模型中可以實時觀測到各地的人員密度，車流量密度，同時通過該模型操控紅路燈、操控門禁、指揮現場人員等方式來干預指揮現場情況等；再例如與監控系統結合，通過點擊模型中的監控系統，立即調取實地的監控畫面，還可以通過利用監控畫面建模，將監控中任意時間段的真實景象，重現于模型之中。

圖5：柳州工學院（實景三維模型）

該項目的可與各種方向相結合，包括安保方向、建筑方向、管理方向以及各種商業活動中都可以發揮巨大價值。先與各行各業相結合，再服務于各行各業，至此便完成智慧城市的終極形態，也是本研究的最終目標：萬物互聯。

3 其他

3.1 Smart 3D集群

Smart 3D再進行模型生產時的計算量是十分巨大的，所以通常情況下，我們都選擇使用集群的方法進行模型生產。

首先CC Setting中的配置下，更改任務序列目錄，路徑要處于可訪問的狀態下，文件名為jobs，然后從機同上設置；在生產時，主機打開工程文件啟動生產，從機只要引擎軟件即可實現Smart 3D的集群生產。

3.2 PhotoScna空三解算、集群

Smart3D利用傾斜攝影建模的能力是很好的，但是Smart 3D的空三解算過程經常會報錯，在使用中常常遇到意外的情況，所以這里可以使用PhotoScan進行空三，然后導出KML格式的空三文件給Smart3D進行模型生產，由此便可規避Smart 3D空三常常報錯的問題。

PhotoScan的空三也很簡單，導入照片然后點擊工作流程，點擊對齊照片即可，空三后導出相機，格式為BlocksExchange（*.xml），該格式可直接用于Smart 3D的模型生產。

下面主要介紹一下PhotoScan的集群方法，主要有以下三步：

第一步：在主機的PhotoScan中的工具欄-偏好設置-網絡中，選擇使用網絡，主機名填入本機的IP地址或網絡地址名稱，要確保該IP地址對外可見，從機將通過這個地址訪問主機；在根中輸入工程路徑，該路徑也要是網絡訪問的路徑，不能是本地訪問的路徑，從機將通過此路徑訪問工程文件；再根據需求選擇細級任務分發，這里決定了從機可以完成那些任務。

第二步：由主機通過WIN+R打開CMD命令窗，開始構架集群網絡；在命令窗中首先進入PhotoScan軟件所在的路徑下，然后執行命令：【photoscan--server--control IP--dispatch IP】（IP為主機設置的IP地址），再打開PhotoScan中的Agisoft NetworkMonitor，監視網絡搭建情況，至此，PhotoScan集群網絡構建完成。

第三步，從機使用命令窗，首先進入PhotoScan所在的目錄下，再執行命令：【photoscan--node--dispatch IP--root根目錄】（IP為主機IP，根目錄為工程文件的網絡路徑），然后通過主機的監視器，即可查看從機是否連接成功。

集群網絡如上構建完成后，由主機開啟任務，主機將自動分發給從機協助工作，從而完成集群操作。

4 結論

本文針對如何生產可用于數字校園的高精度實景三維模型進行了研究，最終得出結論，從數據采集開始，要針對測區特點對航高、重疊度和航速等參數進行把控最重要的就是POS文件的整理；再到像控點的布設，要做到測得準和看得清，同時要做好記錄，以便于內業刺點的使用；在內業數據處理時，推薦使用PhotoScan跑空三加Smart3D跑模型的組合，Photo-Scan和Smart 3D互相取長補短，以實現模型的最好效果。