三維實景地圖生產與應用

曹培國,姚磊，李奎英，趙倩

(1.山東省地質測繪院，山東 濟南 250002；2.山東省國土資源廳政務大廳，山東 濟南 250014)

0 引言

三維實景地圖即真實三維地圖，是多項高新科學技術相結合的新興產物，是一種顛覆性的創新產品，是二維地圖和模擬立體地圖無法比擬的。它不僅可用于社會公共事業管理，還可以讓網民用來網上搜索興趣點，讓人們足不出戶，身臨其境地了解內、外部環境。

地圖伴隨社會與科技進步，從平面二維地圖發展到三維模擬地圖，又由三維模擬地圖發展到今天的實景地圖。可以說，地圖鐫刻著時代進步的烙印，地圖發展也是社會文明程度的一種重要標志[1]。

模擬三維地圖是通過人工拍攝獲取建筑物的外形，而后將各個孤立的單視角3D模型無縫集成[2]，經過虛擬美化處理以后，形成三維地圖數據文件。

虛擬三維地圖是以現實地理信息為基礎，基于WEBGIS和虛擬現實技術實現的[3]。它可以通過多種方式(諸如采用人工拍照方式采集)獲得實際三維的地理信息，將獲得的地理信息進行加工拼接，通過建模的方式加以整理，最后以虛擬現實的方式呈現。

全景地圖也稱為360度全景地圖、全景環視地圖[4]，是一種運用數碼相機對現有場景進行多角度環視拍攝之后，再利用計算機進行后期縫合，并加載播放程序來完成的一種三維虛擬展示技術。由多角度拍攝數張照片后，使用專業三維平臺建立數字模型，然后使用全景工具軟件制作而成。可以使用網絡瀏覽器或播放軟件在普通電腦上觀看，隨著網絡速度的不斷提升，移動通信技術的換代升級，各種移動手持終端的普及使用，全景地圖越來越受到重視，已經普及到普通消費者。

實景地圖也稱為可量測實景影像，是利用三維全景技術建立的地圖，它實際上是一種以近景攝影測量立體影像文件及其外方位元素構成的基礎地理信息產品[5]。將原始的立體影像(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字可量測影像存儲和管理起來，并在互聯網上提供必要的使用軟件，就有可能直接由用戶根據其需要去搜索、量測、調繪和標注出他們所需要的空間目標信息[6]。實景地圖是利用三維全景(panorama)與二維地圖結合而創建的地圖，可以看到真實的地物地貌，可以從不同視角觀察地物、地貌。近年來，隨著飛艇、無人駕駛飛機、飛機和衛星等空中飛行工具的發展，獲得了一個全新的視角，并可以進行全方位的拍攝，實景三維地圖才得到真正的發展。物聯網快速發展，5G時代即將到來，物聯網與移動互聯網深度結合，必將加速實景地圖的快速發展與廣泛應用。實景地圖應用模式主要為Web網頁在線服務和移動終端實景App地圖服務[7]。實景三維地圖的直觀性、信息量和精確性遠非傳統二維電子地圖可比。實景地圖不僅會改變人們的生活和生產方式，也將引起測繪地理信息行業深度變革。

1 無人機系統實景地圖生產介紹及實例展示

實景地圖是利用遙感或激光技術直接掃描建筑物的高度和寬度，最終形成三維地圖數據文件，它是基于實物拍攝、數據抽象采集技術實現的。傳統實景地圖通過移動道路測量系統采集得到[8]。

現行絕大部分網絡三維地圖生產，主要采用攝影測量車進行車載激光掃描，沿著道路拍攝。車載激光掃描系統獲取激光點云數據以及全景相片數據，其中激光點云數據為具有真實空間三維坐標點的集合，可設置常規坐標系統[9]。很多機關單位、科研院所、社區面向道路的一面激光能夠掃描得到，而背對街道的或側對道路的方向無法得到。并且由于道路兩側樹木、各種城市部件的遮擋，降低了實景可視性，對于廣大使用者可以滿足應用要求，但對于政府部門和高端使用者來講地圖的可量測性受到了較大限制。

隨著低空飛行平臺技術的成熟，傾斜攝影技術的快速發展，利用低空無人機系統可以實現全方位的空間地理信息數據采集[10]，包括地表影像及建筑物的側面紋理；通過航測與遙感數據處理軟件，可實現360°全方位的真實場景地圖。相對于移動道路測量系統采集的數據，減少了路邊樹木及各種城市構筑物的遮擋，并可以低空俯視、平視等多角度觀測，大幅度提高了地圖的直觀可視性，拓寬了地圖的視角觀測廣度，很大程度上解決了全景地圖的可量測性[11]。它提供了每個地理位置的360°真實場景，并且具有漫游、搜索、分享等功能，解決了傳統電子地圖完整性和直觀性不好的問題[12]。無人機具有機動、快速、經濟等特點，以無人機作為航空攝影平臺能夠快速高效地獲取高質量、高分辨率的影像[13]。

1.1 硬件配置

利用無人機傾斜攝影飛行，采用大疆PHANTOM 3 PRO版平臺，平臺相關硬件參數信息如表1～3所示，其中表1為無人機參數，表2為相機參數，表3為數據處理服務器參數。

表1 無人機參數

表2 相機參數

表3 數據處理服務器參數

1.2 數據處理

1.2.1 數據處理流程

目前主流的3D建模軟件有Smart3D Capture、PhotoMesh、PhotoScan、街景工廠系統等，相較于傳統空中三角測量軟件，在操作模式上，Smart3D可以實現一鍵操作。

實景地圖生產流程：建立項目文件、調入影像數據及相機參數、選擇坐標系及像控點測量、提交空三計算、提交重建任務(設置好邊界框、常規平面格網、瓷磚大小等)、提交生成產品(輸出三維模型)、模型拼接。數據處理流程圖如圖1。

圖1 數據處理流程圖

1.2.2 數據處理

(1)準備工作。原始影像存放路徑用Excel表格表達，控制點坐標用Excel表格表達，并且格式符合軟件要求，便于數據處理應用。

(2)進行影像檢查，刪除多余影像及附屬數據，檢查影像組的完整性。

(3)快速空中三角測量計算時，采樣率設置為25%，雖然空三的精度不是很高，但是這樣數據處理的速度加快，快速空三主要是便于后期進行控制點刺點時，能夠預測大概的外置，方便進行刺點工作。

(4)影像控制點測量是在快速空中三角測量之后，精密空中三角測量之前進行，首先要根據像控點坐標系，選擇相應的坐標系統及中央子午線(如xian80，3度帶，中央子午線117°)。根據野外采集的像控點照片，進行刺點，盡可能在像控點所在的每張影像上量測。

(5)精密空中三角測量中，采樣率設置為100%，進行添加控制點后的精密空三計算。

(6)三維模型的構建工作，在空間參考系統中選擇相應的坐標系統(與控制點保持一致，如xian80，3度帶，中央子午線117°)；外圍無效區域已經裁剪，只選取有效作業區域參與建模；切塊選擇規則立體切塊(測區很大，數據處理要占用很大的內存，分成很多小塊降低了內存的占用)。調節瓦片大小，查看RAM使用量，不要超過電腦的最大內存。

(7)模型輸出，模型數據格式選擇，其中S3C便于瀏覽器查看三維模型，OSGB可用于EPS軟件讀取進行三維描圖使用；紋理貼圖時，JPEG質量選擇100%；空間參考系統選擇跟控制點相一致；范圍設置為：已標記瓦片數據至選擇集。

(8)模型拼接，對于多架次模型存在拼接問題，現將各架次精密空中三角測量成果合并，然后再按照上述流程進行三維模型生產。

(9)全景地圖可以全方位任意角度展示，由于紙媒展示受限，特選取生產實例全景地圖4個不同方位低空角度圖片展示效果。全景地圖實例展示如圖2。

圖2 全景地圖實例展示

2 實景地圖應用現狀與發展前景

2.1 實景地圖應用現狀

實景地圖服務以真實直觀的現實實景，與傳統的二維平面地圖導航相結合，給用戶帶來更真實的視覺效果。目前，國內實景地圖服務網站主要有：搜搜騰訊地圖、城市吧街景、百度街景、高德街景、我秀中國街景、天地圖街景。谷歌街景地圖服務，已在全球多個國家、地區推出了街景地圖。騰訊也早已發布了SOSO街景地圖移動版，用戶可以通過平板電腦、安卓和蘋果手機SOSO街景地圖客戶端使用這一產品[14]。

隨著低空航空攝影測量技術研究和應用不斷深入，其成果和水平也成為各國科技發展水平的標志之一[15]。實景地圖應用典型的是“我秀中國”網站，“我秀中國”是采用當今最先進移動測量及實景地圖技術打造的實景地圖服務網站，好比將一個個“實景城市”放在了互聯網上。該網站擁有數億張各種規格的精確到厘米級的街景影像，提供的實景地圖覆蓋北京、上海、廣州、成都、深圳、香港、澳門等100多個城市。

實景地圖集成生活資訊、電子政務、電子商務、虛擬社區、出行導航等一系列服務，為大眾提供地圖查詢、出行導航等地圖檢索功能，同時為政府機關、企事業單位、商家企業提供宣傳互動的快速通道；參與數字城市乃至智慧城市的建設[16]；為人們的日常生活、網上辦事和網絡娛樂等活動提供便捷的解決方案。

2.2 發展前景

實景地圖伴隨著計算機技術和通訊技術的進步而得到快速發展[17]。以實景地圖為基礎平臺，搭建各行業數據或互聯各類傳感器數據，通過虛擬現實VR及增強現實AR和混合現實MR，必將推動智慧城市、智慧交通、智慧電網、智慧醫療、智慧旅游、智慧環保、智慧安保等行業的發展[18]，同時促進自動駕駛汽車技術的應用推廣。實景地圖擴展應用對礦業系統可量測礦堆的體積，尾礦庫的庫容計算，隧道檢測，跨河大橋的橋梁檢測，高精度的實景地圖可用于文物保護及修復[19]。實景地圖還可以廣泛應用于災情監測、災害救援、區域規劃、生態環境監測等領域。實景地圖可進一步發展作為虛擬現實、虛擬會議現場、帶有時光隧道的歷史實景地圖回溯，這些都需要大數據的支持。由于實景地圖不僅具有從不同角度進行瀏覽地物的功能，還具有高精度的量測地物空間位置及大小的特點[20]，因此，實景地圖可以廣泛應用于城市規劃、不動產管理、農業普查等行業[21]。隨著移動通訊5G時代的到來，實景地圖就像手機一樣，人們的生活將離不開它。

3 結語

目前，國內實景地圖服務網站所提供的多為三維街景圖，還不是真正意義上的三維實景城市地圖，主要原因在于數據采集量大、數據處理及實景地圖生產工作量大，生產實景地圖受空管因素影響，生產時間不可控因素較大。另外，該項工作需要大量資金。

實景地圖關乎著國家安全、人民的財產安全、個人信息及隱私安全[22]。因此，應加強對實景地圖生產過程的監督和檢查，對外公開的實景地圖應進行脫密處理。

隨著實景地圖近年來發展和應用，特別在日常生活中的應用。產生了多種實景地圖的生產方法和生產流程，產品質量不一而足。目前，采用輕型無人機系統可以生產全景地圖，且方便、高效、質量較好。是一種比較切實可行的作業模式。

該文介紹了采用無人機系統生產三維實景地圖的生產方法和過程。詳述了實景地圖應用現狀、發展前景及目前實景地圖存在的問題。提供給從業人員一種可行的生產實景地圖解決方案。當然，實景地圖還有許多的技術有待進一步提高、探索和研究，相關技術的發展會不斷提高實景地圖的生產制作水平，實景地圖的應用也將越來越廣泛。