測(cè)繪前沿

■ 楊 瀚 黃 鶴 王東波

測(cè)繪前沿

■ 楊 瀚 黃 鶴 王東波

測(cè)繪領(lǐng)域的三維建模

以往的城市規(guī)劃人員的工作重點(diǎn)主要放在各種地圖的設(shè)計(jì)上，特別是專題地圖的繪制，但均以紙質(zhì)地圖為主，屬性信息僅包含圖名信息、二維坐標(biāo)信息、圖例信息、經(jīng)緯度信息等，這些信息不能給人一種直觀的真實(shí)感和帶入感，更不能在有限的空間中展示城市的全景輪廓。近年來，人們也使用過紙質(zhì)模板或木質(zhì)材料來制作3D模型，這樣的簡(jiǎn)易模型雖然能夠滿足視覺上的審美感，用來實(shí)現(xiàn)縮小比例尺的城市景觀3D可視化，但是這種制作工藝復(fù)雜、工作量巨大、費(fèi)用較高，而且一次成型便無法進(jìn)行修改，更不能以第一人稱的身份進(jìn)入模型中去感受，只能從外觀上進(jìn)行簡(jiǎn)單的觀看。

以上問題在現(xiàn)代“數(shù)字城市”發(fā)展的今天已經(jīng)不是難題，結(jié)合測(cè)繪學(xué)科的地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）可以將真實(shí)世界的物體用三維建模技術(shù)完美地表達(dá)出來，更加有效地表達(dá)城市規(guī)劃建設(shè)的中的各種有效信息。這種技術(shù)主要是基于現(xiàn)在比較成熟的計(jì)算機(jī)三維城市建模技術(shù)，更要結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)的采集技術(shù)，代表性的有無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)、3D-SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）技術(shù)、地面激光點(diǎn)云技術(shù)等測(cè)繪前沿技術(shù)。建模成形的城市景觀模型能夠給人一種全方位、直觀性、科學(xué)合理的視覺沖擊感，比較符合人類的視覺和審美效果，而且3D景觀的各種模型數(shù)據(jù)易于制作修改，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)城市各類信息的查詢、添加、修改、分析等功能，這些功能和效果展示都是傳統(tǒng)城市規(guī)劃人員不曾想象的，也是傳統(tǒng)方法無法做到的。

測(cè)繪前沿技術(shù)

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)、即時(shí)定位與地圖構(gòu)建（SLAM）技術(shù)和地面激光點(diǎn)云技術(shù)等測(cè)繪領(lǐng)域新技術(shù)，均在智慧城市發(fā)展規(guī)劃和建設(shè)中的不同階段發(fā)揮著重要的角色作用。

（一）無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

傾斜攝影測(cè)量是近年來測(cè)繪領(lǐng)域快速發(fā)展的一項(xiàng)新興技術(shù)，目前多采用固定翼無人機(jī)搭載傾斜相機(jī)同時(shí)從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜等五個(gè)不同的角度進(jìn)行影像采集，該類型無人機(jī)具有續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、載重大且飛行高度較高等優(yōu)勢(shì)，適用于城市等大場(chǎng)景影像采集。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是將多臺(tái)高精度相機(jī)搭載在飛行平臺(tái)上，如固定翼無人機(jī)、多旋翼無人機(jī)，以及大型飛機(jī)，從水平、垂直、傾斜等不同的角度進(jìn)行影像數(shù)據(jù)的采集，獲取地面物體的頂部和側(cè)面的影像信息，所獲取的影像信息能夠真實(shí)地反應(yīng)客觀實(shí)際情況，包括紋理信息，以滿足模型的三維信息要求。

無人機(jī)搭載傾斜相機(jī)同時(shí)從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜等五個(gè)不同的角度進(jìn)行影像采集

計(jì)算機(jī)的并行計(jì)算技術(shù)和視覺技術(shù)是近年來能夠支撐傾斜攝影測(cè)量影像數(shù)據(jù)處理和提取的重要因素，再加上硬件性能的大幅度提高，使得海量、多分辨率、無序、復(fù)雜的影像數(shù)據(jù)得到快速密集匹配。此外，還要有相關(guān)影像處理軟件與之結(jié)合，目前比較三維模型重建的軟件有Smart3D CC、SkyLine、PhotoScan等，已經(jīng)可以利用單目相機(jī)、無人機(jī)甚至手機(jī)影像進(jìn)行自動(dòng)化3D模型的重建。

（二）SLAM技術(shù)

即時(shí)定位與地圖構(gòu)建（SLAM）技術(shù)在移動(dòng)測(cè)繪問題上具有較好的應(yīng)用，如歐洲專利號(hào)為EP2913796A1的基于SLAM技術(shù)的推車，能夠?qū)κ覂?nèi)和室外的地面水平環(huán)境進(jìn)行地圖構(gòu)建和環(huán)境建模。因此，SLAM技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域中應(yīng)用降低了測(cè)量復(fù)雜，不需要大量標(biāo)記地物點(diǎn)、不需要GPS信號(hào)、適用于在室內(nèi)室外場(chǎng)景，對(duì)于解決傳統(tǒng)測(cè)繪中的定位及場(chǎng)景重建問題具有廣闊的前景。SLAM技術(shù)是機(jī)器人領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，是現(xiàn)代智能移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的核心技術(shù)。SLAM解決的問題是移動(dòng)機(jī)器人在未知的環(huán)境中利用自身裝載的傳感器獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行探索，通過觀測(cè)的數(shù)據(jù)，增量式地建立與環(huán)境相同的地圖，同時(shí)利用已經(jīng)建立的環(huán)境模型計(jì)算出機(jī)器人的位置。SLAM是機(jī)器人進(jìn)入未知環(huán)境遇到的第一個(gè)問題，是路徑規(guī)劃及許多其他任務(wù)的前提，是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主性的關(guān)鍵，是一個(gè)智能移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行其它一切后續(xù)動(dòng)作和行為的技術(shù)依據(jù)。

無人駕駛汽車。為了更好地理解SLAM，我們不妨這么看：上圖是其車載設(shè)備給汽車提供道路環(huán)境信息，以便正確地行駛。用于測(cè)繪，這輛汽車就是一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人，給人類提供環(huán)境信息

（三）地面激光點(diǎn)云技術(shù)

激光點(diǎn)云，利用激光在同一空間參考系下獲取物體表面每個(gè)采樣點(diǎn)的空間坐標(biāo)，得到的是一系列表達(dá)目標(biāo)空間分布和目標(biāo)表面特性的海量點(diǎn)的集合，這個(gè)點(diǎn)集合就稱之為“點(diǎn)云”（Point Cloud）。點(diǎn)云的屬性包括：空間分辨率、點(diǎn)位精度、表面法向量等。

地面激光點(diǎn)云技術(shù)是一種比較成熟的三維測(cè)量技術(shù)，它能夠?qū)δ繕?biāo)物體表面進(jìn)行三維信息的獲取，其工作原理是以陣列點(diǎn)云的形式采集目標(biāo)物體表面的3D空間特征，以及激光點(diǎn)云的坐標(biāo)信息。通過發(fā)射的激光的光束回波反射強(qiáng)度值和融合CCD相機(jī)影響的彩色信息，可以使得目標(biāo)物體的空間結(jié)構(gòu)特征和光譜輻射信息同時(shí)進(jìn)行表達(dá)，輸出的模型紋理更符合人們的視覺感受。

著色車載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)

智慧城市中的實(shí)際應(yīng)用

上述三種測(cè)繪新技術(shù)所采集的數(shù)據(jù)可以無縫地融合到一個(gè)展示系統(tǒng)中，之后將獲得重建的三維模型嵌入平臺(tái)中，構(gòu)成虛擬現(xiàn)實(shí)的模型。這個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)的三維建模平臺(tái)所展示的立體空間更方便決策者直觀地思考，可以為城市規(guī)劃和發(fā)展提供各種尺度和維度（包括二維和三維）的輔助，甚至可以為規(guī)劃人員提供比較直觀真實(shí)的視覺感受。通過新型智能政府辦公系統(tǒng)，大眾也可以參與到政府的決策和規(guī)劃之中，可以更好地了解職能政府并提出合理且具有代表性的城市建設(shè)的意見和建議，從而政府決策也能更具城市規(guī)劃發(fā)展的科學(xué)合理性。

（一）驗(yàn)收審核平臺(tái)構(gòu)建

建設(shè)項(xiàng)目三維審核平臺(tái)設(shè)計(jì)采用數(shù)據(jù)、服務(wù)、應(yīng)用三者相分離的耦合架構(gòu)設(shè)計(jì)，以利于實(shí)現(xiàn)與其他規(guī)劃審批系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享與交互。平臺(tái)設(shè)計(jì)采用三層架構(gòu)，由下到上分別為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層，由三維數(shù)據(jù)管理與服務(wù)發(fā)布子系統(tǒng)和規(guī)劃三維展示與輔助審批子系統(tǒng)構(gòu)成。平臺(tái)總體架構(gòu)框架如下圖所示：

平臺(tái)總體架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)資源層主要包括三維現(xiàn)狀模型庫、三維規(guī)劃模型庫和元數(shù)據(jù)庫等三維數(shù)據(jù)庫；通過開發(fā)三維數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的整合、整理、一致性檢驗(yàn)。規(guī)劃審批過程中用到的其他數(shù)據(jù)如基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、規(guī)劃專題數(shù)據(jù)、審批數(shù)據(jù)，通過在線服務(wù)調(diào)用方式從規(guī)管等系統(tǒng)中調(diào)取，在服務(wù)層進(jìn)行服務(wù)聚合，最終提供給應(yīng)用層使用。

服務(wù)層是數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層聯(lián)系的橋梁，利用Webservice技術(shù)將三維數(shù)據(jù)以服務(wù)的方式發(fā)布，并通過服務(wù)聚合方式整合規(guī)劃管理系統(tǒng)等系統(tǒng)發(fā)布的數(shù)據(jù)服務(wù)，統(tǒng)一為應(yīng)用層提供三維數(shù)據(jù)服務(wù)，并且根據(jù)應(yīng)用層功能需求，提供查詢統(tǒng)計(jì)、三維分析等功能服務(wù)。同時(shí)，服務(wù)層還為其他系統(tǒng)提供接口，以便將三維應(yīng)用集成到其他系統(tǒng)中。三維數(shù)據(jù)服務(wù)管理子系統(tǒng)主要用于服務(wù)的管理與發(fā)布。

應(yīng)用層即規(guī)劃三維輔助審批子系統(tǒng)和規(guī)劃三維展示子系統(tǒng)。三維展示子系統(tǒng)通過與規(guī)劃管理在系統(tǒng)界面層面的集成實(shí)現(xiàn)規(guī)劃審批二三維一體化。

（二）建筑物全生命周期監(jiān)測(cè)

1.設(shè)計(jì)階段

在某地進(jìn)行建筑物的建設(shè)之前，首先需要做的就是項(xiàng)目的規(guī)劃設(shè)計(jì)，其中最重要的環(huán)節(jié)是建筑物模型與建筑場(chǎng)地的嵌套融合過程，這個(gè)過程可以直觀地展示設(shè)計(jì)方案與建筑場(chǎng)地的匹配度，給人一種身臨其境的真實(shí)感受。

2.施工階段

在建筑物的施工建設(shè)過程中，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法是使用垂線偏差和局部抽樣檢測(cè)等測(cè)繪技術(shù)，這些方法只能控制建筑物在垂線上的一致性，而不能監(jiān)測(cè)建筑物在施工中的整體結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方案的偏差情況，以上問題可以通過三維建模技術(shù)實(shí)時(shí)、快速地來完成和解決。三維建模技術(shù)能將正在建設(shè)中的建筑物快速實(shí)時(shí)地掃描建模，并將建模完成的模型與上一時(shí)間段的模型做詳細(xì)的對(duì)比，及時(shí)檢測(cè)出各個(gè)部位的擬合精度和匹配度，為下一階段的施工提供科學(xué)有效地精度數(shù)據(jù)。

3.后期維護(hù)運(yùn)營(yíng)階段

建成后的建筑物投入使用以后也會(huì)有各種問題出現(xiàn)，比如管道節(jié)點(diǎn)的通暢情況、停車場(chǎng)的位置信息、樓層房間分布信息、消防器材的擺放情況、建筑物健康監(jiān)測(cè)等，都需要定期提供檢測(cè)報(bào)告，而利用三維模型檢測(cè)技術(shù)可以做到建筑物的全生命周期的健康壽命監(jiān)測(cè)，不僅可以節(jié)省大量人力、物力、財(cái)力，監(jiān)測(cè)的精度和準(zhǔn)確度也會(huì)有很大的提高，而且能以第一人稱的角色進(jìn)行實(shí)時(shí)直觀的檢測(cè)。

利用三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)得到的三峽庫區(qū)水下地形圖，為相關(guān)研究、決策提供科學(xué)、細(xì)致、可視化資料

隨著城市向智慧化、信息化、智能化方向的發(fā)展，城市三維模型規(guī)劃設(shè)計(jì)所涉及的學(xué)科領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大，其中測(cè)繪領(lǐng)域的前沿技術(shù)已經(jīng)為城市智慧化建設(shè)和發(fā)展提供了前所未有的支持和幫助。政府辦公信息審核系統(tǒng)中所涉及的虛擬現(xiàn)實(shí)三維模型能夠準(zhǔn)確地提供基本的地理信息，然后依據(jù)不同領(lǐng)域的專業(yè)需要進(jìn)行有效信息整合，為社會(huì)全方面信息的合理分配和共享提供空間合理分析和科學(xué)決策，使政府辦公變得更加地可視化、細(xì)致、科學(xué)化和自動(dòng)化，節(jié)省大量的成本和資源。

（作者單位：北京建筑大學(xué)測(cè)繪與城市空間信息學(xué)院；北京碧桂園晟龍置業(yè)發(fā)展有限公司）