三維實(shí)景地圖的生產(chǎn)與應(yīng)用

曹培國(guó)

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三維實(shí)景地圖的生產(chǎn)與應(yīng)用

曹培國(guó)

山東省地質(zhì)測(cè)繪院，山東 濟(jì)南 250002

實(shí)景地圖近年來(lái)發(fā)展迅速，在日常生活中應(yīng)用廣泛，如旅游景點(diǎn)、賓館、銀行、政府服務(wù)中心等的空間位置查詢、服務(wù)內(nèi)容了解。實(shí)景地圖的生產(chǎn)方法、生產(chǎn)流程多種多樣，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。目前，利用輕型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全景地圖，且方便、高效，質(zhì)量較好。基于此，介紹了生產(chǎn)三維實(shí)景地圖的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)以及三維實(shí)景地圖生產(chǎn)方法和過(guò)程，詳述了實(shí)景地圖應(yīng)用、發(fā)展現(xiàn)狀以及目前實(shí)景地圖存在的問(wèn)題。

實(shí)景地圖；三維地圖；全景地圖；傾斜攝影

實(shí)景地圖即真實(shí)三維地圖，是多項(xiàng)高新科學(xué)技術(shù)相結(jié)合的新興產(chǎn)物，是具有顛覆性的創(chuàng)新產(chǎn)品，也是二維地圖和模擬立體地圖無(wú)法比擬的。不僅可以用來(lái)管理社會(huì)公共事業(yè)，而且還可以讓網(wǎng)民用來(lái)網(wǎng)上搜索，搜索興趣點(diǎn)的360°實(shí)景圖。實(shí)景地圖可以讓人們足不出戶，身臨其境的了解內(nèi)、外部環(huán)境。

1 緒論

隨著社會(huì)與科技進(jìn)步，地圖從平面二維地圖發(fā)展到三維模擬地圖，又由模擬三維地圖發(fā)展到今天的實(shí)景地圖。可以說(shuō)，地圖鐫刻著時(shí)代進(jìn)步的烙印，地圖發(fā)展也是社會(huì)文明程度的一種重要標(biāo)志。

模擬三維地圖是虛擬三維地圖通過(guò)人工拍攝獲取建筑物的外形，而后將各個(gè)孤立的單視角3D模型無(wú)縫集成，經(jīng)過(guò)虛擬美化處理以后，形成三維地圖數(shù)據(jù)文件。

虛擬三維地圖是以現(xiàn)實(shí)地理信息為基礎(chǔ)，基于Web GIS和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的。可以通過(guò)任何方式（諸如采用人工拍照方式采集）獲得實(shí)際三維的地理信息，通常沒(méi)有實(shí)景三維地圖，對(duì)拍攝要求高。將獲得的地理信息進(jìn)行加工拼接，通過(guò)建模的方式加以整理，最后以虛擬現(xiàn)實(shí)的方式呈現(xiàn)。

全景地圖也稱為360°全景地圖、全景環(huán)視地圖。是一種運(yùn)用數(shù)碼相機(jī)對(duì)現(xiàn)有場(chǎng)景進(jìn)行多角度環(huán)視拍攝之后，再利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行后期縫合，并加載播放程序來(lái)完成的一種三維虛擬展示技術(shù)。全景地圖由多角度拍攝數(shù)張照片后，使用專業(yè)三維平臺(tái)建立數(shù)字模型，然后使用全景工具軟件制作而成。可以使用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器或播放軟件在普通電腦上觀看。隨著網(wǎng)絡(luò)速度的不斷提升、移動(dòng)通信技術(shù)的換代升級(jí)，以及各種移動(dòng)手持終端的普及使用，全景地圖越來(lái)越受重視，使用普及到了普通消費(fèi)者。

實(shí)景地圖也稱為可量測(cè)實(shí)景影像，是利用三維全景技術(shù)建立的地圖，它實(shí)際上是一種以近景攝影測(cè)量立體影像文件及其外方位元素構(gòu)成的基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品[1]。將原始的立體影像對(duì)（地面、航空或者航天影像），連同他們的外方位元素一起作為數(shù)字可量測(cè)影像存儲(chǔ)和管理起來(lái)，并在互聯(lián)網(wǎng)上提供必要的使用軟件，就有可能直接由用戶根據(jù)其需要去搜索、量測(cè)、調(diào)繪和標(biāo)注出他們所需要的空間目標(biāo)的信息[2]。實(shí)景地圖是利用三維全景（panorama）與二維地圖結(jié)合而創(chuàng)建的地圖，可以看到真實(shí)的地物地貌，可以從不同視角看觀察地物、地貌。近年來(lái)，隨著飛艇、無(wú)人駕駛飛機(jī)、飛機(jī)和衛(wèi)星等空中飛行工具的出現(xiàn)，獲得了一個(gè)全新的視角，并可以進(jìn)行全方位的拍攝，實(shí)景三維地圖才得到真正的發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展，5G時(shí)代的到來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)深度結(jié)合，必將加速實(shí)景地圖的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用。實(shí)景地圖應(yīng)用模式主要為Web網(wǎng)頁(yè)在線服務(wù)和移動(dòng)終端實(shí)景App地圖服務(wù)。實(shí)景三維地圖的直觀性、信息量和精確性遠(yuǎn)非傳統(tǒng)二維電子地圖可比。實(shí)景地圖不僅會(huì)改變?nèi)藗兊纳詈蜕a(chǎn)方式，也將引起測(cè)繪地理信息行業(yè)深度變革。

2 低空無(wú)人機(jī)系統(tǒng)繪制實(shí)景地圖

實(shí)景地圖是利用遙感或激光技術(shù)直接掃描建筑物的高度和寬度，最終形成三維地圖數(shù)據(jù)文件。實(shí)景地圖是基于實(shí)物拍攝、數(shù)據(jù)抽象采集技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。傳統(tǒng)實(shí)景地圖通過(guò)移動(dòng)道路測(cè)量系統(tǒng)采集得到[3]。

現(xiàn)行絕大部分網(wǎng)絡(luò)三維地圖生產(chǎn)，主要采用攝影測(cè)量車進(jìn)行車載激光掃描，沿著道路拍攝。車載激光掃描系統(tǒng)獲取激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及全景相片數(shù)據(jù)，其中激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)為具有真實(shí)空間三維坐標(biāo)點(diǎn)的集合，可設(shè)置常規(guī)坐標(biāo)系統(tǒng)[4]。很多機(jī)關(guān)單位、科研院所、社區(qū)面向道路的一面能夠激光掃描得到，而背對(duì)街道的，或則說(shuō)是側(cè)對(duì)道路的方向無(wú)法得到。此外，由于道路兩側(cè)樹(shù)木、各種城市部件的遮擋，降低了實(shí)景可視性，對(duì)于廣大使用者可以滿足應(yīng)用要求。對(duì)于政府部門和高端使用者來(lái)講地圖的可量測(cè)性受到了較大限制。

隨著低空飛行平臺(tái)技術(shù)的成熟，傾斜攝影技術(shù)的快速發(fā)展，利用低空無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全方位的空間地理信息數(shù)據(jù)采集，包括地表影像及建筑物的側(cè)面紋理；通過(guò)航測(cè)與遙感數(shù)據(jù)處理軟件，可實(shí)現(xiàn)360°全方位的真實(shí)場(chǎng)景地圖。移動(dòng)道路測(cè)量系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，減少了路邊樹(shù)木及各種城市構(gòu)筑物的遮擋，可以低空俯視、平視等多角度觀測(cè)，大幅提高了地圖的直觀可視性，拓寬了地圖的視角觀測(cè)廣度，很大程度上解決了全景地圖的可量測(cè)性。它提供了每個(gè)地理位置的360°真實(shí)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了漫游、搜索、分享等功能，解決了傳統(tǒng)電子地圖完整性和直觀性的問(wèn)題[5]。

2.1 硬件配置

利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影飛行，采用大疆PHANTOM 3 PRO版平臺(tái)。平臺(tái)相關(guān)詳細(xì)信息見(jiàn)表1、表2、表3。

表1 無(wú)人機(jī)參數(shù)

表2 相機(jī)參數(shù)

表3 數(shù)據(jù)處理服務(wù)器

2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理流程，見(jiàn)圖1。

圖1 傾斜數(shù)據(jù)處理流程圖

圖2 全景地圖不同方位圖片

目前主流的3D建模軟件有Smart 3D Capture、PhotoMesh、PhotoScan、街景工廠系統(tǒng)等，相較于傳統(tǒng)空中三角測(cè)量軟件，在操作模式上，Smart 3D可以實(shí)現(xiàn)一鍵操作。具體步驟為建立項(xiàng)目文件、調(diào)入影像數(shù)據(jù)及相機(jī)參數(shù)、選擇坐標(biāo)系及像控點(diǎn)量測(cè)、提交空三計(jì)算、提交重建任務(wù)（設(shè)置好邊界框、常規(guī)平面格網(wǎng)、瓷磚大小等）、提交生成產(chǎn)品（輸出三維模型）。如圖2全景地圖不同方位圖片。

3 實(shí)景地圖應(yīng)用現(xiàn)狀

實(shí)景地圖服務(wù)網(wǎng)以真實(shí)直觀的現(xiàn)實(shí)實(shí)景，與傳統(tǒng)的二維平面地圖導(dǎo)航相結(jié)合，給用戶帶來(lái)更真實(shí)的視覺(jué)效果[6]。目前，國(guó)內(nèi)實(shí)景地圖服務(wù)網(wǎng)站主要有：搜搜騰訊地圖、城市吧街景、百度街景、高德街景、我秀中國(guó)街景、天地圖街景。谷歌街景地圖服務(wù)，已在全球多個(gè)國(guó)家、地區(qū)推出了街景地圖。百度推出全景地圖。騰訊也早已發(fā)布了SOSO街景地圖移動(dòng)版，用戶可以用過(guò)平板電腦、安卓和蘋(píng)果手機(jī)SOSO 街景地圖客戶端使用這一產(chǎn)品。

隨著低空航空攝影測(cè)量技術(shù)研究和應(yīng)用的不斷深入，其成果和水平也成為各國(guó)科技發(fā)展水平的標(biāo)志之一[7]。實(shí)景地圖應(yīng)用典型的是“我秀中國(guó)”。“我秀中國(guó)”是采用當(dāng)今最先進(jìn)移動(dòng)測(cè)量及實(shí)景地圖技術(shù)打造“我秀中國(guó)”的實(shí)景地圖服務(wù)網(wǎng)站，好比將一個(gè)個(gè)“實(shí)景城市”放在了互聯(lián)網(wǎng)上。該網(wǎng)站擁有數(shù)億張各種規(guī)格的精確到厘米級(jí)的街景影像，提供的實(shí)景地圖覆蓋北京、上海、廣州、成都、深圳、香港、澳門等100多個(gè)城市。

實(shí)景地圖集成生活資訊、電子政務(wù)、電子商務(wù)、虛擬社區(qū)、出行導(dǎo)航等一系列服務(wù)，為大眾提供地圖查詢、出行導(dǎo)航等地圖檢索功能，同時(shí)為政府機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位、商家企業(yè)提供宣傳互動(dòng)的快速通道；為人們的日常生活、網(wǎng)上辦事和網(wǎng)絡(luò)娛樂(lè)等活動(dòng)提供便捷的解決方案。

4 發(fā)展前景

實(shí)景地圖隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的進(jìn)步而得到快速發(fā)展。以實(shí)景地圖為基礎(chǔ)平臺(tái)，搭建各行業(yè)數(shù)據(jù)或互聯(lián)各類傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)VR、及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR及混合現(xiàn)實(shí)MR、必將推動(dòng)智慧城市、智慧交通、智慧電網(wǎng)、智慧醫(yī)療、智慧旅游、智慧環(huán)保、智慧安保等行業(yè)的發(fā)展，同時(shí)，促進(jìn)自動(dòng)駕駛汽車技術(shù)的應(yīng)用推廣。實(shí)景地圖擴(kuò)展應(yīng)用在礦業(yè)系統(tǒng)中，可以量測(cè)礦堆的體積、計(jì)算尾礦庫(kù)的庫(kù)容、檢測(cè)隧道、檢測(cè)跨河大橋的橋梁以及保護(hù)修復(fù)文物。實(shí)景地圖還可以廣泛應(yīng)用于災(zāi)情監(jiān)測(cè)、災(zāi)害救援、區(qū)域規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。由于實(shí)景地圖不僅具有從不同角度進(jìn)行瀏覽地物的功能，還具有高精度的量測(cè)地物空間位置及大小的特點(diǎn)，因此，實(shí)景地圖可以廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、不動(dòng)產(chǎn)管理、農(nóng)業(yè)普查等行業(yè)。

5 存在的問(wèn)題

目前，國(guó)內(nèi)實(shí)景地圖服務(wù)網(wǎng)站所提供的三維街景圖，還不是真正意義上的三維實(shí)景城市地圖，主要原因在于數(shù)據(jù)采集量大、數(shù)據(jù)處理及實(shí)景地圖生產(chǎn)工作量大，生產(chǎn)實(shí)景地圖受空管因素影響，生產(chǎn)時(shí)間不可控因素較大。另外，該項(xiàng)工作需要大量資金。

實(shí)景地圖關(guān)乎國(guó)家安全、人民財(cái)產(chǎn)安全、個(gè)人信息及隱私安全。因此，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)實(shí)景地圖生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)督和檢查，對(duì)外公開(kāi)的實(shí)景地圖應(yīng)進(jìn)行脫密處理。

[1]柳佳佳，葛文.實(shí)景地圖的空間認(rèn)知研究[J].測(cè)繪工程，2015（3）：6-10.

[2]李德仁.論可測(cè)量實(shí)景影像的概念和應(yīng)用從4D產(chǎn)品到5D產(chǎn)品[J].測(cè)繪科學(xué)，2007，32（4）：5-7.

[3]狄琳.實(shí)景影像地圖的特點(diǎn)和技術(shù)審查探討[J].測(cè)繪與空間地理信息，2010，33（4）：130-132.

[4]張擁軍，等.基于車載點(diǎn)云數(shù)據(jù)的實(shí)景可量測(cè)技術(shù)研究[J].山東省國(guó)土資源，2017，33（4）：71-74.

[5]李海亭.城市地理信息系統(tǒng)中的全景地圖技術(shù)研究[J].城市勘測(cè)，2011（3）：39-43.

[6]韓光輝，等.中國(guó)實(shí)景地圖服務(wù)的現(xiàn)狀與思考[J].資源開(kāi)發(fā)與市場(chǎng)，2015，31（1）：100-102.

[7]謝建春.利用無(wú)人飛艇獲取的影像資料制作DOM的實(shí)踐[J].山東省國(guó)土資源，2012，28（7）：35-37.

Production and Application of Three-Dimensional Real Map

Cao Peiguo

Shandong Geo-Surveying and Mapping Institute, Shandong Jinan 250002

The real map has been developing rapidly in recent years, and has widely used in daily life, such as tourist attractions, hotels, banks, government service center of the space position of the query and service content. There are various production methods, production processes, product quality is uneven. At present, the use of lightweight unmanned aerial vehicle (uav) system can realize the panoramic map, which are convenient, efficient and quality is better. Based on this, the paper introduces the production of three-dimensional map of UAV system of real 3D map production method and process, deeply Details the live-action maps, development situation and problems existing in current live map.

real map; 3D map; panoramic map; oblique photography

P283

A

曹培國(guó)（1974—），男，山東冠縣人，碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事工程測(cè)量、攝影測(cè)量與遙感技術(shù)方面的應(yīng)用與研究工作。