基于无人机倾斜摄影三维模型构建及网页发布

2022-07-04邢希凯赵胜楠

地理空间信息 2022年6期

王宇，邢希凯，赵胜楠，2*

（1. 河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南焦作 454000；2. 焦作市自然资源和规划局，河南焦作 454000）

信息化时代，数据资源的传输、应用和共享愈发需要通过网络实现，GIS 的网络化成为新的发展趋势。网络GIS 将网络作为GIS 技术应用和实现的平台，打破了传统GIS 对客户的限制门槛，使其成为真正大众化的GIS[1-5]。

1 研究方法

本文以摄影测量原理为基础，通过无人机获取河南理工大学测区的五镜头倾斜影像，然后利用Context Capture 软件进行三维建模处理，生成OSGB 格式的三维模型数据；再利用诸如Wish3D Earth、Super-Map、ArcGIS-online 等WebGIS 平台进行数据上传、网页发布，以供普通民众进行浏览、查询、量测、分析等操作。

1.1 基于无人机倾斜摄影的三维建模原理

倾斜摄影测量的工作方式与传统的垂直航测有一定的区别，传统的垂直航空摄影由1个相机垂直向下拍摄，只能获取正射影像。而倾斜摄影通常具有1个垂直相机和4个倾斜相机，可以实现对地物顶部和多个侧立面的位置和纹理信息进行采集，再通过内业的几何校正、平差、多视影像匹配等一系列处理，得到既有几何外观、又有真实彩色纹理的实景三维模型[6-7]。基于无人机倾斜摄影的三维模型构建流程如图1所示。

图1 基于无人机倾斜摄影的三维建模流程

1）加载原始数据，包括无人机垂直及倾斜影像、相机参数以及POS文件（无人机拍照瞬间的三维坐标及飞行姿态）。

2）多视影像联合平差。多视影像是指垂直影像和多个角度的倾斜影像。由于存在几何变形和遮挡，在数据处理时需要把相机曝光瞬间导航系统所测得的外方位元素作为初始值，采用由粗到细的金字塔匹配策略，完成连接点的全自动提取，并进行区域网平差[7]。

3）密集匹配，三维白膜构建。平差通过之后借助于匹配算法，确定各影像之间的同名点，得到高密度点云，然后基于点云数据构建不规则三角网。这些三角网可作为实景三维模型中的基础模型，即“三维白模”。

4）纹理映射。倾斜摄影的数据量较大，同一地物通常会有多张影像，因此需要选择一张最符合要求的影像。通常计算机会通过算法自动计算、选择，得到每个三角网对应的纹理范围。最后将地物的纹理信息映射到白膜模型上，得到最终的实景三维模型。

1.2 WebGIS原理

网络服务的体系框架可分为连接、请求、应答和关闭连接4个部分。WebGIS是网络GIS的一种，它是Web 和GIS 的结合体，二者相辅相成[8]。以WebGIS 为例，用户为了通过浏览器查看或操作云端存储的地理数据，可以通过Web 服务器向GIS 服务器发送数据查询、空间分析等GIS 功能的请求；GIS 服务器响应这些请求，处理之后再通过网络将结果反馈给用户，用户即可在浏览器中查看结果（图2）。

图2 WebGIS概念框架

常用的WebGIS 平台包括SuperMap、ArcGIS、图新地球等[9-10]，前两者由于起步较早、功能完善而被广大用户认可，但它们需要安装专业软件并进行环境部署。图新地球的Wish3D Earth是中科图新公司研发的三维场景在线搭建平台[11]，其特点是使用方便快捷。

相对于其他网络GIS平台（如基于Client/Server架构的网络GIS），基于B／S架构（Browser／Server）的WebGIS 结构，简化了系统的开发、维护和使用。在这种结构下，用户的工作界面主要是浏览器（Browser），数据处理基本在服务器端（Server）完成，浏览器通过Web 服务器同GIS 服务器以及数据库进行交互，这样就减轻了客户端的电脑载荷，降低了用户成本及工作量。

2 无人机倾斜摄影三维建模

2.1 外业飞行

河南理工大学坐落于河南省焦作市，具有3 个校区，是我国第一所矿业高等学府和河南省建立最早的高等学校，占地面积4 100 余亩，建筑面积140 余万m2。本文的研究区为河南理工大学南校区，占地约3 000亩。本文使用华测P580 六旋翼无人机，搭载五镜头相机。首先，在飞行前需要收集资料，了解测区概况和地面信息，进行地面像控点和检核点的布设及测量；然后检查无人机状况；最后通过软件规划航测路线、设置参数（空间分辨率1.5 cm，航向、旁向重叠70%），并将以上设置传输至无人机。在航拍过程中无人机按照航线规划自主飞行，无需人为干预。

2.2 内业处理

本次实验内业处理软件使用Context Capture，具体步骤如下：

1）新建工程，输入项目名称，存储路径等信息。然后在Context Capture 中导入要参与建模的无人机影像，并检查影像文件以保证每张相片都可以被打开。

2）添加像控点坐标，并进行刺点。通过刺点，可以将地面人工布置的像控点坐标（绝对坐标）赋给无人机航拍照片中的同名控制点。刺点完成后，启动Context Capture Engine 并提交空中三角测量任务，进行空三计算。

3）在空间三角测量计算无误的情况下，新建重建项目（如果空三失败则修改参数或者计算区域）。并设置重建范围、重建网格数量和大小、坐标系、原点坐标等。需要指出的是，在进行倾斜摄影数据计算时，为避免数据量大而超出计算机的内存上限，需要进行数据切块处理。Context Capture 提供多种切块方式，一般选择“规则平面网格切块”模式，该模式可以将工作区垂直切块，降低内存需求。在“空间框架”选项卡设置后，回到“概要”选项栏，点击“提交新的生产项目”，Context Capture会新建一个生产项目。用户可以通过新建不同的“生产项目”输出不同的倾斜摄影成果。

4）创建三维模型生产项目后，设置输出产品的具体格式、空间参考系统、输出路径等参数。任务完成之后，即可得到输出结果。本文导出的三维模型为OSGB格式。

3 三维模型网页发布

目前，三维模型发布的平台较多，比如Super-Map、ArcGIS Pro、Wish3D Earth 等[12]。下文分别介绍它们发布实景三维模型的流程。

3.1 SuperMap发布流程

SuperMap发布三维数据的流程（图3）。

图3 SuperMap发布三维数据流程

1）加载三维模型数据，生成配置文件。打开SuperMap iDesktop，点击“倾斜摄影”工具，选择“生成配置文件”。配置信息包括OSGB源数据路径、模型中心点坐标、投影、是否进行投影转换等。

2）数据优化，合并根节点。合并根节点是为了减少tile文件数量，提高访问效率。

3）格式转换。利用SuperMap iDesktop 将三维模型由OSGB 格式转换为S3M，该格式可以更好地提升三维模型的在WebGL端的性能。

4）建立球面场景。在SuperMap iDesktop 新建工作空间和球面场景，加载S3M格式的三维模型之前生成的S3M数据，检查无误后保存工作空间。

5）场景发布。打开SuperMap iServer，点击“服务管理”，选择“快速发布一个或一组服务”。数据来源选择之前保存的工作空间，发布类型设置为“REST-三维服务”，即实现三维场景发布。

三维场景发布之后，可以使用SuperMap iClient3D for WebGL进行二次开发，添加三维量测、三维空间分析等复杂功能，最终达到无需下载、安装插件，即可通过浏览器高效使用三维服务的效果。需要说明的是，SuperMap iServer需要安装在服务器系统，如Windows Server。同时，超图系列软件仅可免费试用一个月，如需长期使用则需购买相关软件产品（一年期付费）。

3.2 ArcGIS Pro发布流程

ArcGIS Online 可以进行地理数据上传和网页发布，但由于三维模型的数据量通常较大，一般需要使用ArcGIS Pro进行发布，其流程（图4）。

图4 ArcGIS Pro发布三维数据流程

1）打开ArcGIS Pro，获得使用许可。可以加载许可文件，也可以申请临时试用。

2）添加Portal 地址，建立ArcGIS Pro 与Portal for ArcGIS的连接。Portal for ArcGIS是GIS资源管理平台，可以实现数据管理、组织内部成员协同共享、多维数据制图、配置WebGIS、与ArcGIS Server集成等功能。

3）在ArcGIS Pro的项目中新建三维场景，添加数据时需要多面体格式，如果是其他格式，需要先通过ArcGIS Pro 的Import 3D files 工具或者数据互操作模块进行格式转换。

4）选择待发布场景，发布三维数据。随后便可在Portal 中浏览发布的场景，也可以将该场景通过网页链接共享给其他用户。

三维数据发布之后可以登录ArcGIS Online 账户，找到发布的场景进行调整并添加功能，如添加底图、图例，测量、光照模拟等，另外也可结合ArcGIS API for JavaScript 或者ArcGIS Web Appbuilder 进行二次开发，同样的ArcGIS Online也仅提供60 d的免费试用。