范微維　馬靜月

摘 要：隨著GIS及RS技術(shù)的不斷發(fā)展，怎樣將二維場(chǎng)景轉(zhuǎn)換為三維立體空間是數(shù)字化校園建設(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容。本文闡述了數(shù)字校園建設(shè)的技術(shù)流程及數(shù)字校園建設(shè)中建立三維實(shí)景模型需重點(diǎn)解決的問題。

關(guān)鍵詞：GIS;RS;三維實(shí)景模型;數(shù)字校園

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，全國(guó)各地的大學(xué)幾乎都獲得長(zhǎng)足的發(fā)展，校園變化大、校區(qū)變化多、學(xué)校擴(kuò)招、建筑更加現(xiàn)代、設(shè)備更加先進(jìn)等諸多變化令校園煥然一新。但是，學(xué)校各個(gè)機(jī)構(gòu)、建筑等情況的介紹仍然停留在傳統(tǒng)的二維地圖中，不能夠直觀也不方便實(shí)時(shí)管理。目前GIS與RS技術(shù)被廣泛地應(yīng)用在數(shù)字校園的建設(shè)中，給高校帶來了基于WebGIS的實(shí)景三維可視化展示解決方案。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)量等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，1998年美國(guó)提出“數(shù)字地球”的概念，隨后，“數(shù)字城市”“數(shù)字校園”等概念也被相繼提出。數(shù)字校園是以計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合校園地形、地表地物情況以及校園中的多數(shù)據(jù)源，通過測(cè)繪技術(shù)，對(duì)學(xué)?？臻g數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、檢索、建模、分析和輸出對(duì)校園進(jìn)行多分辨率、多尺度、多時(shí)空和多種類的三維描述[1]。同時(shí)通過與學(xué)校各類應(yīng)用屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行集成與整合，可以直接明了的方式進(jìn)行地理信息的展示，為學(xué)校進(jìn)行合理的資源配置，校園規(guī)劃建設(shè)、管理和校園生活提供決策依據(jù)。

隨著時(shí)代的發(fā)展，應(yīng)用需求的增多，地球表面的形態(tài)也在發(fā)生著快速的變化，迫切需要實(shí)現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)的快速獲取與實(shí)時(shí)更新。目前有多種方法可采集地表數(shù)據(jù)，其中航空攝影測(cè)量技術(shù)是快速獲取地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)的重要技術(shù)手段，在空間地理數(shù)據(jù)的獲取與更新中起著不可替代的作用[2-3]。

隨著無人機(jī)與數(shù)碼相機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)技術(shù)在測(cè)量方面得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的測(cè)繪工作方式不同的是，通過無人機(jī)低空多位鏡頭攝影可獲取高清晰立體影像數(shù)據(jù)。無人機(jī)技術(shù)在數(shù)據(jù)采集中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：低廉的人力、物力等的經(jīng)濟(jì)成本;數(shù)據(jù)精確，可快速的實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的獲取、處理，采集的數(shù)據(jù)信息豐富、影像直觀、可進(jìn)行三維分析。此類服務(wù)已被廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃建設(shè)、資源調(diào)查、大比例尺影像獲取、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)等方面[4]。

何原榮等利用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)重建古建筑物[5];張玉俠等利用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)采集露天礦山礦坑和排土場(chǎng)的占地面積、體積等從而對(duì)露天礦山進(jìn)行監(jiān)測(cè)[6];吳飛宇利用無人機(jī)技術(shù)對(duì)城市進(jìn)行建模，探討了無人機(jī)技術(shù)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用[7];馬茜芮等通過選取某一村莊驗(yàn)證了無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)再地籍調(diào)查中的作用，得出：無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用在地籍調(diào)查中，不僅成圖精度滿足規(guī)范要求，同時(shí)降低人力物力，測(cè)圖效果得到極大的提高[8];劉玉潔等探討了無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在大比例尺測(cè)圖中的應(yīng)用，分析結(jié)果表明無人機(jī)航攝技術(shù)可滿足1：2000比例尺測(cè)圖精度要求[9]。

無人機(jī)航攝系統(tǒng)是在無人機(jī)上搭載多臺(tái)攝影儀傳感器，結(jié)合空中和地面控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)影像的自動(dòng)拍攝和獲取，同時(shí)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)航向規(guī)劃、參數(shù)設(shè)置、飛行姿態(tài)的監(jiān)控、信息數(shù)據(jù)壓縮和影像自動(dòng)傳輸、影像預(yù)處理等功能，從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜五個(gè)角度獲取遙感影像，是智能化、穩(wěn)定可靠、作業(yè)能力強(qiáng)的低空遙感系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含：飛行平臺(tái)、飛行導(dǎo)航與控制系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、發(fā)射與回收系統(tǒng)、地面保障設(shè)備。航拍攝像系統(tǒng)為多種航拍傳感器提供了搭載平臺(tái)，可滿足多種快速高精度獲取影像的需求。無人機(jī)核心飛行控制設(shè)備——飛行導(dǎo)航與控制系統(tǒng)，其主要任務(wù)是利用GPS等導(dǎo)航定位信號(hào)，通過監(jiān)控?zé)o人機(jī)在工作中的飛行高度、距離、航向、方位、航跡、姿態(tài)等信息，并在屏幕上顯示，同時(shí)執(zhí)行地面發(fā)出的操作命令，能夠?qū)崿F(xiàn)飛行高度、飛行姿態(tài)、飛行速度的穩(wěn)定控制，使無人機(jī)按照預(yù)設(shè)的航線飛行。地面控制系統(tǒng)主要包括RC接收機(jī)、無線遙控器、監(jiān)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，地面供電系統(tǒng)以及監(jiān)控軟件，在無人機(jī)飛行前根據(jù)測(cè)區(qū)情況對(duì)任務(wù)規(guī)劃和設(shè)計(jì)，在飛行過程中通過無線圖傳電臺(tái)實(shí)時(shí)下傳數(shù)據(jù)，地面系統(tǒng)接收、顯示飛行區(qū)域的飛行航跡、電子地圖以及無人機(jī)空速、高度、方位、航跡、航向、飛行姿態(tài)等參數(shù)。操作者則在地面系統(tǒng)上監(jiān)控飛行狀態(tài)，并根據(jù)航跡規(guī)劃和調(diào)整路徑來控制各種任務(wù)的執(zhí)行。

三維實(shí)景建模技能是經(jīng)過傾斜攝影取得的相片、集，校對(duì)交融視頻、點(diǎn)云等數(shù)據(jù)形成模型的技能。關(guān)于實(shí)景建模體系來講，不光要有數(shù)據(jù)收、處理建模，更要有后續(xù)的模型運(yùn)用進(jìn)程。經(jīng)過無人機(jī)航拍、相機(jī)拍照和激光掃描等技術(shù)獲取數(shù)據(jù)，經(jīng)過實(shí)景建模體系識(shí)別運(yùn)算生成三維模型，導(dǎo)入到建模體系中將實(shí)景模型和數(shù)字模型交融，再進(jìn)行深化運(yùn)用。

以三維GIS平臺(tái)為載體構(gòu)建智慧校園，可充分發(fā)揮三維GIS平臺(tái)的數(shù)據(jù)疊加能力、可視化展示能力、三維空間分析能力，將業(yè)務(wù)管理、物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)、大數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控、工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)、地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)、公共安全數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)融合到一個(gè)三維可視化平臺(tái)，進(jìn)行高度融合與挖掘分析，并構(gòu)建智慧管理相關(guān)的應(yīng)用，為校園的規(guī)劃、建設(shè)、管理、決策提供可視化支撐。

1 技術(shù)流程

1.1 建立三維實(shí)景模型

在建立三維模型的過程中，需先對(duì)相關(guān)的資料進(jìn)行收集，同時(shí)要注意數(shù)據(jù)的可用性和準(zhǔn)確性，本文數(shù)字校園三維場(chǎng)景構(gòu)建過程中，所涉及的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)大致可以分為以下幾類：（1）校園場(chǎng)景底圖數(shù)據(jù)，即校園1∶500數(shù)字地形圖。（2）校園內(nèi)建筑物及設(shè)施高度數(shù)據(jù)。（3）紋理數(shù)據(jù)。（4）遙感影像。（5）統(tǒng)計(jì)資料、文本資料等。校園底圖數(shù)據(jù)可由全站儀、RTK實(shí)測(cè)，或由高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)獲取，由于三維建模對(duì)數(shù)據(jù)的精度要求高，所以采用全站儀、RTK對(duì)校園底圖數(shù)據(jù)進(jìn)行分類采集。主要包括校園內(nèi)的主要道路、建筑物、操場(chǎng)、綠地、水域、高程等。

1.2 建立數(shù)據(jù)庫(kù)

建立數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括業(yè)務(wù)管理、物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)、大數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控、工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)、地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)、教室、學(xué)生宿舍數(shù)據(jù)、公共安全數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)建立應(yīng)盡量減少空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的冗余;并確保空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性;滿足用戶對(duì)空間數(shù)據(jù)的查詢?cè)L問等需求;能夠提供多種決策需要，具備較強(qiáng)的應(yīng)用適應(yīng)性。建立空間數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)分為幾何數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩類。幾何數(shù)據(jù)用于描述地理實(shí)體的空間位置和形狀及實(shí)體間拓?fù)潢P(guān)系的數(shù)據(jù)，一般用圖形、圖像表示。屬性數(shù)據(jù)是描述實(shí)體的類型、數(shù)量和名稱等信息的數(shù)據(jù)，一般用數(shù)字或文字表示。

1.3 三維場(chǎng)景視頻監(jiān)控平臺(tái)

采用最新研發(fā)的創(chuàng)新技術(shù)：三維場(chǎng)景與視頻融合技術(shù);視頻圖像三維拼接技術(shù);攝像機(jī)鏡頭在三維場(chǎng)景中的目標(biāo)定位與交互控制技術(shù)。將校園內(nèi)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖像融合到三維場(chǎng)景的地理位置中，實(shí)現(xiàn)了三維虛擬場(chǎng)景與現(xiàn)實(shí)視頻圖像的結(jié)合。通過多視頻影像在其地理位置上拼接，展現(xiàn)出三維場(chǎng)景的真實(shí)狀態(tài)。三維場(chǎng)景視頻融合技術(shù)將視頻圖像直接放置在三維地理場(chǎng)景中的對(duì)應(yīng)位置上，不僅定位了視頻圖像所在位置，而且通過三維場(chǎng)景可以了解周圍的地理環(huán)境，如某棟樓某間教室學(xué)生的出勤上課情況等，徹底解決了視頻圖像定位問題;視頻拼接技術(shù)改變了監(jiān)控人員看電視墻的孤立圖像，轉(zhuǎn)而觀看具有三維地理空間關(guān)系的三維場(chǎng)景畫面。解決了監(jiān)控人員不能同時(shí)監(jiān)視與地理位置相關(guān)的多個(gè)視頻圖像，尤其不需要去識(shí)別各個(gè)鏡頭圖像的地點(diǎn)位置，而只需看一個(gè)三維場(chǎng)景頁(yè)面即可一目了然。

2 技術(shù)關(guān)鍵和重點(diǎn)解決的技術(shù)問題

攝影測(cè)量主要作業(yè)流程為：（1）收集測(cè)區(qū)地形以及氣象等資料，并對(duì)測(cè)區(qū)地形及氣象條件分析;（2）根據(jù)需求及測(cè)區(qū)范圍選擇飛機(jī)及相機(jī);（3）外業(yè)航拍影像質(zhì)量檢測(cè);（4）內(nèi)業(yè)影像處理（建立工程、自動(dòng)匹配、空三解算、影像密集匹配、影像拼接）;（5）外業(yè)數(shù)據(jù)調(diào)繪;（6）內(nèi)業(yè)資料編輯;（7）質(zhì)量檢測(cè)評(píng)估。

通過無人機(jī)傾斜航拍技能，能夠快速地獲取航攝區(qū)域的多視點(diǎn)印象，經(jīng)過實(shí)景建模軟件的處理得到區(qū)域的實(shí)景三維模型、正射影像及地勢(shì)。概括為影像數(shù)據(jù)的獲取、數(shù)據(jù)預(yù)處理、構(gòu)建校園三維實(shí)景模型。外業(yè)影像數(shù)據(jù)采集前先現(xiàn)場(chǎng)踏勘了解測(cè)區(qū)地形、氣候條件、高程變化、測(cè)量控制點(diǎn)的位置，多源方位地獲取研究區(qū)的航攝影像;航拍時(shí)選擇天氣晴朗、光照度充足、太陽(yáng)高度角大于等于30°的時(shí)間段進(jìn)行。像控點(diǎn)的布設(shè)要求分布均勻，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，對(duì)學(xué)校的相控點(diǎn)布設(shè)分別在樓頂布控、地面布控和空地聯(lián)合布控。對(duì)外業(yè)采集的航拍影像數(shù)據(jù)進(jìn)行性預(yù)處理整理，復(fù)核航攝影像質(zhì)量、數(shù)量、文件格式是否無誤，航拍高度以及影像的重疊度是否能夠達(dá)到建模所需的精度要求，對(duì)原始影像進(jìn)行色彩、對(duì)比度、亮度的處理后的影像要保證整個(gè)測(cè)區(qū)的整體色調(diào)一致性，且單張影像不偏色。如果在航攝影像外業(yè)數(shù)據(jù)采集中檢查到影像色差嚴(yán)重、曝光不合理、云霧遮擋、或缺，那么就需要補(bǔ)充拍攝，提高建立三維模型的精度和質(zhì)量。影像預(yù)處理還需將POS數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)結(jié)合起來，建立兩者之間的相互關(guān)系。

三維模型的建立分為空三處理和模型重建。利用實(shí)測(cè)獲取的高分辨率多角度航攝影像及像控?cái)?shù)據(jù)，結(jié)合共線條件方程理論，采用多視角光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量進(jìn)行自動(dòng)三維重建獲取OSG粗模型，后單體化建模、映射紋理，與場(chǎng)景融合，構(gòu)建基于真實(shí)自然紋理的實(shí)景三維精細(xì)化模型。

3 結(jié)語(yǔ)

利用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，運(yùn)用Context Capture、DP-Modeler、arcgis等軟件，建立校園實(shí)景三維模型，結(jié)合建立GIS數(shù)據(jù)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)校區(qū)三維場(chǎng)景的可視化及數(shù)字校園的建設(shè)。通過虛擬三維場(chǎng)景的建設(shè)，不僅可直觀地展示校園風(fēng)采，而且可進(jìn)行場(chǎng)景瀏覽、屬性查詢、學(xué)生在校實(shí)時(shí)情況的監(jiān)測(cè)，提高了學(xué)校的管理水平，也為學(xué)生提供優(yōu)質(zhì)的校園環(huán)境。同時(shí)數(shù)字化校園的建設(shè)可為學(xué)校后期的建設(shè)規(guī)劃提供決策依據(jù)。

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作者簡(jiǎn)介：范微維（1989— ），女，漢族，四川廣安人，工學(xué)碩士，助教，研究方向：攝影測(cè)量與遙感。