基于倾斜摄影测量建模的数字校园建设

张博源 骆元家 谢光雄

（柳州工学院 广西·柳州 545000）

0 绪论

（1）研究的背景和意义。每一次移动通信网络的升级，都带动了新媒体的高速发展，从2G网络的文字阅读，到3G网络的图文、视频，再到4G网络的短视频、直播，宣传方式越来越多样，用户体验越来越直观；随着时代发展，5G网络即将走入寻常百姓家，在5G网络的支持下，不难想象，这又将会一场新媒体宣传方式的跃进。

而在测绘行业内使用的倾斜摄影的三维实景模型，其具备近乎100%的实景还原度，且有获取方便、承载信息多、读取信息直观等特点，他最大的问题就是数据量巨大，不方便用于网络的即使展示，但在5G网络的加持下，三维实景模型终将会走入千家万户。

（2）研究的内容和目的。三维实景模型是数字校园的基础，是智慧校园的基石，实景模型的质量和可用性，直接影响了数字校园和智慧校园的建设，智慧校园就是智慧城市的缩影，实现智慧校园，再由小及大建设数字城市、智慧城市。

我把这个建设路径分为三步走：第一步，建立区域实景模型，实现地物可视化；第二步，建立区域内的地物信息数据库，实现信息可视化；第三步，在区域内实现物互联，实现万物联网、智慧城市的终极形态。这就是本文的研究目的和项目的主体构思。

照片1：现场照片（科教楼）

照片2：模型照片（科教楼）

（3）研究的现状。目前已经完全实现了上述的第一步，获取可用的三维实景模型，该模型使用测绘行业内的倾斜摄影技术完成，行业内对此已具备相当完善的技术，通过无人机自动航摄、特殊面手动航拍和地面拍摄三者结合的方法，实现空地结合，提高了模型的精度和还原度；在信息交互方面，使用ArcGIS、3DMAX、DP等软件给模型添加地物信息，可实现简单的宣传展示作用，在学校的宣传和招新工作中可发挥很好的价值；在物联网方面我们提出了很多设想，物联网技术是数字校园向智慧校园发展的关键一步，先建设好数字校园，再逐步完善改进为智慧校园。

1 数字校园建设

此次研究以柳州工学院为例，该学校占地1300亩，建筑面积33.15万平方米；外业数据采集方面，使用六悬翼五镜头的中海达无人机，加上RTK采点作为像控点，共采集照片6150张，像控点十五个；内业采用Smart 3D制作模型。

1.1 外业数据采集与资料整理

作业期间，首先进行了相控点布设，本次相控点选择了地面特征点，以空旷路面上的的斑马线、道路中心线、田径场跑道线的拐角为像控点，具有永固性和便识性，坐标系使用CGCS2000国家大地坐标系，1985国家高程基准，使用卫星接收机在已选的相控点上进行载波相位差分技术进行点位采集，连续复位采集三次，点位中误差控制在5cm以内，精度满足像控点要求，同时采集了经纬度信息，可以与照片的POS文件进行对照。点位位置和环境要做好记录，采用拍照和文字叙述的方式，以方便内业进行刺点时找点。

像控点布设完毕后，开始准备对作业区域进行航拍，在航拍之前，我们对该区域的最高建筑进行了调查，该区域内最高的建筑在80米左右，所以在行高上我们选择120米左右，根据当天的天气情况，航速方面我们选择8m/s，协调转弯，重叠度是模型质量的关键，考虑到内业电脑计算的压力和模型质量，我们选择了旁向重叠80%，航向重叠80%的状态进行采集；由于校园内部分区域的树木十分茂盛，树冠遮挡了大量的地物，我们采用了空地结合的方法，在无人机无法拍摄的区域，使用地面相机进行了地面补拍，进一步提高模型的还原度；除了遮挡对航拍的影响，在建筑密度过高、房檐较长的地方，也会因为倾斜航拍受阻，造成影像数据不足，从而模型发生扭曲的现象，为了消除此影响，我们选择使用大疆精灵进行手控飞行补拍，通过这种空地结合的方式，模型的精度和还原度才可以得到保证。

图3：像控点数据

图4：影像变形示意图

现如今测绘外业采集的途径越来越多，依靠无人机等智能设备，已经实现双人即可完成采集任务，在本次实验任务中，我们操控员只有两名，在一起完成像控点布设后，一同进行无人机航拍，在无人机电源充足的情况下，1300亩的航拍任务可在一天能做完，外业数据采集效率和采集成本是非常可控的。

1.2 内业数据处理与模型生产

外业数据采集完后，导出相片和POS文件，移交内业处理；在内业当中我们使用Smart3D进行模型生产，首先导入相片和POS文件，这里不能直接使用无人机导出的POS，应该将相片文件名和POS数据一一对应，制作出与相片相对应的POS文件进行生产使用；导入好POS文件后检查照片的姿态信息是否有误，确认无误后进行第一次空三解算，在空三解算设置中，按照项目的精度需求选择解算方式；不提供POS文件Smart 3D也可进行空三解算，但是解算时间和精度会有所降低，所以在这一步尽量采用POS文件进行空三解算。

第一遍空三解算结束后，检查空三结果，主要观察相机位置及排布方式，以及“飞点”数量，例如五镜头的相机位置，应为五个一组的“莲花”状，相片朝向规则统一，排布方式应明显看出与预设航带相同，飞点即明显超出测区范围的连接点，通过上述内容基本可以判断第一遍空三的质量。

然后导入像控点信息，对应外业的像控点记录文件，进行刺点，刺点时对照片的选择也很重要，不要选择像控点处于边缘的照片，不要选择像控点模糊的照片，这样的照片用于刺点，不光不能提高精度，还有可能拉低整体的准确度，所以不建议将这样的照片用于刺点。

刺点完成后，再跑一次空三，空三结束后简单检查一下空三质量，标准同上，检查无误后就可以准备生成模型了，在生成模型时，根据需求选择模型格式，通常情况下我们使用OSGB格式，如果用于网络展示方面，可以使用3MX格式，该格式支持同时生产相对应的HTML文件，HTML文件可直接将模型用于网络展示。

在模型生成中，大型模型都会被切割成许多瓦片进行独立生产，相邻的瓦片会重复计算相接的边，用于之后各瓦片连接所用，这就意味着，瓦片切的越小，瓦片数量就会越多，同时重复运算也会越多，但是用于连接各瓦片的重复运算对于模型生产来说就是无用功；由此可见，瓦片越小，无用功越多，消耗的时间越多。

每个瓦片切多大，这就由电脑的RAM决定，RAM越大，切的瓦片就越大，瓦片数量少了，自然重复运算少了，时间成本就会降低。在设置瓦片时，我们一般选择瓦片占用的RAM为电脑RAM的75%-85%，例如RAM 16G的电脑，瓦片设置为12G-14G左右。

模型的生产将会很耗时间，这里建议使用集群操作，集群方法在最后进行讨论，这里不做累述。

1.3 数字校园

生产了校园的实景三维模型，该模型已具备了宣传展示的作用，基本完成数字校园的雏形，下一步我门将把该产品和GIS（地理信息系统）相结合，添加上校园的各项地物信息、属性信息已达到交互式体验，用户可以通过点击实景模型中的位置，例如点击某教室、某办公室、某会议室等，来获取教室排课信息、办公室的职能信息和老师信息、会议室的预约信息等；将信息可视化结合到实景模型中，数字校园的概念才能得到实现：真实的现场景观，信息交互式体验，方便快捷的浏览方式；这就是5G时代下的数字校园概念。

2 智慧校园探索

将上述成果与物联网技术结合，例如与感应器相结合，在三维实景模型中可以实时观测到各地的人员密度，车流量密度，同时通过该模型操控红路灯、操控门禁、指挥现场人员等方式来干预指挥现场情况等；再例如与监控系统结合，通过点击模型中的监控系统，立即调取实地的监控画面，还可以通过利用监控画面建模，将监控中任意时间段的真实景象，重现于模型之中。

图5：柳州工学院（实景三维模型）

该项目的可与各种方向相结合，包括安保方向、建筑方向、管理方向以及各种商业活动中都可以发挥巨大价值。先与各行各业相结合，再服务于各行各业，至此便完成智慧城市的终极形态，也是本研究的最终目标：万物互联。

3 其他

3.1 Smart 3D集群

Smart 3D再进行模型生产时的计算量是十分巨大的，所以通常情况下，我们都选择使用集群的方法进行模型生产。

首先CC Setting中的配置下，更改任务序列目录，路径要处于可访问的状态下，文件名为jobs，然后从机同上设置；在生产时，主机打开工程文件启动生产，从机只要引擎软件即可实现Smart 3D的集群生产。

3.2 PhotoScna空三解算、集群

Smart3D利用倾斜摄影建模的能力是很好的，但是Smart 3D的空三解算过程经常会报错，在使用中常常遇到意外的情况，所以这里可以使用PhotoScan进行空三，然后导出KML格式的空三文件给Smart3D进行模型生产，由此便可规避Smart 3D空三常常报错的问题。

PhotoScan的空三也很简单，导入照片然后点击工作流程，点击对齐照片即可，空三后导出相机，格式为BlocksExchange（*.xml），该格式可直接用于Smart 3D的模型生产。

下面主要介绍一下PhotoScan的集群方法，主要有以下三步：

第一步：在主机的PhotoScan中的工具栏-偏好设置-网络中，选择使用网络，主机名填入本机的IP地址或网络地址名称，要确保该IP地址对外可见，从机将通过这个地址访问主机；在根中输入工程路径，该路径也要是网络访问的路径，不能是本地访问的路径，从机将通过此路径访问工程文件；再根据需求选择细级任务分发，这里决定了从机可以完成那些任务。

第二步：由主机通过WIN+R打开CMD命令窗，开始构架集群网络；在命令窗中首先进入PhotoScan软件所在的路径下，然后执行命令：【photoscan--server--control IP--dispatch IP】（IP为主机设置的IP地址），再打开PhotoScan中的Agisoft NetworkMonitor，监视网络搭建情况，至此，PhotoScan集群网络构建完成。

第三步，从机使用命令窗，首先进入PhotoScan所在的目录下，再执行命令：【photoscan--node--dispatch IP--root根目录】（IP为主机IP，根目录为工程文件的网络路径），然后通过主机的监视器，即可查看从机是否连接成功。

集群网络如上构建完成后，由主机开启任务，主机将自动分发给从机协助工作，从而完成集群操作。

4 结论

本文针对如何生产可用于数字校园的高精度实景三维模型进行了研究，最终得出结论，从数据采集开始，要针对测区特点对航高、重叠度和航速等参数进行把控最重要的就是POS文件的整理；再到像控点的布设，要做到测得准和看得清，同时要做好记录，以便于内业刺点的使用；在内业数据处理时，推荐使用PhotoScan跑空三加Smart3D跑模型的组合，Photo-Scan和Smart 3D互相取长补短，以实现模型的最好效果。