【超圖軟件】傾斜攝影時代的三維GIS技術(shù)進展

來源：超圖軟件
時間：2015-04-26

　　與二維GIS相比，三維GIS能夠讓我們更加形象直觀地觀察、理解、管理和規(guī)劃我們的世界。當前三維GIS已廣泛應用于城市規(guī)劃、建筑信息、水利環(huán)保等眾多領(lǐng)域。在發(fā)展的過程中，三維數(shù)據(jù)的采集制作成本是束縛和制約三維GIS前進步伐的關(guān)鍵因素，也影響了三維GIS的應用范圍。

　　手工建模三維場景生產(chǎn)方式的優(yōu)勢及局限性
　　長期以來，我們在3DMax、MAYA之類的三維建模軟件中通過手工的方式進行三維場景制作，首先制作建筑物的結(jié)構(gòu)框架，再貼上現(xiàn)場拍攝的紋理圖片，并輔以光影效果烘焙，如圖1所示。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1 傳統(tǒng)手工建模三維場景制作

　　手工建模三維場景的效果由建模人員的技能水平?jīng)Q定，綜合來看，手工方式制作的三維場景具有如下方面的優(yōu)勢：
　　● 效果炫
　　手工建?？梢酝ㄟ^色調(diào)控制、光影、烘焙等技術(shù)手段提升場景的可視化效果，制作出炫麗的三維場景，此外，還可以添加水面、煙花及其他粒子效果來提升場景的美觀性。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2 炫麗的手工建模三維場景

　　● 干凈、整潔，數(shù)據(jù)緊湊
　　手工建?？梢詫ΜF(xiàn)實世界的場景進行一些修正，以提升觀感體驗。例如在大多數(shù)手工建模場景中，道路是非常平的，樓體的墻面是非常直的，空氣是非常清新沒有霧霾的。
　　同時，由于對模型的修正，手工建模的三維場景中的模型得到簡化，其三角面片的數(shù)量得以大幅縮減，使三維模型的數(shù)據(jù)量降低，一定程度上提升了三維場景的瀏覽性能。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3 干凈、整潔的三維場景

　　● 不受時空限制
　　手工建模以人工方式在軟件中建造三維場景，可以突破可視空間的局限，除了地表空間外，地下管線、室內(nèi)空間布局、以及航空、航天的場景都可以在三維GIS中進行管理與展現(xiàn)。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖4  手工建?？赏黄茣r空限制

　　在具有如上優(yōu)勢的同時，手工方式生產(chǎn)三維場景數(shù)據(jù)也具有諸多限制和局限性，主要體現(xiàn)在如下方面：
　　●   生產(chǎn)成本高昂
　　手工建模的生產(chǎn)流程依賴人工操作，需要精通并熟練三維建模軟件操作的人員，需要現(xiàn)場拍攝紋理圖片，需要后期的美工處理與設(shè)計，這些工作都對專業(yè)性要求比較強，導致了手工建模三維場景的生產(chǎn)成本一直居高不下。
　　●   生產(chǎn)周期長
　　與機械化自動生產(chǎn)相比，人工制作的周期是一個重大局限。當前，以十人左右的建模團隊完成50-80平方公里的城區(qū)的三維場景建模約需要三個月的生產(chǎn)周期，還只能實現(xiàn)臨街樓體的精細建模，居住小區(qū)內(nèi)部的樓房大多是以簡模的方式完成。如此漫長的生產(chǎn)周期也影響了手工建模三維場景的更新速度。
　　●   精確度難以保障
　　以樓體為例，手工建模生產(chǎn)過程中樓體的高度是估算出來的，一棟樓，先數(shù)一下有多少層，按每層2.9-3.5米左右去估算樓體的高度。也有以測繪儀器來測量樓體實際高度的，但畢竟是少數(shù)。所以手工建模三維場景的精確度是難以保障的，決定了這類的場景不適合做對精確度要求較高的三維分析應用。
　　●   不真實
　　手工建模的成果來源于建模人員的肉眼觀察并重現(xiàn)，受限于視角，所建模型往往與實際場景有較大出入，尤其是高層及樓頂。下圖中的左圖是對兩棟建筑的手工建模成果，而這兩棟樓的實際樣子是右圖這樣的，可以看到手工建模效果和真實世界是有較大出入的。

　　　　　　　　　　　　　　　　圖5  手工建模三維場景與真實建筑的對比

　　綜上所述，手工建模的三維場景生產(chǎn)方式是前些年三維GIS數(shù)據(jù)的主要生產(chǎn)方式，有其優(yōu)勢，也有諸多問題。后文將介紹的傾斜攝影三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)方式是對手工方式的良好補充，甚至在一些領(lǐng)域內(nèi)已形成對手工建模方式的顛覆，提供了更好的三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)和管理模式。

　　傾斜攝影建模及其優(yōu)勢
　　傾斜攝影技術(shù)是國際測繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，它顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從五個不同的角度(一個垂直、四個傾斜)采集影像，將用戶引入了符合人眼視覺的真實直觀世界。
　　三維GIS將傾斜攝影測量技術(shù)與三維場景自動化生產(chǎn)技術(shù)結(jié)合起來，以飛機、無人機、飛艇等設(shè)備以連續(xù)條帶的方式拍攝場景數(shù)據(jù)，經(jīng)過空三等自動化數(shù)據(jù)處理流程，生產(chǎn)出相應區(qū)域的三維場景數(shù)據(jù)。
　　與手工建模方式相比，傾斜攝影建模具有如下優(yōu)勢：
　　●   生產(chǎn)流程自動化，對人工及技能要求降低
　　傾斜攝影建模目前已形成成熟的自動化生產(chǎn)系統(tǒng)，擺脫了對人工及專業(yè)技能的依賴。
　　●   生產(chǎn)效率高
　　同樣以50-80平方公里的城區(qū)為例，飛行拍攝一天內(nèi)可以完成，數(shù)據(jù)的自動化處理兩周以內(nèi)即可完成，若以多臺服務(wù)器并行處理，生產(chǎn)周期還可以更短。依托于此優(yōu)勢，傾斜攝影方式建模可以實現(xiàn)更高頻度的數(shù)據(jù)更新。
　　●   生產(chǎn)成本低
　　由于大幅降低了人工成本，傾斜攝影建模的生產(chǎn)成本約相當于人工建模成本的三至六成。
　　●   數(shù)據(jù)真實且精度高
　　好的現(xiàn)實世界還原，并實現(xiàn)量測及分析的高精度。目前傾斜攝影數(shù)據(jù)的量測精度誤差已可控制到亞米級別。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖6 金山嶺長城的傾斜攝影數(shù)據(jù)

　　源于在效率和成本方面的優(yōu)勢，傾斜攝影建模在近兩年得到了迅猛發(fā)展，在多個區(qū)域多個行業(yè)得到了廣泛應用。

　　傾斜攝影建模面臨的挑戰(zhàn)及超圖的應對策略
　　傾斜攝影數(shù)據(jù)具有真實、精確的優(yōu)勢，發(fā)展迅猛，但在發(fā)展過程中也面臨諸多挑戰(zhàn)。
挑戰(zhàn)一：海量數(shù)據(jù)管理性能
　　傾斜攝影數(shù)據(jù)由航測數(shù)據(jù)自動生成，三角格網(wǎng)精細且復雜，導致了傾斜攝影數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量往往比較大，這對數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、加載、應用的性能帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。
　　傾斜攝影生成的三維場景數(shù)據(jù)多為OSGB格式，傳統(tǒng)的三維GIS軟件需要對OSGB格式進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)成GIS軟件原生格式后方可在軟件中加載并展示。當數(shù)據(jù)量大的時候，數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換會花費大量的時間。以300平方公里的傾斜攝影數(shù)據(jù)為例，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的時間就需要兩天左右。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖7 湖南崀山傾斜攝影數(shù)據(jù)

　　SuperMap改進了傾斜攝影數(shù)據(jù)的處理方式，通過技術(shù)努力實現(xiàn)了不需轉(zhuǎn)換的高性能加載模式。在SuperMap軟件中可以直接加載OSGB格式的傾斜攝影數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)經(jīng)過優(yōu)化的高性能數(shù)據(jù)瀏覽。SuperMap軟件中可實現(xiàn)海量傾斜攝影數(shù)據(jù)的瞬間全幅加載，具有幀率高、占用內(nèi)存少的優(yōu)勢。以湖南崀山的傾斜攝影數(shù)據(jù)為例，其數(shù)據(jù)量超過600GB，加載時間不到2秒，多種區(qū)域和范圍的瀏覽展示幀率保持在35幀以上。
挑戰(zhàn)二：只能看，不能管，被稱為“花瓶”應用
　　傾斜攝影數(shù)據(jù)基于表面模型構(gòu)建，未能實現(xiàn)地表對象的單體化和對象化。簡單來講，傾斜攝影數(shù)據(jù)中整個區(qū)域是一張起伏不平的連續(xù)的表皮，數(shù)據(jù)中的地表對象，如房屋、樹木等是整個數(shù)據(jù)中的一部分，就像是一大片布料上的一小塊區(qū)域一樣，是不能把它單獨來操作和管理的，因為它不能單體操作和對象化操作，造成傾斜攝影數(shù)據(jù)難以掛接屬性數(shù)據(jù)，也難以與業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)進行對接，造成了傾斜攝影數(shù)據(jù)只能看不能管的狀況，使得傾斜攝影數(shù)據(jù)的價值難以得到充分發(fā)揮，多年來被稱為花瓶式應用。
　　SuperMap基于二三維一體化技術(shù)架構(gòu)，創(chuàng)造性地將傾斜攝影數(shù)據(jù)與二維GIS數(shù)據(jù)結(jié)合起來，實現(xiàn)了傾斜攝影數(shù)據(jù)的單體化管理和對象化管理，能夠?qū)A斜攝影數(shù)據(jù)中的地表對象與業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)對接起來，可以很方便地在傾斜攝影數(shù)據(jù)上實現(xiàn)點擊選擇、查詢、專題圖、分析等多種管理操作，大幅提升了傾斜攝影數(shù)據(jù)的價值和實用性。