三维实景地图生产与应用

曹培国,姚磊，李奎英，赵倩

(1.山东省地质测绘院，山东 济南 250002；2.山东省国土资源厅政务大厅，山东 济南 250014)

0 引言

三维实景地图即真实三维地图，是多项高新科学技术相结合的新兴产物，是一种颠覆性的创新产品，是二维地图和模拟立体地图无法比拟的。它不仅可用于社会公共事业管理，还可以让网民用来网上搜索兴趣点，让人们足不出户，身临其境地了解内、外部环境。

地图伴随社会与科技进步，从平面二维地图发展到三维模拟地图，又由三维模拟地图发展到今天的实景地图。可以说，地图镌刻着时代进步的烙印，地图发展也是社会文明程度的一种重要标志[1]。

模拟三维地图是通过人工拍摄获取建筑物的外形，而后将各个孤立的单视角3D模型无缝集成[2]，经过虚拟美化处理以后，形成三维地图数据文件。

虚拟三维地图是以现实地理信息为基础，基于WEBGIS和虚拟现实技术实现的[3]。它可以通过多种方式(诸如采用人工拍照方式采集)获得实际三维的地理信息，将获得的地理信息进行加工拼接，通过建模的方式加以整理，最后以虚拟现实的方式呈现。

全景地图也称为360度全景地图、全景环视地图[4]，是一种运用数码相机对现有场景进行多角度环视拍摄之后，再利用计算机进行后期缝合，并加载播放程序来完成的一种三维虚拟展示技术。由多角度拍摄数张照片后，使用专业三维平台建立数字模型，然后使用全景工具软件制作而成。可以使用网络浏览器或播放软件在普通电脑上观看，随着网络速度的不断提升，移动通信技术的换代升级，各种移动手持终端的普及使用，全景地图越来越受到重视，已经普及到普通消费者。

实景地图也称为可量测实景影像，是利用三维全景技术建立的地图，它实际上是一种以近景摄影测量立体影像文件及其外方位元素构成的基础地理信息产品[5]。将原始的立体影像(地面、航空或者航天影像)，连同他们的外方位元素一起作为数字可量测影像存储和管理起来，并在互联网上提供必要的使用软件，就有可能直接由用户根据其需要去搜索、量测、调绘和标注出他们所需要的空间目标信息[6]。实景地图是利用三维全景(panorama)与二维地图结合而创建的地图，可以看到真实的地物地貌，可以从不同视角观察地物、地貌。近年来，随着飞艇、无人驾驶飞机、飞机和卫星等空中飞行工具的发展，获得了一个全新的视角，并可以进行全方位的拍摄，实景三维地图才得到真正的发展。物联网快速发展，5G时代即将到来，物联网与移动互联网深度结合，必将加速实景地图的快速发展与广泛应用。实景地图应用模式主要为Web网页在线服务和移动终端实景App地图服务[7]。实景三维地图的直观性、信息量和精确性远非传统二维电子地图可比。实景地图不仅会改变人们的生活和生产方式，也将引起测绘地理信息行业深度变革。

1 无人机系统实景地图生产介绍及实例展示

实景地图是利用遥感或激光技术直接扫描建筑物的高度和宽度，最终形成三维地图数据文件，它是基于实物拍摄、数据抽象采集技术实现的。传统实景地图通过移动道路测量系统采集得到[8]。

现行绝大部分网络三维地图生产，主要采用摄影测量车进行车载激光扫描，沿着道路拍摄。车载激光扫描系统获取激光点云数据以及全景相片数据，其中激光点云数据为具有真实空间三维坐标点的集合，可设置常规坐标系统[9]。很多机关单位、科研院所、社区面向道路的一面激光能够扫描得到，而背对街道的或侧对道路的方向无法得到。并且由于道路两侧树木、各种城市部件的遮挡，降低了实景可视性，对于广大使用者可以满足应用要求，但对于政府部门和高端使用者来讲地图的可量测性受到了较大限制。

随着低空飞行平台技术的成熟，倾斜摄影技术的快速发展，利用低空无人机系统可以实现全方位的空间地理信息数据采集[10]，包括地表影像及建筑物的侧面纹理；通过航测与遥感数据处理软件，可实现360°全方位的真实场景地图。相对于移动道路测量系统采集的数据，减少了路边树木及各种城市构筑物的遮挡，并可以低空俯视、平视等多角度观测，大幅度提高了地图的直观可视性，拓宽了地图的视角观测广度，很大程度上解决了全景地图的可量测性[11]。它提供了每个地理位置的360°真实场景，并且具有漫游、搜索、分享等功能，解决了传统电子地图完整性和直观性不好的问题[12]。无人机具有机动、快速、经济等特点，以无人机作为航空摄影平台能够快速高效地获取高质量、高分辨率的影像[13]。

1.1 硬件配置

利用无人机倾斜摄影飞行，采用大疆PHANTOM 3 PRO版平台，平台相关硬件参数信息如表1～3所示，其中表1为无人机参数，表2为相机参数，表3为数据处理服务器参数。

表1 无人机参数

表2 相机参数

表3 数据处理服务器参数

1.2 数据处理

1.2.1 数据处理流程

目前主流的3D建模软件有Smart3D Capture、PhotoMesh、PhotoScan、街景工厂系统等，相较于传统空中三角测量软件，在操作模式上，Smart3D可以实现一键操作。

实景地图生产流程：建立项目文件、调入影像数据及相机参数、选择坐标系及像控点测量、提交空三计算、提交重建任务(设置好边界框、常规平面格网、瓷砖大小等)、提交生成产品(输出三维模型)、模型拼接。数据处理流程图如图1。

图1 数据处理流程图

1.2.2 数据处理

(1)准备工作。原始影像存放路径用Excel表格表达，控制点坐标用Excel表格表达，并且格式符合软件要求，便于数据处理应用。

(2)进行影像检查，删除多余影像及附属数据，检查影像组的完整性。

(3)快速空中三角测量计算时，采样率设置为25%，虽然空三的精度不是很高，但是这样数据处理的速度加快，快速空三主要是便于后期进行控制点刺点时，能够预测大概的外置，方便进行刺点工作。

(4)影像控制点测量是在快速空中三角测量之后，精密空中三角测量之前进行，首先要根据像控点坐标系，选择相应的坐标系统及中央子午线(如xian80，3度带，中央子午线117°)。根据野外采集的像控点照片，进行刺点，尽可能在像控点所在的每张影像上量测。

(5)精密空中三角测量中，采样率设置为100%，进行添加控制点后的精密空三计算。

(6)三维模型的构建工作，在空间参考系统中选择相应的坐标系统(与控制点保持一致，如xian80，3度带，中央子午线117°)；外围无效区域已经裁剪，只选取有效作业区域参与建模；切块选择规则立体切块(测区很大，数据处理要占用很大的内存，分成很多小块降低了内存的占用)。调节瓦片大小，查看RAM使用量，不要超过电脑的最大内存。

(7)模型输出，模型数据格式选择，其中S3C便于浏览器查看三维模型，OSGB可用于EPS软件读取进行三维描图使用；纹理贴图时，JPEG质量选择100%；空间参考系统选择跟控制点相一致；范围设置为：已标记瓦片数据至选择集。

(8)模型拼接，对于多架次模型存在拼接问题，现将各架次精密空中三角测量成果合并，然后再按照上述流程进行三维模型生产。

(9)全景地图可以全方位任意角度展示，由于纸媒展示受限，特选取生产实例全景地图4个不同方位低空角度图片展示效果。全景地图实例展示如图2。

图2 全景地图实例展示

2 实景地图应用现状与发展前景

2.1 实景地图应用现状

实景地图服务以真实直观的现实实景，与传统的二维平面地图导航相结合，给用户带来更真实的视觉效果。目前，国内实景地图服务网站主要有：搜搜腾讯地图、城市吧街景、百度街景、高德街景、我秀中国街景、天地图街景。谷歌街景地图服务，已在全球多个国家、地区推出了街景地图。腾讯也早已发布了SOSO街景地图移动版，用户可以通过平板电脑、安卓和苹果手机SOSO街景地图客户端使用这一产品[14]。

随着低空航空摄影测量技术研究和应用不断深入，其成果和水平也成为各国科技发展水平的标志之一[15]。实景地图应用典型的是“我秀中国”网站，“我秀中国”是采用当今最先进移动测量及实景地图技术打造的实景地图服务网站，好比将一个个“实景城市”放在了互联网上。该网站拥有数亿张各种规格的精确到厘米级的街景影像，提供的实景地图覆盖北京、上海、广州、成都、深圳、香港、澳门等100多个城市。

实景地图集成生活资讯、电子政务、电子商务、虚拟社区、出行导航等一系列服务，为大众提供地图查询、出行导航等地图检索功能，同时为政府机关、企事业单位、商家企业提供宣传互动的快速通道；参与数字城市乃至智慧城市的建设[16]；为人们的日常生活、网上办事和网络娱乐等活动提供便捷的解决方案。

2.2 发展前景

实景地图伴随着计算机技术和通讯技术的进步而得到快速发展[17]。以实景地图为基础平台，搭建各行业数据或互联各类传感器数据，通过虚拟现实VR及增强现实AR和混合现实MR，必将推动智慧城市、智慧交通、智慧电网、智慧医疗、智慧旅游、智慧环保、智慧安保等行业的发展[18]，同时促进自动驾驶汽车技术的应用推广。实景地图扩展应用对矿业系统可量测矿堆的体积，尾矿库的库容计算，隧道检测，跨河大桥的桥梁检测，高精度的实景地图可用于文物保护及修复[19]。实景地图还可以广泛应用于灾情监测、灾害救援、区域规划、生态环境监测等领域。实景地图可进一步发展作为虚拟现实、虚拟会议现场、带有时光隧道的历史实景地图回溯，这些都需要大数据的支持。由于实景地图不仅具有从不同角度进行浏览地物的功能，还具有高精度的量测地物空间位置及大小的特点[20]，因此，实景地图可以广泛应用于城市规划、不动产管理、农业普查等行业[21]。随着移动通讯5G时代的到来，实景地图就像手机一样，人们的生活将离不开它。

3 结语

目前，国内实景地图服务网站所提供的多为三维街景图，还不是真正意义上的三维实景城市地图，主要原因在于数据采集量大、数据处理及实景地图生产工作量大，生产实景地图受空管因素影响，生产时间不可控因素较大。另外，该项工作需要大量资金。

实景地图关乎着国家安全、人民的财产安全、个人信息及隐私安全[22]。因此，应加强对实景地图生产过程的监督和检查，对外公开的实景地图应进行脱密处理。

随着实景地图近年来发展和应用，特别在日常生活中的应用。产生了多种实景地图的生产方法和生产流程，产品质量不一而足。目前，采用轻型无人机系统可以生产全景地图，且方便、高效、质量较好。是一种比较切实可行的作业模式。

该文介绍了采用无人机系统生产三维实景地图的生产方法和过程。详述了实景地图应用现状、发展前景及目前实景地图存在的问题。提供给从业人员一种可行的生产实景地图解决方案。当然，实景地图还有许多的技术有待进一步提高、探索和研究，相关技术的发展会不断提高实景地图的生产制作水平，实景地图的应用也将越来越广泛。