基于虛擬計算機分布式集群三維實景建模的研究與應用

黎富忠

（廣西壯族自治區水利電力勘測設計研究院有限責任公司 廣西壯族自治區南寧市 530023）

1 前言

隨著高新測繪技術和計算機技術的快速發展，傳統的測繪行業正在迅速向地理信息產業轉化。傳統的測繪生產主模式已發生根本的變化，產品由模擬形式轉為數字形式，大量的外業人工測量被航空攝像測量和室內地理信息采集所取代，地理信息的采集、存貯、加工和分發已成為一種全新的概念。特別是傾斜攝影技術是國際測繪領域近些年發展起來的一項高新技術，現已普遍應用于水利、國土、電力、林業、市政、應急救援等行業。傾斜攝影是在攝影測量技術之上發展起來的，和攝影測量不同的是：傾斜攝影是通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器（目前常用五鏡頭相機），同時從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體更為完整準確的信息。然后通過數據處理軟件把拍攝到的各角度照片與POS 數據、像控點數據等進行空三解算平差等，最后生成實景三維模型。對比傳統的人工建模方式，實景三維建模具備高效率、高精度、高真實感、低成本“三高一低”的優勢。傾斜攝影測量成果豐富可生成DOM、DEM、DLG、DSM 等4D 測繪產品外，還可同時通過獲取的實景三維模型，可加工處理為動態三維模型、VR 等，實現栩栩如生、絢麗多彩的效果，還可以把三維模型與設計分析計算同步聯動，開發拓展出各類新產品，實現多元化、信息化、智慧化。

2 三維實景建模

2.1 軟件類型分析

通過收集資料與研究、測試、分析，現行業上用于傾斜攝影測量三維建模處理的軟件有ContextCapture、Pix4D、Photoscan、inpho 等，均可用于空三數據處理及實景三維建模，但也有各自的優勢，有些軟件空三解算較為精密，精度更高，但建模精細度及效率較低，行業內生產航測實景三維產品的軟件主要是Bentley 公司的ContextCapture 軟件，該軟件可以把大量航測像片數據進行整合建立三維模型，可以把一個工程任務以分解到若干臺計算機節點上同時處理，以此解決海量大數據的空三解算、三維建模等工作，與單臺計算機相比，顯著提高工作效率。而行業上多數軟件空三解算后也會轉換數據至ContextCapture 軟件中進行集群建模，采用多臺計算機群集處理設備，利用GPU 計算、多核計算、高級光束法區域網平差、拼接機制、任務排隊和監控、網格計算和超大型項目管理功能，加快生產速度，以提高模型精度和工作效率。

2.2 硬件分析

根據測量比例尺精度要求及測區大小的不同，數據量也同，但是不管是哪種級別來說，傾斜攝影相對于其他數據的數據量是非常龐大，屬海量級大數據，一個小區域有幾十個GB 的數據量，較大面積的測區有TB 級別數據容量，各數據都要多次反復運算，因此各種處理計算對計算機軟硬件都是極大的考驗，需要特殊選配計算機（如：CPU、GPU 顯卡、內存、散熱系統等）。而僅靠單臺物理計算機運行，是無法執行如此海量的大數據，需搭建分布式的物理計算機集群進行實景三維建模，以提高整個工作效率。而以物理機搭建的分布式集群方式，需要配有專用的計算機房，考慮長時間工作的散熱性能、穩定性能等因素，一般組建20 ～40 臺物理計算機集群，用于一般中小項目、數據量不多、時間節點不急的項目生產，如幾個大型項目大批量生產時，計算性能和效率均無法滿足需求。

2.3 研究服務器虛擬機分布式集群空三處理及三維建模

為了提高三維建模的工作效率，經過測試研究，利用已有服務器搭建虛擬機分布式集群方式，可根據生產過程中ContextCapture軟件計算的流程及功能進行計算機性能定制化配置，分別創建5 個空三集群組，5 個三維建模集群組，空三集群組以調配高性能、高主頻CPU 和內存為主，三維建模集群組以調配大容量顯卡、大內存為主，當然越好的配置越大的容量固然會更好，但會造成過渡浪費，增加硬件成本，而通過監視軟件底層計算資源占用率來按需靈活調配，是最科學實用的方法。通過各種測試驗證，形成各性能綜合最優的配置模版桌面文件，利用VM vsphere 虛擬化桌面進行克隆配置虛擬計算機，形成5 組25 臺空三處理機和5 組150 臺三維建模節點機集群，各群組之間通過萬兆光纖通信，配上12 臺服務器，高性能存儲運算盤、電源、散熱系統等，形成虛擬機分布式集群三維實景建模群，可快速高效處理海量大數據。打破了以往采用物理計算機集群的工作方式，創新性的采用區內外領先的服務器虛擬化集群計算機的方式進行批量生產，此高性能服務器可靈活調配計算機資源，高主頻多核心配置，用于空三解算、三維建模等，可快速完成大面積的三維建模任務，根據工作需要還可以再靈活調配，快速增加空三、建模節點及配置，可直接采用虛擬化桌面管理軟件分配節點。同時還可集成服務器資源，組成類超算性能的計算機，用于海量大數據的計算處理，發揮服務器的靈活、高效、穩定的工作性能，為項目生產大幅度提高效率。對比國內外同類實景三維建模方法，現國內大多數采用的是物理計算機集群方式建模，集群節點較少，機房場地占地大、操作性差。而該虛擬機技術、設備為國內領先，場地占地少，工作高效、穩定、利于管理和維護。

通過虛擬機桌面設置和計算資源靈活調配計算機CPU 核數、線程數、運行內存、顯卡顯存等配置，組建虛擬機三維空三、三維建模集群組如圖1、圖2。

圖1：虛擬機桌面主菜單功能

圖2：計算機資源靈活調配設置

在進行虛擬桌面搭建完成后，創建批處理文件用于節點機的運行調配，實現自動化批量啟動運算節點，接收ContextCapture 軟件發布的空三建模任務。配置部分代碼如下：

::echo 設置軟件路徑

set SOFTWAREPATH="C:Program Files (x86)VMwareVMware Horizon View Clientvmware-view.exe"

::echo 設置連接服務器地址

set CONNECTION=connection.gk.com

::echo 設置用戶節點密碼

set PASSWORD=Abc123456

::echo 設置要啟動的桌面

set DESKTOPNAME= CC 空三節點

::echo 設置桌面分辨率

set DESKTOPLAYOUT=1280x730

::echo 設置連接協議

set DESKTOPPROTOCOL=Blast

::echo 啟動三維節點用戶的桌面

::start "窗口名稱" 軟件路徑 -serverURL 連接服務器 -userName用戶名-password 密碼 -domainName 域 -desktopName 桌面名-desktopLayout 桌面分辨率 -desktopProtocol

………

3 結語

通過研究測試，采用基于虛擬計算機分布式集群技術用于無人機航空傾斜攝影測量三維實景建模，可高效實現大批量、大范圍、高精度、高運算量的空三處理及建模，已應用于全國水利電力、公路交通、國土、礦山、林業、市政等多行業多個大型項目生產，在房地一體、大比例尺地形圖測繪、三維模擬動畫、多源數據融合及地理信息軟件等海量數據的處理，工作效率顯著提高。