基于倾斜摄影快速构建城市三维模型的方法

基于倾斜摄影技术快速构建城市三维模型的方法
1航测系统
倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术，它颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度采集影像，将用户引入了符合人眼视觉的真实直观世界。

利用倾斜摄影技术的最大优势在于可以全自动、高效率、高精度、高精细的构建地表全要素三维模型。

自动建模和智能测图一下搞定了摄影测量几十年来苦苦追求的目标。

所以呢，这项技术还是很厉害的。

当然了更应该佩服的是那群通过计算机视觉技术利用足够数量和有足够重叠度的倾斜影像实现了三维重建的程序员，这才形成了倾斜摄影技术或倾斜摄影测量技术。

而我自己觉得倾斜摄影这项技术带来的最大创新在于这项技术带来了——无人机、实景三维建模平台软件、实景三维模型后期建模修模、GIS+上下游产业应用的空间。

带来了一大批高薪就业的机会。

整个倾斜摄影的应用可以囊括——无人机、倾斜摄影相机、航拍航线、航飞、空三、建模——面向应用（三维测图、结合3DGIS定制开发应用）等。

倾斜摄影原理示意图1
倾斜摄影原理示意图2
倾斜摄影技术作为数据获取方案，采用倾斜摄影相机（如图所示），拟搭载直升飞机或高空无人机作为飞行平台，进行数据采集工作。

倾斜摄影相机设备相机参数如下：
2软件系统
Smart3D的两大模块：Smart3D主控台与Smart3D引擎端。

它们遵循主从模式（Master-Worker）:
Smart3D主控台是Smart3D的主要模块。

用户可以通过图形用户界面，向软件定义输入数据，设置处理过程、提交过程任务、监控这些任务的处理过程与处理结果可视化等。

Smart3D主控台不会执行处理过程，而是将任务分解为基础作业并其提交给作业队列（Job Queue）。

Smart3D引擎端是Smart3D的工作模块。

它在计算机后台运行，无需与用户交互。

当Smart3D引擎端空闲时，在等待队列中的任务，主要取决于它的优先级与提交的数据。

处理任务包括空中三角测量过程或者三维重建。

空中三角测量过程或三维重建采用计算密集型算法，如关键点的提取，自动连接点匹配，集束调整、密度图像匹配、稳健三维重建、无接缝纹理映射、纹理贴图、包装、细节层次生成等。

由于采用了主从模式（Master-Worker），S mart3D支持网
格计算（Grid Computing）。

只需在多台计算机上运行多个Smart3D 引擎端，并将它们关联到一个作业队列上，就会大幅降低处理时间。

Smart3D Capture 计算架构 Smart3D 包括以下工具模块: Smart3D Viewer是免费的轻量可视化模块，它针对Smart3D 原生格式进行了优化，这种格式可以处理多重精细度模型(LOD)、分页(Paging)和数据流（Streaming）,因此TB级的三维数据能够在本地或在线环境下进行顺畅地浏览。

可以使用Smart3D Viewer控制模型的生产质量，也可以利用它对最终生产的模型成果进行浏览。

Smart3D Settings管理软件授权许可证、任务路径设置及相关其他软件配置。

Smart3D SceneComposer为Smart3D Viewer修改、配置三维索引文件。

数据运行软硬件支撑平台
3技术路线、流程
3.1总体技术流程
总体技术流程图
3.2倾斜摄影流程
图6 倾斜摄影流程图
3.3实景三维生产流程
实景三维流程图
3.4航测数据处理
3.4.1数据下载
航摄飞行完成，要及时对数据进行下载，原始数据经下载步骤被分离成单独影像数据、位置和姿态数据、飞行信息数据。

3.4.2IMU/GPS数据处理
采用Inertial Explorer软件将同步观测的CORS基站数据采用差分GPS方法对IMU/GPS数据进行联合解算，并填写相应的数据处理检查手簿和飞行数据检查结果分析表。

按规范要求平面偏差不大于0.08m、高程偏差不大于0.3m、速度偏差不大于0.4m/s。

3.4.3数据整理
a) 航片编号
航片编号由12位数字构成，采用以航线为单位的流水编号。

航片编号自左至右1~4位为摄区代号，5~6位为分区号，7~9位为航线号，10~12位为航片流水号。

以飞行方向为编号的增长方向，同一航线内的航片编号不允许重复。

当有补飞航线时，补飞航线的航片流水号在原流水号基础上加500。

b）航片整理
以航线为单位，同一条航线的航片统一按正北方向存放在同一个文件夹内，文件夹名称与航线编号一致，分区所有航线影像存于同一以分区号命名的文件夹中。

影像文件为JPG格式，文件名称与航片编号一致。

航空摄影数据采用硬盘存储，硬盘包装盒标签的注记内容包括：摄区名称、摄区代号、航摄仪类型及其编号、航摄仪主距、航摄时间、航线数和航片数、航摄面积、地面分辨率、航摄单位、硬盘编号、数据类型、航线号、起止片号。

c) 浏览影像整理
浏览影像应与数字航片一一对应，由高分辨率真彩色影像重采样获得，文件大小为100KB~300KB，其文件命名与其对应的数字航片文件命名一致。

倾斜摄影测量的数据本质上来看是mesh模型，什么是mesh模型呢？mesh模型就是网格面模型，它是点云通过一些算法，比如区域增长法、八叉树算法和波前算法等等构成的。

而点云是在同一空间参考系下用来表示目标空间分布和目标表面特性的海量点集合。

内业软件基于几何校正，联合平差等处理流程，可计算出基于影像的超高密度点云，如下图：
最后经过纹理映射构建真实三维模型，如下图：
4地理信息系统平台
1)具备同步加载二维地图、实景三维、三维模型、正射影像图
的数据管理能力；
2)具备三维交互浏览、属性查询检索、分析、标注等功能；
3)支持WEB端和移动端开发。

4.1质量控制
4.1.1质量保证体系
1) 实行项目负责制，从技术设计、实施过程中的技术问题处理，到 DEM 采集、DOM 制作、纹理数据采集、模型制作都选定具有丰富实践经验的高级工程师负责，严把质量关。

在项目实施过程中
应严格按照 IS09001 质量管理体系的程序进行，做好各项检查记录工作。

2) 产品实行二级检查一级验收制。

过程检查由分院专职检查员承担，最终检查由院质检科负责实施，验收工作由任务委托单位组织实施，或由该单位委托具有检验资格的检验机构验收。

3) 各级检查、验收工作必须独立进行，不得省略或代替。

4.1.2飞行质量控制
1)飞机停机位四周应视野开阔，视场内障碍物的高度角不届大于
15°。

2)应待飞机上所有发动机启动后，方可打开航摄系统的电源开
关。

3)机载设备开机后，进行5min以上的初始化和静态观测，飞机
方能滑行
4)飞行期间基站和机载G PS 接收机数据采样间隔均不应大于1s。

5)飞机上升、下降速率不应大于10m/s，且飞行过程中转弯坡度不
宜超过20°。

6)进人摄区航线时，应采用左转弯和右转弯交替方式飞行，且每
次直线飞行时间不应大于30min。

7)航摄飞行过程中应及时观察系统的工作情况，重点观察GPS信号
失锁现象，根据实际情况及时处理。

出现GPS信号失锁时，应立即中止摄影，并在信号恢复正常5min后再进入航线进行摄影，
若GPS信号始终无法恢复正常，应立即终止本架次飞行，并查明原因。

8)飞机停稳后，IMU/GPS 系统应继续观测2min以上，再关闭航摄系
统，最后关闭飞机发动机。

9)飞行结束后，填写航摄飞行记录表和IMU/GPS记录表。

5几家平台介绍
5.1Cesium—WebGL技术+三维球开源框架+大数据渲染
Cesium起初是一个做.NET的大神在自己项目中遇到的同时，思考基于webgl技术写的一套三维虚拟地球框架，这让我们自然的联想到为什么Cesium 默认底图是微软的BingMap。

Cesium到现在已经迭代到1.56版，在各方面已经相当成熟。

有OGC社区标准的3DTiles数据规范虽然积极因素很大，但是从国内国外使用Cesium来拓展自己webgl三维球的GIS厂商来看就知道了。

Cesium支持倾斜摄影分层分户单体化、影像黑边代码控制透明、支持
3DTiles倾斜摄影、BIM数据加载和lod，支持实WMS\WFS\WMTS标准OGS服务等。

5.2ArcGIS—ArcGIS的Web3D来得很迟
ArcGIS API for JavaScript4.x，Esri推出的旗帜鲜明对接64位ArcGIS Pro的WebGL开发包，ArcGIS这一套完全是自己自主开发，底层用了Dojo框架，用ArcGIS开发一个好处就是你压根不必要准备好一个谷歌浏览器环境，dojo屏蔽了浏览器差异。

不仅仅于此，用ArcGIS平台一个好处就是你在桌面配的效果，只管放心的发布服务，桌面什么风格，发布后服务绝对就是什么风格，不用担心风格、样式丢失。

短期内的web三维崛起，还是挺期待ArcGIS的。

5.3SuperMap—借助二三维一体化占据国内三维市场第一
用超图的软件：流程简易，容易上手入门，场景配置、服务发布流程简易，国内服务好，有中文api，同时还能拨打客服电话咨询开发中遇到的问题。

但是超图的WebGL较早的投入到了Cesium的怀抱，而早期的Cesium 问题较多，超图在拿到源码后为了适配自己的其他产品，修复了不少bug，同时Cesium团队也在对这些bug进行修复。

后来就出现了超图的代码与Cesium团队代码合不上的情况，所以，所以、所以、到现在，超图的WebGL版本还是1.41，其实社区已经有很大的更新呼声了。

相信不久就能更新了吧，因为1.4x到1.5x Cesium 确实进行大的更新迭代和功能修复。

5.4skyline—与谷歌地球同源的3D数字虚拟地球
其实在各家三维球开发过程中最避不开的就是相机飞行与四角矩阵的计算，Cesium提供的方法各种参数要一一的调试测试，费九牛二虎之力才能找到一个合适的角度，后来师兄教了我自己来计算四角矩阵我才差不多解决这个问题。

在此之前飞行方法真的是很头疼。

不过假如你是使用Skyline，你就能体会到skyline提供的飞行方法多么的稳定、强大。

6倾斜摄影技术的应用
6.1行业应用
6.1.1智慧城市建设中的作用
城市空间信息系统是数字化的软基础设施。

但是长久以来，城市三维模型采集制作周期长、建模费用高、测量精度差等问题，成为了制约智慧城市发展的瓶颈。

随着本项目倾斜摄影技术的普及，使大范围、高精度城市倾斜影像获取成为可能，利用相关处理软件，形成城市三维地理信息数据，可以实现对智慧城市全要素管理、监测、分析，为决策者提供辅助决策支持。

6.1.2在智慧国土中的作用
利用倾斜三维数据，并与土地管理数据、矿产数据与国土资源的计划、审批、供应、补充、开发、执法等行政监管系统叠加，共同构建统一的综合监管平台，可实现对国土资源的批、供、用、补、查全过程监管，实现资源动态监管的目标，有利于提高工作质量及工作效率，减少工作成本，有效实现部门间业务信息资源及时共享，便于领导及时准确进行决策。

智慧国土中的应用
6.1.3在不动产登记中的作用
采用倾斜摄影技术多次对不动产监测区域进行影像获取，通过倾斜摄影测量自动三维建模技术建立三维模型，辅助外业人员调查，在三维场景中进行坐标量测，形成矢量图形，辅助外业进行修补测量等一系列工作，能够极大程度上提高不动产登记的效率；结合其他分析工具可以形成以房屋数据为主线，从房产建设到房屋拆迁的完整生命周期管理，能够满足房产管理机构对日常业务的管理需求，实现对不动产登记的可视化、科学化、精细化管理。

在不动产登记中的应用
6.1.4在公安应急中的作用
随着国家各项有关应急管理的计划和制度的出台，应急管理工作已经成为国家公共安全工作的重点内容之一。

对于公安应急安保业务来说，倾斜摄影可真实准确还原目标区域实景三维。

精准的三维模型可以为警用空间分析提供更精确的分析结果，对事故现场和周围环境情况做全面仿真与监控，并实时、快速、动态地了解事态进展，及时根据现场实时情况疏散人群、组织救援、协调各方资源提供应急保障，从而最大程度上减少人民群众的人身和财产损失，为决策人员提供详尽的辅助决策方案，有效保障安保任务的顺利执行。

在公安应急中的应用
6.1.5在智慧交通中的作用
倾斜摄影技术可以应用于运输调度、设备管理、港口和水运管理、航空和飞行管理、公路管理、事故管理等众多领域。

利用倾斜摄影系统设备获取交通监测区域倾斜影像，通过数据处理软件快速自动批量建模，可以快速、准确、真实还原港口、立交桥、铁路等交通设施，通过与交通管理数据的叠加，可建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合运输和管理系统。

在智慧交通中的应用
6.1.6在智慧水利中的作用
随着社会信息化的发展，水利信息化已经成为了水利现代化建设的基础和重要标志。

由此，构建一个集可视化、数字化、信息化、智能化技术于一体的水利领域三维可视化系统不仅是必要的而且是可行的。

倾斜摄影技术可提供真实、准确、及时的模型，实现水利设施与地形无缝结合，为水利、水务业务提供规范、高效、丰富的数据资源和功能服务。

可广泛应用于水利领域的防汛减灾、水利设施管理、水利工程规划、水资源管理、水土保持、水资源监测等领域。

在智慧水利中的应用6.2智慧城市管理中的应用
6.2.1基础GIS分析应用功能
6.2.2专题地图编制
6.2.4天际线分析
6.2.6规划方案对比
6.2.8公安应用。