GIS及RS技術在數字校園建立中的應用研究

范微維　馬靜月

摘 要：隨著GIS及RS技術的不斷發展，怎樣將二維場景轉換為三維立體空間是數字化校園建設的重點內容。本文闡述了數字校園建設的技術流程及數字校園建設中建立三維實景模型需重點解決的問題。

關鍵詞：GIS;RS;三維實景模型;數字校園

近年來，隨著經濟建設的高速發展，全國各地的大學幾乎都獲得長足的發展，校園變化大、校區變化多、學校擴招、建筑更加現代、設備更加先進等諸多變化令校園煥然一新。但是，學校各個機構、建筑等情況的介紹仍然停留在傳統的二維地圖中，不能夠直觀也不方便實時管理。目前GIS與RS技術被廣泛地應用在數字校園的建設中，給高校帶來了基于WebGIS的實景三維可視化展示解決方案。

隨著計算機技術和測量等相關技術的發展，1998年美國提出“數字地球”的概念，隨后，“數字城市”“數字校園”等概念也被相繼提出。數字校園是以計算機技術結合校園地形、地表地物情況以及校園中的多數據源，通過測繪技術，對學校空間數據進行采集、儲存、檢索、建模、分析和輸出對校園進行多分辨率、多尺度、多時空和多種類的三維描述[1]。同時通過與學校各類應用屬性數據進行集成與整合，可以直接明了的方式進行地理信息的展示，為學校進行合理的資源配置，校園規劃建設、管理和校園生活提供決策依據。

隨著時代的發展，應用需求的增多，地球表面的形態也在發生著快速的變化，迫切需要實現地理空間數據的快速獲取與實時更新。目前有多種方法可采集地表數據，其中航空攝影測量技術是快速獲取地理信息系統數據的重要技術手段，在空間地理數據的獲取與更新中起著不可替代的作用[2-3]。

隨著無人機與數碼相機技術的快速發展，無人機技術在測量方面得到廣泛應用。與傳統的測繪工作方式不同的是，通過無人機低空多位鏡頭攝影可獲取高清晰立體影像數據。無人機技術在數據采集中有其獨特的優勢：低廉的人力、物力等的經濟成本;數據精確，可快速的實現空間數據的獲取、處理，采集的數據信息豐富、影像直觀、可進行三維分析。此類服務已被廣泛應用于城市規劃建設、資源調查、大比例尺影像獲取、地質災害監測等方面[4]。

何原榮等利用無人機傾斜攝影測量技術重建古建筑物[5];張玉俠等利用無人機傾斜攝影測量技術采集露天礦山礦坑和排土場的占地面積、體積等從而對露天礦山進行監測[6];吳飛宇利用無人機技術對城市進行建模，探討了無人機技術在城市規劃中的應用[7];馬茜芮等通過選取某一村莊驗證了無人機傾斜攝影測量技術再地籍調查中的作用，得出：無人機傾斜攝影測量技術應用在地籍調查中，不僅成圖精度滿足規范要求，同時降低人力物力，測圖效果得到極大的提高[8];劉玉潔等探討了無人機攝影測量技術在大比例尺測圖中的應用，分析結果表明無人機航攝技術可滿足1：2000比例尺測圖精度要求[9]。

無人機航攝系統是在無人機上搭載多臺攝影儀傳感器，結合空中和地面控制系統實現影像的自動拍攝和獲取，同時實現無人機航向規劃、參數設置、飛行姿態的監控、信息數據壓縮和影像自動傳輸、影像預處理等功能，從一個垂直、四個傾斜五個角度獲取遙感影像，是智能化、穩定可靠、作業能力強的低空遙感系統。該系統包含：飛行平臺、飛行導航與控制系統、地面監控系統、任務設備、數據傳輸系統、發射與回收系統、地面保障設備。航拍攝像系統為多種航拍傳感器提供了搭載平臺，可滿足多種快速高精度獲取影像的需求。無人機核心飛行控制設備——飛行導航與控制系統，其主要任務是利用GPS等導航定位信號，通過監控無人機在工作中的飛行高度、距離、航向、方位、航跡、姿態等信息，并在屏幕上顯示，同時執行地面發出的操作命令，能夠實現飛行高度、飛行姿態、飛行速度的穩定控制，使無人機按照預設的航線飛行。地面控制系統主要包括RC接收機、無線遙控器、監控計算機系統，地面供電系統以及監控軟件，在無人機飛行前根據測區情況對任務規劃和設計，在飛行過程中通過無線圖傳電臺實時下傳數據，地面系統接收、顯示飛行區域的飛行航跡、電子地圖以及無人機空速、高度、方位、航跡、航向、飛行姿態等參數。操作者則在地面系統上監控飛行狀態，并根據航跡規劃和調整路徑來控制各種任務的執行。

三維實景建模技能是經過傾斜攝影取得的相片、集，校對交融視頻、點云等數據形成模型的技能。關于實景建模體系來講，不光要有數據收、處理建模，更要有后續的模型運用進程。經過無人機航拍、相機拍照和激光掃描等技術獲取數據，經過實景建模體系識別運算生成三維模型，導入到建模體系中將實景模型和數字模型交融，再進行深化運用。

以三維GIS平臺為載體構建智慧校園，可充分發揮三維GIS平臺的數據疊加能力、可視化展示能力、三維空間分析能力，將業務管理、物聯網感知數據、大數據分析數據、視頻監控、工程項目數據、地下管網數據、公共安全數據等數據融合到一個三維可視化平臺，進行高度融合與挖掘分析，并構建智慧管理相關的應用，為校園的規劃、建設、管理、決策提供可視化支撐。

1 技術流程

1.1 建立三維實景模型

在建立三維模型的過程中，需先對相關的資料進行收集，同時要注意數據的可用性和準確性，本文數字校園三維場景構建過程中，所涉及的基礎數據大致可以分為以下幾類：（1）校園場景底圖數據，即校園1∶500數字地形圖。（2）校園內建筑物及設施高度數據。（3）紋理數據。（4）遙感影像。（5）統計資料、文本資料等。校園底圖數據可由全站儀、RTK實測，或由高分辨率遙感影像數據獲取，由于三維建模對數據的精度要求高，所以采用全站儀、RTK對校園底圖數據進行分類采集。主要包括校園內的主要道路、建筑物、操場、綠地、水域、高程等。

1.2 建立數據庫

建立數據庫的基礎數據包括業務管理、物聯網感知數據、大數據分析數據、視頻監控、工程項目數據、地下管網數據、教室、學生宿舍數據、公共安全數據等數據。數據庫建立應盡量減少空間數據存儲的冗余;并確保空間數據結構的穩定性;滿足用戶對空間數據的查詢訪問等需求;能夠提供多種決策需要，具備較強的應用適應性。建立空間數據庫的數據分為幾何數據和屬性數據兩類。幾何數據用于描述地理實體的空間位置和形狀及實體間拓撲關系的數據，一般用圖形、圖像表示。屬性數據是描述實體的類型、數量和名稱等信息的數據，一般用數字或文字表示。

1.3 三維場景視頻監控平臺

采用最新研發的創新技術：三維場景與視頻融合技術;視頻圖像三維拼接技術;攝像機鏡頭在三維場景中的目標定位與交互控制技術。將校園內實時動態圖像融合到三維場景的地理位置中，實現了三維虛擬場景與現實視頻圖像的結合。通過多視頻影像在其地理位置上拼接，展現出三維場景的真實狀態。三維場景視頻融合技術將視頻圖像直接放置在三維地理場景中的對應位置上，不僅定位了視頻圖像所在位置，而且通過三維場景可以了解周圍的地理環境，如某棟樓某間教室學生的出勤上課情況等，徹底解決了視頻圖像定位問題;視頻拼接技術改變了監控人員看電視墻的孤立圖像，轉而觀看具有三維地理空間關系的三維場景畫面。解決了監控人員不能同時監視與地理位置相關的多個視頻圖像，尤其不需要去識別各個鏡頭圖像的地點位置，而只需看一個三維場景頁面即可一目了然。

2 技術關鍵和重點解決的技術問題

攝影測量主要作業流程為：（1）收集測區地形以及氣象等資料，并對測區地形及氣象條件分析;（2）根據需求及測區范圍選擇飛機及相機;（3）外業航拍影像質量檢測;（4）內業影像處理（建立工程、自動匹配、空三解算、影像密集匹配、影像拼接）;（5）外業數據調繪;（6）內業資料編輯;（7）質量檢測評估。

通過無人機傾斜航拍技能，能夠快速地獲取航攝區域的多視點印象，經過實景建模軟件的處理得到區域的實景三維模型、正射影像及地勢。概括為影像數據的獲取、數據預處理、構建校園三維實景模型。外業影像數據采集前先現場踏勘了解測區地形、氣候條件、高程變化、測量控制點的位置，多源方位地獲取研究區的航攝影像;航拍時選擇天氣晴朗、光照度充足、太陽高度角大于等于30°的時間段進行。像控點的布設要求分布均勻，數據準確，對學校的相控點布設分別在樓頂布控、地面布控和空地聯合布控。對外業采集的航拍影像數據進行性預處理整理，復核航攝影像質量、數量、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到建模所需的精度要求，對原始影像進行色彩、對比度、亮度的處理后的影像要保證整個測區的整體色調一致性，且單張影像不偏色。如果在航攝影像外業數據采集中檢查到影像色差嚴重、曝光不合理、云霧遮擋、或缺，那么就需要補充拍攝，提高建立三維模型的精度和質量。影像預處理還需將POS數據與影像數據結合起來，建立兩者之間的相互關系。

三維模型的建立分為空三處理和模型重建。利用實測獲取的高分辨率多角度航攝影像及像控數據，結合共線條件方程理論，采用多視角光束法區域網空中三角測量進行自動三維重建獲取OSG粗模型，后單體化建模、映射紋理，與場景融合，構建基于真實自然紋理的實景三維精細化模型。

3 結語

利用無人機傾斜攝影測量技術，運用Context Capture、DP-Modeler、arcgis等軟件，建立校園實景三維模型，結合建立GIS數據平臺，可實現校區三維場景的可視化及數字校園的建設。通過虛擬三維場景的建設，不僅可直觀地展示校園風采，而且可進行場景瀏覽、屬性查詢、學生在校實時情況的監測，提高了學校的管理水平，也為學生提供優質的校園環境。同時數字化校園的建設可為學校后期的建設規劃提供決策依據。

參考文獻：

[1]裴亮，郭艷芳.基于ArcGIS與3DS MAX的虛擬校園三維場景的應用研究[J].測繪與空間地理信息，2018（06）.

[2]徐思奇，黃先鋒，等.傾斜攝影測量技術在大比例尺地形圖測繪中的應用[J].測繪通報，2018（2）：111-115.

[3]朱國強，劉勇，程鵬正.無人機傾斜攝影技術支持下的三維精細模型制作[J].測繪通報，2016（9）：151-152.

[4]楊國東，王民水.傾斜攝影測量技術應用及展望[J].測繪與空間地理信息，2016，39（1）：13-15，18.

[5]何原榮，陳平，等.基于三維激光掃描與無人機傾斜攝影技術的古建筑重建[J].遙感技術與應用，2019，34（6）：1343-1352.

[6]張玉俠，蘭鵬濤，等.無人機傾斜攝影技術在露天礦山監測中的實踐與探索[J].測繪通報，2017，（S1）：114-116.

[7]吳飛宇.傾斜攝影測量在城市規劃中的應用探討[J].測繪與空間地理信息[J]，2019，42（7）：211-213.

[8]馬茜芮，黃振華.無人機傾斜攝影技術在地籍調查中的應用[J].測繪通報，2020，（S1）：118-121.

[9]劉玉潔，崔鐵軍，等.無人機航攝大比例尺測圖的關鍵技術分析[J].天津師范大學學報（自然科學版），2020，02：37-40+48.

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