■ 楊 瀚 黃 鶴 王東波

測繪前沿

■ 楊 瀚 黃 鶴 王東波

測繪領域的三維建模

以往的城市規(guī)劃人員的工作重點主要放在各種地圖的設計上，特別是專題地圖的繪制，但均以紙質地圖為主，屬性信息僅包含圖名信息、二維坐標信息、圖例信息、經(jīng)緯度信息等，這些信息不能給人一種直觀的真實感和帶入感，更不能在有限的空間中展示城市的全景輪廓。近年來，人們也使用過紙質模板或木質材料來制作3D模型，這樣的簡易模型雖然能夠滿足視覺上的審美感，用來實現(xiàn)縮小比例尺的城市景觀3D可視化，但是這種制作工藝復雜、工作量巨大、費用較高，而且一次成型便無法進行修改，更不能以第一人稱的身份進入模型中去感受，只能從外觀上進行簡單的觀看。

以上問題在現(xiàn)代“數(shù)字城市”發(fā)展的今天已經(jīng)不是難題，結合測繪學科的地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）可以將真實世界的物體用三維建模技術完美地表達出來，更加有效地表達城市規(guī)劃建設的中的各種有效信息。這種技術主要是基于現(xiàn)在比較成熟的計算機三維城市建模技術，更要結合相關數(shù)據(jù)的采集技術，代表性的有無人機傾斜攝影測量技術、3D-SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）技術、地面激光點云技術等測繪前沿技術。建模成形的城市景觀模型能夠給人一種全方位、直觀性、科學合理的視覺沖擊感，比較符合人類的視覺和審美效果，而且3D景觀的各種模型數(shù)據(jù)易于制作修改，設計的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)能夠實現(xiàn)城市各類信息的查詢、添加、修改、分析等功能，這些功能和效果展示都是傳統(tǒng)城市規(guī)劃人員不曾想象的，也是傳統(tǒng)方法無法做到的。

測繪前沿技術

無人機傾斜攝影測量技術、即時定位與地圖構建（SLAM）技術和地面激光點云技術等測繪領域新技術，均在智慧城市發(fā)展規(guī)劃和建設中的不同階段發(fā)揮著重要的角色作用。

（一）無人機傾斜攝影測量技術

傾斜攝影測量是近年來測繪領域快速發(fā)展的一項新興技術，目前多采用固定翼無人機搭載傾斜相機同時從一個垂直、四個傾斜等五個不同的角度進行影像采集，該類型無人機具有續(xù)航時間長、載重大且飛行高度較高等優(yōu)勢，適用于城市等大場景影像采集。傾斜攝影測量技術是將多臺高精度相機搭載在飛行平臺上，如固定翼無人機、多旋翼無人機，以及大型飛機，從水平、垂直、傾斜等不同的角度進行影像數(shù)據(jù)的采集，獲取地面物體的頂部和側面的影像信息，所獲取的影像信息能夠真實地反應客觀實際情況，包括紋理信息，以滿足模型的三維信息要求。

無人機搭載傾斜相機同時從一個垂直、四個傾斜等五個不同的角度進行影像采集

計算機的并行計算技術和視覺技術是近年來能夠支撐傾斜攝影測量影像數(shù)據(jù)處理和提取的重要因素，再加上硬件性能的大幅度提高，使得海量、多分辨率、無序、復雜的影像數(shù)據(jù)得到快速密集匹配。此外，還要有相關影像處理軟件與之結合，目前比較三維模型重建的軟件有Smart3D CC、SkyLine、PhotoScan等，已經(jīng)可以利用單目相機、無人機甚至手機影像進行自動化3D模型的重建。

（二）SLAM技術

即時定位與地圖構建（SLAM）技術在移動測繪問題上具有較好的應用，如歐洲專利號為EP2913796A1的基于SLAM技術的推車，能夠對室內(nèi)和室外的地面水平環(huán)境進行地圖構建和環(huán)境建模。因此，SLAM技術在測繪領域中應用降低了測量復雜，不需要大量標記地物點、不需要GPS信號、適用于在室內(nèi)室外場景，對于解決傳統(tǒng)測繪中的定位及場景重建問題具有廣闊的前景。SLAM技術是機器人領域的關鍵技術之一，是現(xiàn)代智能移動機器人系統(tǒng)的核心技術。SLAM解決的問題是移動機器人在未知的環(huán)境中利用自身裝載的傳感器獲取數(shù)據(jù)進行探索，通過觀測的數(shù)據(jù)，增量式地建立與環(huán)境相同的地圖，同時利用已經(jīng)建立的環(huán)境模型計算出機器人的位置。SLAM是機器人進入未知環(huán)境遇到的第一個問題，是路徑規(guī)劃及許多其他任務的前提，是實現(xiàn)機器人自主性的關鍵，是一個智能移動機器人進行其它一切后續(xù)動作和行為的技術依據(jù)。

無人駕駛汽車。為了更好地理解SLAM，我們不妨這么看：上圖是其車載設備給汽車提供道路環(huán)境信息，以便正確地行駛。用于測繪，這輛汽車就是一個移動機器人，給人類提供環(huán)境信息

（三）地面激光點云技術

激光點云，利用激光在同一空間參考系下獲取物體表面每個采樣點的空間坐標，得到的是一系列表達目標空間分布和目標表面特性的海量點的集合，這個點集合就稱之為“點云”（Point Cloud）。點云的屬性包括：空間分辨率、點位精度、表面法向量等。

地面激光點云技術是一種比較成熟的三維測量技術，它能夠對目標物體表面進行三維信息的獲取，其工作原理是以陣列點云的形式采集目標物體表面的3D空間特征，以及激光點云的坐標信息。通過發(fā)射的激光的光束回波反射強度值和融合CCD相機影響的彩色信息，可以使得目標物體的空間結構特征和光譜輻射信息同時進行表達，輸出的模型紋理更符合人們的視覺感受。

著色車載激光點云數(shù)據(jù)

智慧城市中的實際應用

上述三種測繪新技術所采集的數(shù)據(jù)可以無縫地融合到一個展示系統(tǒng)中，之后將獲得重建的三維模型嵌入平臺中，構成虛擬現(xiàn)實的模型。這個虛擬現(xiàn)實的三維建模平臺所展示的立體空間更方便決策者直觀地思考，可以為城市規(guī)劃和發(fā)展提供各種尺度和維度（包括二維和三維）的輔助，甚至可以為規(guī)劃人員提供比較直觀真實的視覺感受。通過新型智能政府辦公系統(tǒng)，大眾也可以參與到政府的決策和規(guī)劃之中，可以更好地了解職能政府并提出合理且具有代表性的城市建設的意見和建議，從而政府決策也能更具城市規(guī)劃發(fā)展的科學合理性。

（一）驗收審核平臺構建

建設項目三維審核平臺設計采用數(shù)據(jù)、服務、應用三者相分離的耦合架構設計，以利于實現(xiàn)與其他規(guī)劃審批系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享與交互。平臺設計采用三層架構，由下到上分別為數(shù)據(jù)層、服務層、應用層，由三維數(shù)據(jù)管理與服務發(fā)布子系統(tǒng)和規(guī)劃三維展示與輔助審批子系統(tǒng)構成。平臺總體架構框架如下圖所示：

平臺總體架構圖

數(shù)據(jù)資源層主要包括三維現(xiàn)狀模型庫、三維規(guī)劃模型庫和元數(shù)據(jù)庫等三維數(shù)據(jù)庫；通過開發(fā)三維數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的整合、整理、一致性檢驗。規(guī)劃審批過程中用到的其他數(shù)據(jù)如基礎地理信息數(shù)據(jù)、規(guī)劃專題數(shù)據(jù)、審批數(shù)據(jù)，通過在線服務調(diào)用方式從規(guī)管等系統(tǒng)中調(diào)取，在服務層進行服務聚合，最終提供給應用層使用。

服務層是數(shù)據(jù)層和應用層聯(lián)系的橋梁，利用Webservice技術將三維數(shù)據(jù)以服務的方式發(fā)布，并通過服務聚合方式整合規(guī)劃管理系統(tǒng)等系統(tǒng)發(fā)布的數(shù)據(jù)服務，統(tǒng)一為應用層提供三維數(shù)據(jù)服務，并且根據(jù)應用層功能需求，提供查詢統(tǒng)計、三維分析等功能服務。同時，服務層還為其他系統(tǒng)提供接口，以便將三維應用集成到其他系統(tǒng)中。三維數(shù)據(jù)服務管理子系統(tǒng)主要用于服務的管理與發(fā)布。

應用層即規(guī)劃三維輔助審批子系統(tǒng)和規(guī)劃三維展示子系統(tǒng)。三維展示子系統(tǒng)通過與規(guī)劃管理在系統(tǒng)界面層面的集成實現(xiàn)規(guī)劃審批二三維一體化。

（二）建筑物全生命周期監(jiān)測

1.設計階段

在某地進行建筑物的建設之前，首先需要做的就是項目的規(guī)劃設計，其中最重要的環(huán)節(jié)是建筑物模型與建筑場地的嵌套融合過程，這個過程可以直觀地展示設計方案與建筑場地的匹配度，給人一種身臨其境的真實感受。

2.施工階段

在建筑物的施工建設過程中，傳統(tǒng)的監(jiān)測方法是使用垂線偏差和局部抽樣檢測等測繪技術，這些方法只能控制建筑物在垂線上的一致性，而不能監(jiān)測建筑物在施工中的整體結構與設計方案的偏差情況，以上問題可以通過三維建模技術實時、快速地來完成和解決。三維建模技術能將正在建設中的建筑物快速實時地掃描建模，并將建模完成的模型與上一時間段的模型做詳細的對比，及時檢測出各個部位的擬合精度和匹配度，為下一階段的施工提供科學有效地精度數(shù)據(jù)。

3.后期維護運營階段

建成后的建筑物投入使用以后也會有各種問題出現(xiàn)，比如管道節(jié)點的通暢情況、停車場的位置信息、樓層房間分布信息、消防器材的擺放情況、建筑物健康監(jiān)測等，都需要定期提供檢測報告，而利用三維模型檢測技術可以做到建筑物的全生命周期的健康壽命監(jiān)測，不僅可以節(jié)省大量人力、物力、財力，監(jiān)測的精度和準確度也會有很大的提高，而且能以第一人稱的角色進行實時直觀的檢測。

利用三維激光掃描測量系統(tǒng)得到的三峽庫區(qū)水下地形圖，為相關研究、決策提供科學、細致、可視化資料

隨著城市向智慧化、信息化、智能化方向的發(fā)展，城市三維模型規(guī)劃設計所涉及的學科領域也在不斷擴大，其中測繪領域的前沿技術已經(jīng)為城市智慧化建設和發(fā)展提供了前所未有的支持和幫助。政府辦公信息審核系統(tǒng)中所涉及的虛擬現(xiàn)實三維模型能夠準確地提供基本的地理信息，然后依據(jù)不同領域的專業(yè)需要進行有效信息整合，為社會全方面信息的合理分配和共享提供空間合理分析和科學決策，使政府辦公變得更加地可視化、細致、科學化和自動化，節(jié)省大量的成本和資源。

（作者單位：北京建筑大學測繪與城市空間信息學院；北京碧桂園晟龍置業(yè)發(fā)展有限公司）