曾俊煌，陳舜順，劉 磊，王 帥

（1.航天工程大學(xué) 航天指揮學(xué)院，北京 100000；2.航天工程大學(xué) 航天信息學(xué)院，北京 100000）

傳統(tǒng)智慧校園所用三維模型的構(gòu)建多是基于CAD、3DMAX等工具進(jìn)行紋理采集與人工建模，模型制作工作量大、成果周期長(zhǎng)且建筑細(xì)節(jié)少。近幾年隨著無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)采集的影像與建模成果質(zhì)量顯著提高，但無人機(jī)無法獲取建筑內(nèi)部信息，且存在地物遮擋導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失或建模錯(cuò)誤等情況，三維場(chǎng)景中部分空間信息無法準(zhǔn)確呈現(xiàn)，仍需基于傳統(tǒng)全站儀等工程測(cè)量方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與成果制作。

本文采取無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量與背負(fù)式激光雷達(dá)相結(jié)合方式快速獲取航天工程大學(xué)校園場(chǎng)景的三維點(diǎn)云，進(jìn)行點(diǎn)云融合處理，構(gòu)建完整、高精度的三維模型。在校園三維模型基礎(chǔ)上，基于WebGIS開發(fā)三維智慧校園系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)B/S框架的輕量級(jí)三維系統(tǒng)開發(fā)，為三維智慧校園建設(shè)提供一種可行的Web開發(fā)方法[1]。

1 校園多源點(diǎn)云的采集與處理

相較傳統(tǒng)三維建模，應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)構(gòu)建的三維模型細(xì)節(jié)豐富、紋理逼真，且具有較高的位置和屬性精度，大幅降低三維建模成本并有效提高模型生產(chǎn)效率，如今已成為城市三維實(shí)景建模的主流趨勢(shì)[2]。利用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量采集數(shù)據(jù)的流程主要包括：申請(qǐng)空域、航線規(guī)劃、像控點(diǎn)布設(shè)、影像采集及數(shù)據(jù)下載。本文利用DJI智圖對(duì)獲取的3 000多張傾斜攝影相片進(jìn)行三維重建，最終獲得LAS格式三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

采用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量獲取校區(qū)范圍內(nèi)三維點(diǎn)云后，由于地物遮擋，室外部分區(qū)域存在數(shù)據(jù)缺失，且樓宇內(nèi)部數(shù)據(jù)無法通過無人機(jī)獲取，因此本文使用LiBackpack DGC50背包激光雷達(dá)進(jìn)行室外地面點(diǎn)云以及部分建筑內(nèi)部點(diǎn)云獲取。背負(fù)式激光雷達(dá)可提供高密度、高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，基于激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的室內(nèi)三維建模，能大大提高室內(nèi)物體三維建模的效率和精度[3]。采用背負(fù)式激光雷達(dá)獲取點(diǎn)云的基本步驟包括：基站架設(shè)、設(shè)備初始化、開始掃描、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)導(dǎo)出。數(shù)據(jù)獲取結(jié)束后，本文利用LiFuser-BP對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行解算、配準(zhǔn)及去噪處理，以獲得真實(shí)準(zhǔn)確的地物點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

基于無人機(jī)與激光雷達(dá)獲取多源點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，本文使用CloudCompare融合2種點(diǎn)云數(shù)據(jù)并輸出OSGB模型。點(diǎn)云融合的基本步驟包括：指定參考點(diǎn)云、配準(zhǔn)點(diǎn)云、選取同名點(diǎn)及配準(zhǔn)融合。融合后生成的點(diǎn)云完善了無人機(jī)傾斜攝影無法獲取的區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最終得到完整的、可進(jìn)入的校園三維模型。

2 基于WebGIS的智慧校園設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 WebGIS技術(shù)

WebGIS是基于客戶端應(yīng)用軟件及Internet，采用Internet Protocol運(yùn)行于萬維網(wǎng)上的空間信息系統(tǒng)，其核心是在空間信息系統(tǒng)中加載了HTTP與TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用體系，從而實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的空間數(shù)據(jù)管理、空間信息處理等地理信息系統(tǒng)功能[4]。WebGIS為三維智慧校園建設(shè)提供可靠的技術(shù)支持，與社會(huì)發(fā)展相匹配，助力高校智慧管理水平提升。

2.2 系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)關(guān)系用戶對(duì)系統(tǒng)的體驗(yàn)與評(píng)價(jià)[5]，參考多種智慧校園主界面設(shè)置，系統(tǒng)最終采用圖文結(jié)合、主次分明、模塊化的界面設(shè)計(jì)方式，便于用戶快速了解系統(tǒng)功能及使用方式。系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)了5個(gè)視圖區(qū)域，分為標(biāo)題模塊、功能模塊、信息展示模塊、圖表模塊及主窗體。標(biāo)題模塊顯示系統(tǒng)中英文名稱。功能模塊包括校園概覽、校園場(chǎng)景、三維功能及3個(gè)綜合應(yīng)用案例的選擇，點(diǎn)選功能后系統(tǒng)將打開并跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)子界面。校園瀏覽選項(xiàng)以可視化統(tǒng)計(jì)圖表及具體數(shù)據(jù)顯示校園各類信息；校園場(chǎng)景選項(xiàng)實(shí)現(xiàn)了通過按鍵控制相機(jī)位置及視角進(jìn)行三維場(chǎng)景漫游；三維功能選項(xiàng)包含建設(shè)規(guī)劃、施工設(shè)計(jì)常用的量算、添加小品及場(chǎng)景渲染等空間分析功能；3個(gè)綜合案例則是結(jié)合校園實(shí)際需求，針對(duì)性設(shè)計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)景。主窗體是校園所在區(qū)域二維地圖與校園三維模型的載體，點(diǎn)擊左上角選項(xiàng)欄可實(shí)現(xiàn)二三維場(chǎng)景切換，豐富用戶對(duì)校園場(chǎng)景的直觀印象。

2.3 智慧校園系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

航天工程大學(xué)智慧校園系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)是輔助校園建設(shè)規(guī)劃及便利校園維護(hù)管理，本文基于WebGIS及Echarts等第三方庫實(shí)現(xiàn)校園信息可視化及多種空間分析功能。航天工程大學(xué)智慧校園系統(tǒng)采用B/S框架，至下而上分為應(yīng)用層、管理層和數(shù)據(jù)層，應(yīng)用層根據(jù)校園建設(shè)規(guī)劃、維護(hù)管理等需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括安防監(jiān)控、輔助規(guī)劃、疫情防控等應(yīng)用案例；管理層則是基于SuperMap iServer進(jìn)行三維服務(wù)及數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布與管理；數(shù)據(jù)層選用各類二維數(shù)據(jù)庫、三維模型數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫與管理層進(jìn)行訪問，結(jié)合UI界面進(jìn)行系統(tǒng)交互應(yīng)用。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

依據(jù)校園建設(shè)規(guī)劃、維護(hù)管理等需求，系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)中規(guī)劃校園信息概覽、校園三維場(chǎng)景展示、三維功能、監(jiān)控分析、輔助規(guī)劃及疫情防控。三維功能主要包括量算、添加小品、繪制線面、場(chǎng)景渲染、設(shè)置飛行線路和觀察點(diǎn)等。監(jiān)控分析功能綜合可視域分析及視頻紋理疊加，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控視頻與三維場(chǎng)景匹配融合。輔助規(guī)劃基于天際線分析、通視分析、陰影分析等功能，滿足樓宇建設(shè)初期定高、選址，評(píng)估新建樓宇采光情況等實(shí)際需求。疫情防控應(yīng)用在傾斜攝影單體化查詢中引入知識(shí)圖譜，實(shí)現(xiàn)二三維數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)。系統(tǒng)功能模塊如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能模塊

2.4 智慧校園系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本文通過SuperMap iServer將前期構(gòu)建的三維場(chǎng)景發(fā)布為三維服務(wù)及數(shù)據(jù)服務(wù)，基于SuperMap iPortal進(jìn)行B/S端智慧校園系統(tǒng)開發(fā)。iPortal集成整合地理數(shù)據(jù)服務(wù)、二進(jìn)制文件、視頻流信息和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫等信息，為系統(tǒng)構(gòu)建提供數(shù)據(jù)及服務(wù)。系統(tǒng)主界面UI基于CSS框架構(gòu)建，引入ECharts圖表實(shí)現(xiàn)校園信息可視化，子界面UI基于iEarth及iPortal設(shè)計(jì)，引入其豐富三維功能。系統(tǒng)基于SuperMap iClient for JavaScript開發(fā)工具包設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用案例，該工具包集成了Cesium庫及JQuery框架，便于進(jìn)行WebGIS前端開發(fā)。系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)流程圖

3 智慧校園系統(tǒng)的綜合應(yīng)用

3.1 校園監(jiān)控安防應(yīng)用

針對(duì)校園安防監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)劃需求，系統(tǒng)利用Viewshed3D接口實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)z像頭可視區(qū)域分析，通過合理調(diào)整方向、距離及視場(chǎng)角等參數(shù)，可模擬監(jiān)控可監(jiān)視及不可監(jiān)視范圍，并以可視化圖表展示分析效果，為合理規(guī)劃監(jiān)控投放提供依據(jù)。

為實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控所示區(qū)域在校園真實(shí)場(chǎng)景中直觀對(duì)應(yīng)，系統(tǒng)基于ProjectionImage接口將指定AVI視頻文件或RTSP視頻流疊加在三維場(chǎng)景中，模擬視頻中事件發(fā)生的真實(shí)情景，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控信息與三維場(chǎng)景融合。

3.2 校園建設(shè)規(guī)劃應(yīng)用

針對(duì)校園新建樓宇施工設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)地考察要求較高，規(guī)劃分析過程繁瑣復(fù)雜等問題，系統(tǒng)結(jié)合天際線分析、陰影分析、通視分析和剖面分析等功能，依托所建三維模型具有高精度真實(shí)地理信息的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在B/S端進(jìn)行簡(jiǎn)便的校園空間規(guī)劃，節(jié)省人力物力。

天際線分析功能基于SkyLine接口實(shí)現(xiàn)，可依據(jù)當(dāng)前視角顯示建筑物天際線，確定新建樓宇最大高度以確保不破壞當(dāng)前視角天際線；陰影分析功能基于ShadowQuery接口實(shí)現(xiàn)，可獲取空間某點(diǎn)一天內(nèi)受光照率，也可模擬不同時(shí)段日照效果，直觀展現(xiàn)建筑陰影遮擋情況；通視分析功能基于SightLine接口實(shí)現(xiàn)，可判斷三維場(chǎng)景中任意兩點(diǎn)之間的通視情況；剖面分析功能基于Facade接口實(shí)現(xiàn)，可生成選定建筑的立面圖，反映建筑的外觀與體型、門窗的形式與位置、墻體的材料及裝修做法等，為新建樓宇外觀設(shè)計(jì)及內(nèi)部設(shè)置提供依據(jù)，確保建筑美觀且與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)。

3.3 校園疫情防控應(yīng)用

為校園落實(shí)防疫要求、實(shí)行疫情管控服務(wù)，系統(tǒng)結(jié)合傾斜攝影單體化查詢與數(shù)據(jù)可視化實(shí)現(xiàn)疫情信息查詢與人員定位追蹤，實(shí)現(xiàn)疫情精細(xì)化防控。

系統(tǒng)利用SuperMap iDesktop中的緩沖區(qū)分析及線性拉伸功能將疫情相關(guān)數(shù)據(jù)集實(shí)體化為S3M圖層，實(shí)現(xiàn)三維柱狀圖疊加至校園場(chǎng)景中，以增強(qiáng)可視化效果；對(duì)校園傾斜攝影模型構(gòu)建矢量面數(shù)據(jù)集并進(jìn)行單體化操作，錄入相關(guān)疫情數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)在B/S端點(diǎn)選查詢建筑疫情相關(guān)信息；引入知識(shí)圖譜，關(guān)聯(lián)圖譜節(jié)點(diǎn)信息與傾斜攝影模型建筑信息，實(shí)現(xiàn)查詢節(jié)點(diǎn)信息同時(shí)移動(dòng)相機(jī)位置，定位到指定人員住所，實(shí)現(xiàn)二三維聯(lián)動(dòng)及一體化功能，達(dá)到“一張圖”集成體系平臺(tái)效果[6]。

4 結(jié)束語

基于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量獲取的校園三維模型，由于地物遮擋，室外部分區(qū)域存在數(shù)據(jù)缺失，且室內(nèi)數(shù)據(jù)無法通過無人機(jī)獲取，本文將基于無人機(jī)與背負(fù)式激光雷達(dá)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，最終建立完整的、高精度的三維校園場(chǎng)景模型。依據(jù)校園建設(shè)規(guī)劃、日常管理等需求，本文基于WebGIS及Echarts等第三方庫實(shí)現(xiàn)了校園信息概覽、校園三維場(chǎng)景漫游與多種三維功能等，并基于現(xiàn)實(shí)需求設(shè)計(jì)了校園監(jiān)控安防、校園建設(shè)規(guī)劃、校園疫情防控3個(gè)應(yīng)用案例，實(shí)現(xiàn)輕量化部署的B/S框架系統(tǒng)開發(fā)，有效提升大學(xué)智慧管理水平。