張博源 駱元家 謝光雄

（柳州工學(xué)院 廣西·柳州 545000）

0 緒論

（1）研究的背景和意義。每一次移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)，都帶動(dòng)了新媒體的高速發(fā)展，從2G網(wǎng)絡(luò)的文字閱讀，到3G網(wǎng)絡(luò)的圖文、視頻，再到4G網(wǎng)絡(luò)的短視頻、直播，宣傳方式越來(lái)越多樣，用戶體驗(yàn)越來(lái)越直觀；隨著時(shí)代發(fā)展，5G網(wǎng)絡(luò)即將走入尋常百姓家，在5G網(wǎng)絡(luò)的支持下，不難想象，這又將會(huì)一場(chǎng)新媒體宣傳方式的躍進(jìn)。

而在測(cè)繪行業(yè)內(nèi)使用的傾斜攝影的三維實(shí)景模型，其具備近乎100%的實(shí)景還原度，且有獲取方便、承載信息多、讀取信息直觀等特點(diǎn)，他最大的問(wèn)題就是數(shù)據(jù)量巨大，不方便用于網(wǎng)絡(luò)的即使展示，但在5G網(wǎng)絡(luò)的加持下，三維實(shí)景模型終將會(huì)走入千家萬(wàn)戶。

（2）研究的內(nèi)容和目的。三維實(shí)景模型是數(shù)字校園的基礎(chǔ)，是智慧校園的基石，實(shí)景模型的質(zhì)量和可用性，直接影響了數(shù)字校園和智慧校園的建設(shè)，智慧校園就是智慧城市的縮影，實(shí)現(xiàn)智慧校園，再由小及大建設(shè)數(shù)字城市、智慧城市。

我把這個(gè)建設(shè)路徑分為三步走：第一步，建立區(qū)域?qū)嵕澳Ｐ停瑢?shí)現(xiàn)地物可視化；第二步，建立區(qū)域內(nèi)的地物信息數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)信息可視化；第三步，在區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)物互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市的終極形態(tài)。這就是本文的研究目的和項(xiàng)目的主體構(gòu)思。

照片1：現(xiàn)場(chǎng)照片（科教樓）

照片2：模型照片（科教樓）

（3）研究的現(xiàn)狀。目前已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了上述的第一步，獲取可用的三維實(shí)景模型，該模型使用測(cè)繪行業(yè)內(nèi)的傾斜攝影技術(shù)完成，行業(yè)內(nèi)對(duì)此已具備相當(dāng)完善的技術(shù)，通過(guò)無(wú)人機(jī)自動(dòng)航攝、特殊面手動(dòng)航拍和地面拍攝三者結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)空地結(jié)合，提高了模型的精度和還原度；在信息交互方面，使用ArcGIS、3DMAX、DP等軟件給模型添加地物信息，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的宣傳展示作用，在學(xué)校的宣傳和招新工作中可發(fā)揮很好的價(jià)值；在物聯(lián)網(wǎng)方面我們提出了很多設(shè)想，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是數(shù)字校園向智慧校園發(fā)展的關(guān)鍵一步，先建設(shè)好數(shù)字校園，再逐步完善改進(jìn)為智慧校園。

1 數(shù)字校園建設(shè)

此次研究以柳州工學(xué)院為例，該學(xué)校占地1300畝，建筑面積33.15萬(wàn)平方米；外業(yè)數(shù)據(jù)采集方面，使用六懸翼五鏡頭的中海達(dá)無(wú)人機(jī)，加上RTK采點(diǎn)作為像控點(diǎn)，共采集照片6150張，像控點(diǎn)十五個(gè)；內(nèi)業(yè)采用Smart 3D制作模型。

1.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集與資料整理

作業(yè)期間，首先進(jìn)行了相控點(diǎn)布設(shè)，本次相控點(diǎn)選擇了地面特征點(diǎn)，以空曠路面上的的斑馬線、道路中心線、田徑場(chǎng)跑道線的拐角為像控點(diǎn)，具有永固性和便識(shí)性，坐標(biāo)系使用CGCS2000國(guó)家大地坐標(biāo)系，1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，使用衛(wèi)星接收機(jī)在已選的相控點(diǎn)上進(jìn)行載波相位差分技術(shù)進(jìn)行點(diǎn)位采集，連續(xù)復(fù)位采集三次，點(diǎn)位中誤差控制在5cm以內(nèi)，精度滿足像控點(diǎn)要求，同時(shí)采集了經(jīng)緯度信息，可以與照片的POS文件進(jìn)行對(duì)照。點(diǎn)位位置和環(huán)境要做好記錄，采用拍照和文字?jǐn)⑹龅姆绞?，以方便?nèi)業(yè)進(jìn)行刺點(diǎn)時(shí)找點(diǎn)。

像控點(diǎn)布設(shè)完畢后，開(kāi)始準(zhǔn)備對(duì)作業(yè)區(qū)域進(jìn)行航拍，在航拍之前，我們對(duì)該區(qū)域的最高建筑進(jìn)行了調(diào)查，該區(qū)域內(nèi)最高的建筑在80米左右，所以在行高上我們選擇120米左右，根據(jù)當(dāng)天的天氣情況，航速方面我們選擇8m/s，協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎，重疊度是模型質(zhì)量的關(guān)鍵，考慮到內(nèi)業(yè)電腦計(jì)算的壓力和模型質(zhì)量，我們選擇了旁向重疊80%，航向重疊80%的狀態(tài)進(jìn)行采集；由于校園內(nèi)部分區(qū)域的樹(shù)木十分茂盛，樹(shù)冠遮擋了大量的地物，我們采用了空地結(jié)合的方法，在無(wú)人機(jī)無(wú)法拍攝的區(qū)域，使用地面相機(jī)進(jìn)行了地面補(bǔ)拍，進(jìn)一步提高模型的還原度；除了遮擋對(duì)航拍的影響，在建筑密度過(guò)高、房檐較長(zhǎng)的地方，也會(huì)因?yàn)閮A斜航拍受阻，造成影像數(shù)據(jù)不足，從而模型發(fā)生扭曲的現(xiàn)象，為了消除此影響，我們選擇使用大疆精靈進(jìn)行手控飛行補(bǔ)拍，通過(guò)這種空地結(jié)合的方式，模型的精度和還原度才可以得到保證。

圖3：像控點(diǎn)數(shù)據(jù)

圖4：影像變形示意圖

現(xiàn)如今測(cè)繪外業(yè)采集的途徑越來(lái)越多，依靠無(wú)人機(jī)等智能設(shè)備，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)雙人即可完成采集任務(wù)，在本次實(shí)驗(yàn)任務(wù)中，我們操控員只有兩名，在一起完成像控點(diǎn)布設(shè)后，一同進(jìn)行無(wú)人機(jī)航拍，在無(wú)人機(jī)電源充足的情況下，1300畝的航拍任務(wù)可在一天能做完，外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率和采集成本是非?？煽氐?。

1.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理與模型生產(chǎn)

外業(yè)數(shù)據(jù)采集完后，導(dǎo)出相片和POS文件，移交內(nèi)業(yè)處理；在內(nèi)業(yè)當(dāng)中我們使用Smart3D進(jìn)行模型生產(chǎn)，首先導(dǎo)入相片和POS文件，這里不能直接使用無(wú)人機(jī)導(dǎo)出的POS，應(yīng)該將相片文件名和POS數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)，制作出與相片相對(duì)應(yīng)的POS文件進(jìn)行生產(chǎn)使用；導(dǎo)入好POS文件后檢查照片的姿態(tài)信息是否有誤，確認(rèn)無(wú)誤后進(jìn)行第一次空三解算，在空三解算設(shè)置中，按照項(xiàng)目的精度需求選擇解算方式；不提供POS文件Smart 3D也可進(jìn)行空三解算，但是解算時(shí)間和精度會(huì)有所降低，所以在這一步盡量采用POS文件進(jìn)行空三解算。

第一遍空三解算結(jié)束后，檢查空三結(jié)果，主要觀察相機(jī)位置及排布方式，以及“飛點(diǎn)”數(shù)量，例如五鏡頭的相機(jī)位置，應(yīng)為五個(gè)一組的“蓮花”狀，相片朝向規(guī)則統(tǒng)一，排布方式應(yīng)明顯看出與預(yù)設(shè)航帶相同，飛點(diǎn)即明顯超出測(cè)區(qū)范圍的連接點(diǎn)，通過(guò)上述內(nèi)容基本可以判斷第一遍空三的質(zhì)量。

然后導(dǎo)入像控點(diǎn)信息，對(duì)應(yīng)外業(yè)的像控點(diǎn)記錄文件，進(jìn)行刺點(diǎn)，刺點(diǎn)時(shí)對(duì)照片的選擇也很重要，不要選擇像控點(diǎn)處于邊緣的照片，不要選擇像控點(diǎn)模糊的照片，這樣的照片用于刺點(diǎn)，不光不能提高精度，還有可能拉低整體的準(zhǔn)確度，所以不建議將這樣的照片用于刺點(diǎn)。

刺點(diǎn)完成后，再跑一次空三，空三結(jié)束后簡(jiǎn)單檢查一下空三質(zhì)量，標(biāo)準(zhǔn)同上，檢查無(wú)誤后就可以準(zhǔn)備生成模型了，在生成模型時(shí)，根據(jù)需求選擇模型格式，通常情況下我們使用OSGB格式，如果用于網(wǎng)絡(luò)展示方面，可以使用3MX格式，該格式支持同時(shí)生產(chǎn)相對(duì)應(yīng)的HTML文件，HTML文件可直接將模型用于網(wǎng)絡(luò)展示。

在模型生成中，大型模型都會(huì)被切割成許多瓦片進(jìn)行獨(dú)立生產(chǎn)，相鄰的瓦片會(huì)重復(fù)計(jì)算相接的邊，用于之后各瓦片連接所用，這就意味著，瓦片切的越小，瓦片數(shù)量就會(huì)越多，同時(shí)重復(fù)運(yùn)算也會(huì)越多，但是用于連接各瓦片的重復(fù)運(yùn)算對(duì)于模型生產(chǎn)來(lái)說(shuō)就是無(wú)用功；由此可見(jiàn)，瓦片越小，無(wú)用功越多，消耗的時(shí)間越多。

每個(gè)瓦片切多大，這就由電腦的RAM決定，RAM越大，切的瓦片就越大，瓦片數(shù)量少了，自然重復(fù)運(yùn)算少了，時(shí)間成本就會(huì)降低。在設(shè)置瓦片時(shí)，我們一般選擇瓦片占用的RAM為電腦RAM的75%-85%，例如RAM 16G的電腦，瓦片設(shè)置為12G-14G左右。

模型的生產(chǎn)將會(huì)很耗時(shí)間，這里建議使用集群操作，集群方法在最后進(jìn)行討論，這里不做累述。

1.3 數(shù)字校園

生產(chǎn)了校園的實(shí)景三維模型，該模型已具備了宣傳展示的作用，基本完成數(shù)字校園的雛形，下一步我門(mén)將把該產(chǎn)品和GIS（地理信息系統(tǒng)）相結(jié)合，添加上校園的各項(xiàng)地物信息、屬性信息已達(dá)到交互式體驗(yàn)，用戶可以通過(guò)點(diǎn)擊實(shí)景模型中的位置，例如點(diǎn)擊某教室、某辦公室、某會(huì)議室等，來(lái)獲取教室排課信息、辦公室的職能信息和老師信息、會(huì)議室的預(yù)約信息等；將信息可視化結(jié)合到實(shí)景模型中，數(shù)字校園的概念才能得到實(shí)現(xiàn)：真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)景觀，信息交互式體驗(yàn)，方便快捷的瀏覽方式；這就是5G時(shí)代下的數(shù)字校園概念。

2 智慧校園探索

將上述成果與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，例如與感應(yīng)器相結(jié)合，在三維實(shí)景模型中可以實(shí)時(shí)觀測(cè)到各地的人員密度，車(chē)流量密度，同時(shí)通過(guò)該模型操控紅路燈、操控門(mén)禁、指揮現(xiàn)場(chǎng)人員等方式來(lái)干預(yù)指揮現(xiàn)場(chǎng)情況等；再例如與監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合，通過(guò)點(diǎn)擊模型中的監(jiān)控系統(tǒng)，立即調(diào)取實(shí)地的監(jiān)控畫(huà)面，還可以通過(guò)利用監(jiān)控畫(huà)面建模，將監(jiān)控中任意時(shí)間段的真實(shí)景象，重現(xiàn)于模型之中。

圖5：柳州工學(xué)院（實(shí)景三維模型）

該項(xiàng)目的可與各種方向相結(jié)合，包括安保方向、建筑方向、管理方向以及各種商業(yè)活動(dòng)中都可以發(fā)揮巨大價(jià)值。先與各行各業(yè)相結(jié)合，再服務(wù)于各行各業(yè)，至此便完成智慧城市的終極形態(tài)，也是本研究的最終目標(biāo)：萬(wàn)物互聯(lián)。

3 其他

3.1 Smart 3D集群

Smart 3D再進(jìn)行模型生產(chǎn)時(shí)的計(jì)算量是十分巨大的，所以通常情況下，我們都選擇使用集群的方法進(jìn)行模型生產(chǎn)。

首先CC Setting中的配置下，更改任務(wù)序列目錄，路徑要處于可訪問(wèn)的狀態(tài)下，文件名為jobs，然后從機(jī)同上設(shè)置；在生產(chǎn)時(shí)，主機(jī)打開(kāi)工程文件啟動(dòng)生產(chǎn)，從機(jī)只要引擎軟件即可實(shí)現(xiàn)Smart 3D的集群生產(chǎn)。

3.2 PhotoScna空三解算、集群

Smart3D利用傾斜攝影建模的能力是很好的，但是Smart 3D的空三解算過(guò)程經(jīng)常會(huì)報(bào)錯(cuò)，在使用中常常遇到意外的情況，所以這里可以使用PhotoScan進(jìn)行空三，然后導(dǎo)出KML格式的空三文件給Smart3D進(jìn)行模型生產(chǎn)，由此便可規(guī)避Smart 3D空三常常報(bào)錯(cuò)的問(wèn)題。

PhotoScan的空三也很簡(jiǎn)單，導(dǎo)入照片然后點(diǎn)擊工作流程，點(diǎn)擊對(duì)齊照片即可，空三后導(dǎo)出相機(jī)，格式為BlocksExchange（*.xml），該格式可直接用于Smart 3D的模型生產(chǎn)。

下面主要介紹一下PhotoScan的集群方法，主要有以下三步：

第一步：在主機(jī)的PhotoScan中的工具欄-偏好設(shè)置-網(wǎng)絡(luò)中，選擇使用網(wǎng)絡(luò)，主機(jī)名填入本機(jī)的IP地址或網(wǎng)絡(luò)地址名稱(chēng)，要確保該IP地址對(duì)外可見(jiàn)，從機(jī)將通過(guò)這個(gè)地址訪問(wèn)主機(jī)；在根中輸入工程路徑，該路徑也要是網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)的路徑，不能是本地訪問(wèn)的路徑，從機(jī)將通過(guò)此路徑訪問(wèn)工程文件；再根據(jù)需求選擇細(xì)級(jí)任務(wù)分發(fā)，這里決定了從機(jī)可以完成那些任務(wù)。

第二步：由主機(jī)通過(guò)WIN+R打開(kāi)CMD命令窗，開(kāi)始構(gòu)架集群網(wǎng)絡(luò)；在命令窗中首先進(jìn)入PhotoScan軟件所在的路徑下，然后執(zhí)行命令：【photoscan--server--control IP--dispatch IP】（IP為主機(jī)設(shè)置的IP地址），再打開(kāi)PhotoScan中的Agisoft NetworkMonitor，監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)搭建情況，至此，PhotoScan集群網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建完成。

第三步，從機(jī)使用命令窗，首先進(jìn)入PhotoScan所在的目錄下，再執(zhí)行命令：【photoscan--node--dispatch IP--root根目錄】（IP為主機(jī)IP，根目錄為工程文件的網(wǎng)絡(luò)路徑），然后通過(guò)主機(jī)的監(jiān)視器，即可查看從機(jī)是否連接成功。

集群網(wǎng)絡(luò)如上構(gòu)建完成后，由主機(jī)開(kāi)啟任務(wù)，主機(jī)將自動(dòng)分發(fā)給從機(jī)協(xié)助工作，從而完成集群操作。

4 結(jié)論

本文針對(duì)如何生產(chǎn)可用于數(shù)字校園的高精度實(shí)景三維模型進(jìn)行了研究，最終得出結(jié)論，從數(shù)據(jù)采集開(kāi)始，要針對(duì)測(cè)區(qū)特點(diǎn)對(duì)航高、重疊度和航速等參數(shù)進(jìn)行把控最重要的就是POS文件的整理；再到像控點(diǎn)的布設(shè)，要做到測(cè)得準(zhǔn)和看得清，同時(shí)要做好記錄，以便于內(nèi)業(yè)刺點(diǎn)的使用；在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)，推薦使用PhotoScan跑空三加Smart3D跑模型的組合，Photo-Scan和Smart 3D互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，以實(shí)現(xiàn)模型的最好效果。