GIS及RS技术在数字校园建立中的应用研究

范微维　马静月

摘 要：随着GIS及RS技术的不断发展，怎样将二维场景转换为三维立体空间是数字化校园建设的重点内容。本文阐述了数字校园建设的技术流程及数字校园建设中建立三维实景模型需重点解决的问题。

关键词：GIS;RS;三维实景模型;数字校园

近年来，随着经济建设的高速发展，全国各地的大学几乎都获得长足的发展，校园变化大、校区变化多、学校扩招、建筑更加现代、设备更加先进等诸多变化令校园焕然一新。但是，学校各个机构、建筑等情况的介绍仍然停留在传统的二维地图中，不能够直观也不方便实时管理。目前GIS与RS技术被广泛地应用在数字校园的建设中，给高校带来了基于WebGIS的实景三维可视化展示解决方案。

随着计算机技术和测量等相关技术的发展，1998年美国提出“数字地球”的概念，随后，“数字城市”“数字校园”等概念也被相继提出。数字校园是以计算机技术结合校园地形、地表地物情况以及校园中的多数据源，通过测绘技术，对学校空间数据进行采集、储存、检索、建模、分析和输出对校园进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述[1]。同时通过与学校各类应用属性数据进行集成与整合，可以直接明了的方式进行地理信息的展示，为学校进行合理的资源配置，校园规划建设、管理和校园生活提供决策依据。

随着时代的发展，应用需求的增多，地球表面的形态也在发生着快速的变化，迫切需要实现地理空间数据的快速获取与实时更新。目前有多种方法可采集地表数据，其中航空摄影测量技术是快速获取地理信息系统数据的重要技术手段，在空间地理数据的获取与更新中起着不可替代的作用[2-3]。

随着无人机与数码相机技术的快速发展，无人机技术在测量方面得到广泛应用。与传统的测绘工作方式不同的是，通过无人机低空多位镜头摄影可获取高清晰立体影像数据。无人机技术在数据采集中有其独特的优势：低廉的人力、物力等的经济成本;数据精确，可快速的实现空间数据的获取、处理，采集的数据信息丰富、影像直观、可进行三维分析。此类服务已被广泛应用于城市规划建设、资源调查、大比例尺影像获取、地质灾害监测等方面[4]。

何原荣等利用无人机倾斜摄影测量技术重建古建筑物[5];张玉侠等利用无人机倾斜摄影测量技术采集露天矿山矿坑和排土场的占地面积、体积等从而对露天矿山进行监测[6];吴飞宇利用无人机技术对城市进行建模，探讨了无人机技术在城市规划中的应用[7];马茜芮等通过选取某一村庄验证了无人机倾斜摄影测量技术再地籍调查中的作用，得出：无人机倾斜摄影测量技术应用在地籍调查中，不仅成图精度满足规范要求，同时降低人力物力，测图效果得到极大的提高[8];刘玉洁等探讨了无人机摄影测量技术在大比例尺测图中的应用，分析结果表明无人机航摄技术可满足1：2000比例尺测图精度要求[9]。

无人机航摄系统是在无人机上搭载多台摄影仪传感器，结合空中和地面控制系统实现影像的自动拍摄和获取，同时实现无人机航向规划、参数设置、飞行姿态的监控、信息数据压缩和影像自动传输、影像预处理等功能，从一个垂直、四个倾斜五个角度获取遥感影像，是智能化、稳定可靠、作业能力强的低空遥感系统。该系统包含：飞行平台、飞行导航与控制系统、地面监控系统、任务设备、数据传输系统、发射与回收系统、地面保障设备。航拍摄像系统为多种航拍传感器提供了搭载平台，可满足多种快速高精度获取影像的需求。无人机核心飞行控制设备——飞行导航与控制系统，其主要任务是利用GPS等导航定位信号，通过监控无人机在工作中的飞行高度、距离、航向、方位、航迹、姿态等信息，并在屏幕上显示，同时执行地面发出的操作命令，能够实现飞行高度、飞行姿态、飞行速度的稳定控制，使无人机按照预设的航线飞行。地面控制系统主要包括RC接收机、无线遥控器、监控计算机系统，地面供电系统以及监控软件，在无人机飞行前根据测区情况对任务规划和设计，在飞行过程中通过无线图传电台实时下传数据，地面系统接收、显示飞行区域的飞行航迹、电子地图以及无人机空速、高度、方位、航迹、航向、飞行姿态等参数。操作者则在地面系统上监控飞行状态，并根据航迹规划和调整路径来控制各种任务的执行。

三维实景建模技能是经过倾斜摄影取得的相片、集，校对交融视频、点云等数据形成模型的技能。关于实景建模体系来讲，不光要有数据收、处理建模，更要有后续的模型运用进程。经过无人机航拍、相机拍照和激光扫描等技术获取数据，经过实景建模体系识别运算生成三维模型，导入到建模体系中将实景模型和数字模型交融，再进行深化运用。

以三维GIS平台为载体构建智慧校园，可充分发挥三维GIS平台的数据叠加能力、可视化展示能力、三维空间分析能力，将业务管理、物联网感知数据、大数据分析数据、视频监控、工程项目数据、地下管網数据、公共安全数据等数据融合到一个三维可视化平台，进行高度融合与挖掘分析，并构建智慧管理相关的应用，为校园的规划、建设、管理、决策提供可视化支撑。

1 技术流程

1.1 建立三维实景模型

在建立三维模型的过程中，需先对相关的资料进行收集，同时要注意数据的可用性和准确性，本文数字校园三维场景构建过程中，所涉及的基础数据大致可以分为以下几类：（1）校园场景底图数据，即校园1∶500数字地形图。（2）校园内建筑物及设施高度数据。（3）纹理数据。（4）遥感影像。（5）统计资料、文本资料等。校园底图数据可由全站仪、RTK实测，或由高分辨率遥感影像数据获取，由于三维建模对数据的精度要求高，所以采用全站仪、RTK对校园底图数据进行分类采集。主要包括校园内的主要道路、建筑物、操场、绿地、水域、高程等。

1.2 建立数据库

建立数据库的基础数据包括业务管理、物联网感知数据、大数据分析数据、视频监控、工程项目数据、地下管网数据、教室、学生宿舍数据、公共安全数据等数据。数据库建立应尽量减少空间数据存储的冗余;并确保空间数据结构的稳定性;满足用户对空间数据的查询访问等需求;能够提供多种决策需要，具备较强的应用适应性。建立空间数据库的数据分为几何数据和属性数据两类。几何数据用于描述地理实体的空间位置和形状及实体间拓扑关系的数据，一般用图形、图像表示。属性数据是描述实体的类型、数量和名称等信息的数据，一般用数字或文字表示。

1.3 三维场景视频监控平台

采用最新研发的创新技术：三维场景与视频融合技术;视频图像三维拼接技术;摄像机镜头在三维场景中的目标定位与交互控制技术。将校园内实时动态图像融合到三维场景的地理位置中，实现了三维虚拟场景与现实视频图像的结合。通过多视频影像在其地理位置上拼接，展现出三维场景的真实状态。三维场景视频融合技术将视频图像直接放置在三维地理场景中的对应位置上，不仅定位了视频图像所在位置，而且通过三维场景可以了解周围的地理环境，如某栋楼某间教室学生的出勤上课情况等，彻底解决了视频图像定位问题;视频拼接技术改变了监控人员看电视墙的孤立图像，转而观看具有三维地理空间关系的三维场景画面。解决了监控人员不能同时监视与地理位置相关的多个视频图像，尤其不需要去识别各个镜头图像的地点位置，而只需看一个三维场景页面即可一目了然。

2 技术关键和重点解决的技术问题

摄影测量主要作业流程为：（1）收集测区地形以及气象等资料，并对测区地形及气象条件分析;（2）根据需求及测区范围选择飞机及相机;（3）外业航拍影像质量检测;（4）内业影像处理（建立工程、自动匹配、空三解算、影像密集匹配、影像拼接）;（5）外业数据调绘;（6）内业资料编辑;（7）质量检测评估。

通过无人机倾斜航拍技能，能够快速地获取航摄区域的多视点印象，经过实景建模软件的处理得到区域的实景三维模型、正射影像及地势。概括为影像数据的获取、数据预处理、构建校园三维实景模型。外业影像数据采集前先现场踏勘了解测区地形、气候条件、高程变化、测量控制点的位置，多源方位地获取研究区的航摄影像;航拍时选择天气晴朗、光照度充足、太阳高度角大于等于30°的时间段进行。像控点的布设要求分布均匀，数据准确，对学校的相控点布设分别在楼顶布控、地面布控和空地联合布控。对外业采集的航拍影像数据进行性预处理整理，复核航摄影像质量、数量、文件格式是否無误，航拍高度以及影像的重叠度是否能够达到建模所需的精度要求，对原始影像进行色彩、对比度、亮度的处理后的影像要保证整个测区的整体色调一致性，且单张影像不偏色。如果在航摄影像外业数据采集中检查到影像色差严重、曝光不合理、云雾遮挡、或缺，那么就需要补充拍摄，提高建立三维模型的精度和质量。影像预处理还需将POS数据与影像数据结合起来，建立两者之间的相互关系。

三维模型的建立分为空三处理和模型重建。利用实测获取的高分辨率多角度航摄影像及像控数据，结合共线条件方程理论，采用多视角光束法区域网空中三角测量进行自动三维重建获取OSG粗模型，后单体化建模、映射纹理，与场景融合，构建基于真实自然纹理的实景三维精细化模型。

3 结语

利用无人机倾斜摄影测量技术，运用Context Capture、DP-Modeler、arcgis等软件，建立校园实景三维模型，结合建立GIS数据平台，可实现校区三维场景的可视化及数字校园的建设。通过虚拟三维场景的建设，不仅可直观地展示校园风采，而且可进行场景浏览、属性查询、学生在校实时情况的监测，提高了学校的管理水平，也为学生提供优质的校园环境。同时数字化校园的建设可为学校后期的建设规划提供决策依据。

参考文献：

[1]裴亮，郭艳芳.基于ArcGIS与3DS MAX的虚拟校园三维场景的应用研究[J].测绘与空间地理信息，2018（06）.

[2]徐思奇，黄先锋，等.倾斜摄影测量技术在大比例尺地形图测绘中的应用[J].测绘通报，2018（2）：111-115.

[3]朱国强，刘勇，程鹏正.无人机倾斜摄影技术支持下的三维精细模型制作[J].测绘通报，2016（9）：151-152.

[4]杨国东，王民水.倾斜摄影测量技术应用及展望[J].测绘与空间地理信息，2016，39（1）：13-15，18.

[5]何原荣，陈平，等.基于三维激光扫描与无人机倾斜摄影技术的古建筑重建[J].遥感技术与应用，2019，34（6）：1343-1352.

[6]张玉侠，兰鹏涛，等.无人机倾斜摄影技术在露天矿山监测中的实践与探索[J].测绘通报，2017，（S1）：114-116.

[7]吴飞宇.倾斜摄影测量在城市规划中的应用探讨[J].测绘与空间地理信息[J]，2019，42（7）：211-213.

[8]马茜芮，黄振华.无人机倾斜摄影技术在地籍调查中的应用[J].测绘通报，2020，（S1）：118-121.

[9]刘玉洁，崔铁军，等.无人机航摄大比例尺测图的关键技术分析[J].天津师范大学学报（自然科学版），2020，02：37-40+48.

作者简介：范微维（1989— ），女，汉族，四川广安人，工学硕士，助教，研究方向：摄影测量与遥感。