無人機多角度傾斜攝影三維重建服務系統研究

潘邦龍，莊雪晴，張 華

(1.安徽建筑大學 環境與能源工程學院,安徽 合肥 230601；2. 安徽建筑大學 遙感與地理信息研究所,安徽 合肥 230601)

隨著城市化進程迅速推進，城市的多維需求日益更新，智慧城市應運而生。三維數據模型作為智慧城市數據庫的重要載體，已成為智慧城市建設的重要組成部分。近年來,隨著現代攝影測量技術和計算機計算的快速發展，實景三維場景建模已成為自然資源空間信息領域的研究熱點。該技術主要利用傾斜航空攝影原理，通常在無人機或直升機平臺上搭載多臺相機，從前視、俯視、后視等多角度對目標地物或場景同時采集影像數據，再采用傾斜攝影三維建模軟件處理傾斜攝影像片，結合像控測量的成果數據，包括POS數據、像控點坐標等成果，生成實景三維模型。由于該技術具有大場景、高精度、高效率等特點，目前已廣泛應用于智慧城市管理各個領域。在城市管理過程中，為實現實景三維場景的信息化、業務化和智慧化，研發實景三維場景重建服務系統已成為智慧城市建設的迫切需求。

近年來，三維WebGIS蓬勃發展，實景三維系統已初步應用于城市規劃、不動產登記、三維地籍測量、智慧旅游等領域，國內外學者在三維數據模型、二三維一體化、三維空間分析與可視化等方面的研究取得了一定進展。如王超領、戴德師等較早地展開了對三維地籍的分析與研究；而孫靈杰基于CAD格式的分層分戶圖構建了三維樓盤模型，并將其應用于三維不動產管理中；于麗麗提出基于無人機傾斜攝影測量技術對城市三維實景建模；原明超等利用Context Capture進行實景三維建模；潘九寶等基于低空無人機傾斜攝影測量技術快速構建城市精細化三維模型；穆超等結合三維GIS技術研發出三維地籍信息管理系統；王兆利用Unity 3D交互平臺進行二三維數據查詢與管理，三維實景Web GIS系統在地籍管理的應用是大勢所趨。

隨著HTML5與WebGL(Web圖形庫，Web Graphics Library)的出現，三維WebGIS步上了新的臺階。HTML5很好地支持本地離線存儲，其內含的Canvas元素支持網頁的圖形渲染環境，獨立性良好，用戶無需再下載專門的插件。WebGL是HTML5最重要的特性之一。WebGL 3D引擎的出現進一步提高了應用的開發速度和用戶體驗，同時更多操作系統平臺、瀏覽器支持WebGL及相關性能優化，將進一步激發HTML5 3D應用。但是WebGL是內置于瀏覽器的一個繪圖API(Application Programming Interface)，使用較為不便。2011年，AGI公司推出了Cesium，Cesium是一個基于WebGL開發的開源Java Script庫，廣泛應用于從航空航天到智慧城市再到無人機的多個領域。各行各業的開發人員都通過它創建Web應用程序，可以顯示三維模型數據、DEM數據、矢量數據等，軟件支持多種數據格式，具有較好的WebGIS應用前景。

研究利用無人機傾斜攝影數據生成三維實景模型，基于WebGIS技術，采用B/S架構和Cesium庫，建立基于Web的不動產三維重建服務系統，實現不動產權屬信息三維可視化管理。該系統將三維WebGIS與無人機傾斜攝影模型相結合，基于Cesium庫快速模擬與分析不動產實景三維場景，有效解決了三維場景模型渲染和海量數據的Web前端顯示和分析，有力地支撐了不動產信息的整合與應用，為智慧城市三維可視化服務助力。

1 不動產三維模型構建與處理

1.1 模型構建

以Smart 3D軟件為建模工具，基于無人機的傾斜攝影測量技術來獲取影像數據，以建立三維模型中關鍵流程技術原理作為理論支撐，選取并測量適當的控制點，通過數據整合、空三運算、模型重建等自動化處理流程來完成實景三維模型的創建。基于傾斜攝影測量技術的三維模型構建包括圖像匹配、空中三角測量、多視影像密集匹配、三角網的構建、紋理映射等過程。

利用Smart 3D軟件對數據進行一系列自動化處理，生產出研究區域的三維模型，主要有以下幾個階段：

(1)數據導入階段。在軟件中新建工程，設置好文件路徑和坐標信息等，將采集得到的農村不動產影像數據加載進去，并導入POS文件等數據。

(2)空三解算階段。設置好空三解算相關參數后，由軟件自動進行計算。完成解算之后查看空三運算成果，檢查有無異常。接下來導入控制點文件也對其進行空三計算。

(3)三維重建階段。確認空三無誤后，可以進行三維重建工作。確認輸出格式和坐標系，利用軟件自動計算生產模型，并使用模型瀏覽器對生成的三維模型成果進行檢查。

基本過程如圖1所示。

圖1 自動建模過程

1.2 模型處理

利用Smart3D軟件建模生產的無人機傾斜攝影模型數據一般為OSGB格式，由于Cesium不支持OSGB，需要進行轉換，可以利用Cesiumlab將OSGB數據轉為Cesium支持的3DTiles數據。Cesiumlab是為Cesium開源數字地球平臺打造的數據處理工具集，支持數據處理、分發服務和三維可視。格式轉換界面如圖2所示，選擇容易調用的散列文件形式存儲。下載模型所在條帶的高程并進行裁剪得到該區域的Dem數據，再使用Cesiumlab進行轉換，得到Terrain數據，轉換界面如圖3所示。將3DTiles和底圖及高程用Cesium一起顯示，效果如圖4所示。

1.3 不動產二維矢量數據提取

農村不動產矢量數據提取采用CASS 3D軟件，此軟件不僅支持CASS環境下傾斜三維模型的加載與瀏覽，還支持三維模型直接采集、補測DLG數據。研究利用CASS 3D軟件，將生成好的三維模型導入，提取繪制房屋矢量圖層，如圖5所示。

圖2 OSGB轉3Dtiles 圖3 DEM轉terrain

圖4 數據顯示 圖5 宗地圖制作

2 系統設計

2.1 模塊設計

不動產三維重建服務系統功能需求主要有二維地圖和三維模型的瀏覽與聯動、不動產模型繪制與標注、模型測量層高及面積計算、實體分戶空間屬性查詢和場景三維通視和日照分析等。根據需求分析和設計原則，系統設計了以下模塊：地圖控制模塊、繪制量測模塊、屬性查詢模塊和空間分析模塊，以實現不動產信息管理與服務。系統模塊如圖6所示。

圖6 系統模塊

2.2 功能設計

(1)地圖控制模塊。視圖控制：Cesium主窗口提供了一個虛擬地球，可將圖層在地球上顯示，并提供一組基本控件，可以實現定位、二三維視圖轉換、返回初始位置、放大縮小、拖動等基本功能。圖層聯動：通過控件可進行地圖或地形的切換。

(2)繪制量測模塊。圖形繪制：圖形繪制包括線、矩形、多邊形的繪制，實現貼面繪制效果。房屋量測：建筑量測包括測距和測面兩大功能，實現貼面測量。

(3)屬性查詢模塊。實現單體分層查詢。

(4)空間分析模塊。通視控制：時間控制包括控制時間和播放動畫。日照分析：根據不同時間太陽的位置和建筑物的位置得出相應陰影，實現日照分析。

3 不動產三維重建服務系統實現

3.1 系統主界面的實現

主界面主要分為四大塊：地圖控制模塊、繪制量測模塊、屬性查詢模塊和空間分析模塊。地圖控制模塊包括Geocoder、Home Button、Scene Mode Picker、Base Layer Picker、Navigation Help Button控件和Cesium-navigation插件，用于實現地圖控制。繪制量測模塊包括繪制功能和量測功能。屬性查詢模塊包括一個彈出窗口，可顯示建筑的單體信息。空間分析模塊包括Timeline 和Animation控件，可實現實時日照情況分析展示。系統主界面如圖7所示。

圖7 系統主界面

3.2 系統功能的實現

系統功能主要分為四大塊：地圖控制功能、繪制量測功能、屬性查詢功能和空間分析功能。地圖控制功能需要調用相關控件并將部分控件進行改寫(如自定義Home Button)，并調用所需插件以實現縮放、旋轉、定位、切換地圖、切換視圖等基本操作。繪制量測功能包括測距和測面兩大功能，可以通過貼建筑量測得到不動產的層高、棟高，測面得到建筑的面積，由此判斷不動產是否符合建造規范。屬性查詢功能中為實現動態單體化需要矢量圖層，在Arcmap中創建面shapefile文件，根據谷歌無偏影像可以畫出對應的房屋輪廓，并在屬性表中記錄相關不動產信息及每一層的底高和頂高，將shapefile轉換成GeoJSON即可在Cesium中調用，以獲取單體分層信息。空間分析功能通過Timeline和Animation兩個控件可定位到某一時刻，確定該時刻的日照情況，并能倍速播放動畫不同時間跨度的日照情況。

3.3 系統運行實例

系統采用無人機傾斜攝影數據，各模塊功能如下：

(1)地圖控制模塊。實現縮放、旋轉、定位、切換地圖、切換視圖等基本操作，如圖8所示。

圖8 地圖控制模塊

(2)繪制量測模塊。量測功能設計了測距和測面兩大功能，可以通過貼建筑量測得到農村不動產的層高、棟高，測面得到建筑的面積，由此判斷農村不動產是否符合建造規范，不合規范的彈出警示窗口。單擊按鈕開始測面，左鍵確定頂點，右鍵確定圖形的終點，完成圖形繪制。該功能可以用來判斷建筑面積是否超占或建筑層高是否違章。測距與測面功能如圖9所示。

圖9 測距與測面

實現繪制功能，包括繪制線、矩形和多邊形，繪制為貼面進行，效果如同為建筑覆蓋一層薄膜。繪制功能如圖10所示。

(3)單體查詢模塊。為實現動態單體化需要矢量圖層，在Arcmap中創建面Shapefile文件，根據谷歌無偏影像可以畫出對應的房屋輪廓，并在屬性表中記錄相關不動產信息及每一層的底高和頂高。由于Cesium不支持Shapefile格式，需轉換成GeoJSON文件，在網址http://mapshaper.org/可進行在線轉換。調用GeoJSON并設置實體顯示屬性，根據屬性表的信息進行三維實體的創建。設置顏色為隨機，分層創建單體覆蓋各個建筑單體。將透明度設置得較高，使得建筑外層實體不顯示，單擊各層可跳出信息框實現信息的查詢，單擊某一建筑的某一層會彈出該層的詳細信息，如圖11所示。

圖10 繪制功能 圖11 單體分層查詢

(4)空間分析模塊。CesiumWidget的scene對象中內置一些圖元對象，如地球、天空盒、太陽、月亮等，可以根據太陽的位置進行陰影顯示，地球與太陽相背的一面為黑夜，相迎的一面為白天。基于此，啟用陰影的代碼，調用動畫和時間軸，對不動產三維模型進行日照分析，通過拖動時間條可觀察不同時間日照情況，動畫控件可倍速觀看日照動畫，如圖12所示。

圖12 日照分析功能

4 結論

為適應三維模型數據業務化應用需求，以農村不動產實體為例，提出利用無人機多角度傾斜攝影測量技術，建立了基于Cesium的無人機傾斜攝影三維重建Web服務平臺，實現了不動產三維信息可視化、查詢和分析等相關功能，為農村不動產可視化管理與分析提供了實景化平臺。基于Cesium庫光照模型提出了不動產Web三維場景日照模擬技術，為建筑場景規劃設計提供了智慧化決策平臺。受制于系統軟硬件條件，本系統在空間分析、決策和業務化方面還存在一些不足，有待完善。隨著城市立體擴張的加快，未來在三維Web業務化服務平臺上需求迫切，更高效、優質服務的功能亟待開發，有待進一步深入研究。