基于無人機(jī)傾斜攝影三維模型構(gòu)建及網(wǎng)頁發(fā)布

王 宇，邢希凱，趙勝楠，2*

（1. 河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2. 焦作市自然資源和規(guī)劃局，河南 焦作 454000）

信息化時(shí)代，數(shù)據(jù)資源的傳輸、應(yīng)用和共享愈發(fā)需要通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，GIS 的網(wǎng)絡(luò)化成為新的發(fā)展趨勢(shì)。網(wǎng)絡(luò)GIS 將網(wǎng)絡(luò)作為GIS 技術(shù)應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)，打破了傳統(tǒng)GIS 對(duì)客戶的限制門檻，使其成為真正大眾化的GIS[1-5]。

1 研究方法

本文以攝影測量原理為基礎(chǔ)，通過無人機(jī)獲取河南理工大學(xué)測區(qū)的五鏡頭傾斜影像，然后利用Context Capture 軟件進(jìn)行三維建模處理，生成OSGB 格式的三維模型數(shù)據(jù)；再利用諸如Wish3D Earth、Super-Map、ArcGIS-online 等WebGIS 平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳、網(wǎng)頁發(fā)布，以供普通民眾進(jìn)行瀏覽、查詢、量測、分析等操作。

1.1 基于無人機(jī)傾斜攝影的三維建模原理

傾斜攝影測量的工作方式與傳統(tǒng)的垂直航測有一定的區(qū)別，傳統(tǒng)的垂直航空攝影由1個(gè)相機(jī)垂直向下拍攝，只能獲取正射影像。而傾斜攝影通常具有1個(gè)垂直相機(jī)和4個(gè)傾斜相機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地物頂部和多個(gè)側(cè)立面的位置和紋理信息進(jìn)行采集，再通過內(nèi)業(yè)的幾何校正、平差、多視影像匹配等一系列處理，得到既有幾何外觀、又有真實(shí)彩色紋理的實(shí)景三維模型[6-7]。基于無人機(jī)傾斜攝影的三維模型構(gòu)建流程如圖1所示。

圖1 基于無人機(jī)傾斜攝影的三維建模流程

1）加載原始數(shù)據(jù)，包括無人機(jī)垂直及傾斜影像、相機(jī)參數(shù)以及POS文件（無人機(jī)拍照瞬間的三維坐標(biāo)及飛行姿態(tài)）。

2）多視影像聯(lián)合平差。多視影像是指垂直影像和多個(gè)角度的傾斜影像。由于存在幾何變形和遮擋，在數(shù)據(jù)處理時(shí)需要把相機(jī)曝光瞬間導(dǎo)航系統(tǒng)所測得的外方位元素作為初始值，采用由粗到細(xì)的金字塔匹配策略，完成連接點(diǎn)的全自動(dòng)提取，并進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差[7]。

3）密集匹配，三維白膜構(gòu)建。平差通過之后借助于匹配算法，確定各影像之間的同名點(diǎn)，得到高密度點(diǎn)云，然后基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)。這些三角網(wǎng)可作為實(shí)景三維模型中的基礎(chǔ)模型，即“三維白模”。

4）紋理映射。傾斜攝影的數(shù)據(jù)量較大，同一地物通常會(huì)有多張影像，因此需要選擇一張最符合要求的影像。通常計(jì)算機(jī)會(huì)通過算法自動(dòng)計(jì)算、選擇，得到每個(gè)三角網(wǎng)對(duì)應(yīng)的紋理范圍。最后將地物的紋理信息映射到白膜模型上，得到最終的實(shí)景三維模型。

1.2 WebGIS原理

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的體系框架可分為連接、請(qǐng)求、應(yīng)答和關(guān)閉連接4個(gè)部分。WebGIS是網(wǎng)絡(luò)GIS的一種，它是Web 和GIS 的結(jié)合體，二者相輔相成[8]。以WebGIS 為例，用戶為了通過瀏覽器查看或操作云端存儲(chǔ)的地理數(shù)據(jù)，可以通過Web 服務(wù)器向GIS 服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)查詢、空間分析等GIS 功能的請(qǐng)求；GIS 服務(wù)器響應(yīng)這些請(qǐng)求，處理之后再通過網(wǎng)絡(luò)將結(jié)果反饋給用戶，用戶即可在瀏覽器中查看結(jié)果（圖2）。

圖2 WebGIS概念框架

常用的WebGIS 平臺(tái)包括SuperMap、ArcGIS、圖新地球等[9-10]，前兩者由于起步較早、功能完善而被廣大用戶認(rèn)可，但它們需要安裝專業(yè)軟件并進(jìn)行環(huán)境部署。圖新地球的Wish3D Earth是中科圖新公司研發(fā)的三維場景在線搭建平臺(tái)[11]，其特點(diǎn)是使用方便快捷。

相對(duì)于其他網(wǎng)絡(luò)GIS平臺(tái)（如基于Client/Server架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)GIS），基于B／S架構(gòu)（Browser／Server）的WebGIS 結(jié)構(gòu)，簡化了系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)和使用。在這種結(jié)構(gòu)下，用戶的工作界面主要是瀏覽器（Browser），數(shù)據(jù)處理基本在服務(wù)器端（Server）完成，瀏覽器通過Web 服務(wù)器同GIS 服務(wù)器以及數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互，這樣就減輕了客戶端的電腦載荷，降低了用戶成本及工作量。

2 無人機(jī)傾斜攝影三維建模

2.1 外業(yè)飛行

河南理工大學(xué)坐落于河南省焦作市，具有3 個(gè)校區(qū)，是我國第一所礦業(yè)高等學(xué)府和河南省建立最早的高等學(xué)校，占地面積4 100 余畝，建筑面積140 余萬m2。本文的研究區(qū)為河南理工大學(xué)南校區(qū)，占地約3 000畝。本文使用華測P580 六旋翼無人機(jī)，搭載五鏡頭相機(jī)。首先，在飛行前需要收集資料，了解測區(qū)概況和地面信息，進(jìn)行地面像控點(diǎn)和檢核點(diǎn)的布設(shè)及測量；然后檢查無人機(jī)狀況；最后通過軟件規(guī)劃航測路線、設(shè)置參數(shù)（空間分辨率1.5 cm，航向、旁向重疊70%），并將以上設(shè)置傳輸至無人機(jī)。在航拍過程中無人機(jī)按照航線規(guī)劃自主飛行，無需人為干預(yù)。

2.2 內(nèi)業(yè)處理

本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)業(yè)處理軟件使用Context Capture，具體步驟如下：

1）新建工程，輸入項(xiàng)目名稱，存儲(chǔ)路徑等信息。然后在Context Capture 中導(dǎo)入要參與建模的無人機(jī)影像，并檢查影像文件以保證每張相片都可以被打開。

2）添加像控點(diǎn)坐標(biāo)，并進(jìn)行刺點(diǎn)。通過刺點(diǎn)，可以將地面人工布置的像控點(diǎn)坐標(biāo)（絕對(duì)坐標(biāo)）賦給無人機(jī)航拍照片中的同名控制點(diǎn)。刺點(diǎn)完成后，啟動(dòng)Context Capture Engine 并提交空中三角測量任務(wù)，進(jìn)行空三計(jì)算。

3）在空間三角測量計(jì)算無誤的情況下，新建重建項(xiàng)目（如果空三失敗則修改參數(shù)或者計(jì)算區(qū)域）。并設(shè)置重建范圍、重建網(wǎng)格數(shù)量和大小、坐標(biāo)系、原點(diǎn)坐標(biāo)等。需要指出的是，在進(jìn)行傾斜攝影數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)，為避免數(shù)據(jù)量大而超出計(jì)算機(jī)的內(nèi)存上限，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)切塊處理。Context Capture 提供多種切塊方式，一般選擇“規(guī)則平面網(wǎng)格切塊”模式，該模式可以將工作區(qū)垂直切塊，降低內(nèi)存需求。在“空間框架”選項(xiàng)卡設(shè)置后，回到“概要”選項(xiàng)欄，點(diǎn)擊“提交新的生產(chǎn)項(xiàng)目”，Context Capture會(huì)新建一個(gè)生產(chǎn)項(xiàng)目。用戶可以通過新建不同的“生產(chǎn)項(xiàng)目”輸出不同的傾斜攝影成果。

4）創(chuàng)建三維模型生產(chǎn)項(xiàng)目后，設(shè)置輸出產(chǎn)品的具體格式、空間參考系統(tǒng)、輸出路徑等參數(shù)。任務(wù)完成之后，即可得到輸出結(jié)果。本文導(dǎo)出的三維模型為OSGB格式。

3 三維模型網(wǎng)頁發(fā)布

目前，三維模型發(fā)布的平臺(tái)較多，比如Super-Map、ArcGIS Pro、Wish3D Earth 等[12]。下文分別介紹它們發(fā)布實(shí)景三維模型的流程。

3.1 SuperMap發(fā)布流程

SuperMap發(fā)布三維數(shù)據(jù)的流程（圖3）。

圖3 SuperMap發(fā)布三維數(shù)據(jù)流程

1）加載三維模型數(shù)據(jù)，生成配置文件。打開SuperMap iDesktop，點(diǎn)擊“傾斜攝影”工具，選擇“生成配置文件”。配置信息包括OSGB源數(shù)據(jù)路徑、模型中心點(diǎn)坐標(biāo)、投影、是否進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換等。

2）數(shù)據(jù)優(yōu)化，合并根節(jié)點(diǎn)。合并根節(jié)點(diǎn)是為了減少tile文件數(shù)量，提高訪問效率。

3）格式轉(zhuǎn)換。利用SuperMap iDesktop 將三維模型由OSGB 格式轉(zhuǎn)換為S3M，該格式可以更好地提升三維模型的在WebGL端的性能。

4）建立球面場景。在SuperMap iDesktop 新建工作空間和球面場景，加載S3M格式的三維模型之前生成的S3M數(shù)據(jù)，檢查無誤后保存工作空間。

5）場景發(fā)布。打開SuperMap iServer，點(diǎn)擊“服務(wù)管理”，選擇“快速發(fā)布一個(gè)或一組服務(wù)”。數(shù)據(jù)來源選擇之前保存的工作空間，發(fā)布類型設(shè)置為“REST-三維服務(wù)”，即實(shí)現(xiàn)三維場景發(fā)布。

三維場景發(fā)布之后，可以使用SuperMap iClient3D for WebGL進(jìn)行二次開發(fā)，添加三維量測、三維空間分析等復(fù)雜功能，最終達(dá)到無需下載、安裝插件，即可通過瀏覽器高效使用三維服務(wù)的效果。需要說明的是，SuperMap iServer需要安裝在服務(wù)器系統(tǒng)，如Windows Server。同時(shí)，超圖系列軟件僅可免費(fèi)試用一個(gè)月，如需長期使用則需購買相關(guān)軟件產(chǎn)品（一年期付費(fèi)）。

3.2 ArcGIS Pro發(fā)布流程

ArcGIS Online 可以進(jìn)行地理數(shù)據(jù)上傳和網(wǎng)頁發(fā)布，但由于三維模型的數(shù)據(jù)量通常較大，一般需要使用ArcGIS Pro進(jìn)行發(fā)布，其流程（圖4）。

圖4 ArcGIS Pro發(fā)布三維數(shù)據(jù)流程

1）打開ArcGIS Pro，獲得使用許可。可以加載許可文件，也可以申請(qǐng)臨時(shí)試用。

2）添加Portal 地址，建立ArcGIS Pro 與Portal for ArcGIS的連接。Portal for ArcGIS是GIS資源管理平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、組織內(nèi)部成員協(xié)同共享、多維數(shù)據(jù)制圖、配置WebGIS、與ArcGIS Server集成等功能。

3）在ArcGIS Pro的項(xiàng)目中新建三維場景，添加數(shù)據(jù)時(shí)需要多面體格式，如果是其他格式，需要先通過ArcGIS Pro 的Import 3D files 工具或者數(shù)據(jù)互操作模塊進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。

4）選擇待發(fā)布場景，發(fā)布三維數(shù)據(jù)。隨后便可在Portal 中瀏覽發(fā)布的場景，也可以將該場景通過網(wǎng)頁鏈接共享給其他用戶。

三維數(shù)據(jù)發(fā)布之后可以登錄ArcGIS Online 賬戶，找到發(fā)布的場景進(jìn)行調(diào)整并添加功能，如添加底圖、圖例，測量、光照模擬等，另外也可結(jié)合ArcGIS API for JavaScript 或 者ArcGIS Web Appbuilder 進(jìn) 行 二 次 開發(fā)，同樣的ArcGIS Online也僅提供60 d的免費(fèi)試用。

3.3 Wish3D Earth發(fā)布流程

Wish3D Earth 是中科圖新公司制作的三維場景在線搭建平臺(tái)，其發(fā)布流程如下：

1）創(chuàng)建場景，模型導(dǎo)入素材庫。在圖新地球場景管理選擇創(chuàng)建場景，然后將Context Capture 生成的OSGB數(shù)據(jù)（壓縮包形式）導(dǎo)入素材庫。

2）上傳發(fā)布。在素材庫里選擇已有的實(shí)景三維模型，進(jìn)行上傳發(fā)布，即可在圖層管理中看到上傳的三維場景。另外還可以在場景信息欄進(jìn)行一些基本設(shè)置，例如場景名稱、封面等。

3）創(chuàng)建鏈接，分享場景。進(jìn)行場景分享時(shí)可以根據(jù)需要選擇是否設(shè)置密碼、鏈接有效期。同時(shí)，還可以生成二維碼，這樣使得用戶無需GIS 軟件，僅憑手機(jī)或平板電腦掃描二維碼便可訪問分享的場景。此外，Wish3D Earth 還提供了坐標(biāo)、距離、面積等量測工具，還可對(duì)場景進(jìn)行可視域、光照分析等（圖5）。

圖5 Wish3D Earth發(fā)布的河南理工大學(xué)三維場景

相對(duì)于SuperMap和ArcGIS平臺(tái)，Wish3D Earth輕巧靈活，發(fā)布實(shí)景三維數(shù)據(jù)更加快捷，無需安裝WebGIS平臺(tái)軟件、配置系統(tǒng)環(huán)境。同時(shí)，Wish3D Earth 發(fā)布的場景支持電腦、手機(jī)、平板等多個(gè)終端訪問，并且還具有加載地圖底圖、量測、空間分析等常用功能。

需要說明的是，Wish3D Earth試用版（有效期30 d）上傳的數(shù)據(jù)壓縮包限制在2 GB以內(nèi)，基礎(chǔ)版本限制在10 GB 內(nèi)，高級(jí)版限制在20 GB 內(nèi)，不過，基礎(chǔ)版和高級(jí)版需要付費(fèi)購買。

4 結(jié) 論

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)目前已經(jīng)成為獲取實(shí)景三維模型的一種重要方式，而隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，WebGIS與客戶端GIS的差距不斷縮小，同時(shí)還具有跨平臺(tái)、易更新、易推廣、無需安裝的特點(diǎn)，便于廣大群眾更加簡單快捷地獲取地理空間信息。