三維地圖:精雕細琢還原真實世界

2021-01-18 GIS前沿

每逢年過節回家總有長輩問:

「你現在的工作是做什麼的呢?」

筆者總是開玩笑說:

「『搞基建的』

如『蓋』房、『鋪』路、『架』橋、「種」樹等等呀。」

沒錯

說起「搞基建」我們絕對是認真的

但是!

我們不費一磚一瓦

只需一臺電腦

就能打造一片「真實」的天地

講到這裡,必須先介紹下3D技術。舉個例子,相信大家對導航並不陌生,導航中的三維地圖場景裡可以看到各種摩天高樓,縱橫交錯的大街小巷和各種花草樹木等地理要素,這就是將現實場景克隆到虛擬世界中,讓人足不出戶就能感知真實世界。

來來來

下面就讓筆者帶大家看看

我們是如何「蓋」房、「鋪」路、「架」橋、「種」樹

打造新天地的吧!

2000年,原國家測繪地理信息局提出構建「數字中國」的宏偉目標,數字城市地理空間框架作為其中的重要組成部分,為城市建設、管理、政府決策提供支撐,為日常生活和出行提供更多便利。國家政策為突破技術壁壘,使三維技術真正走向大眾提供了有力支撐。

如今,「飛入尋常百姓家」的三維技術對現實世界的虛擬化、智慧化、可視化模擬,摒棄了二維空間體驗差,識圖難等缺點,「三維場景+影像」通過還原真實世界,讓人們能夠身臨其境,體驗更加直觀,為政府決策提供了科學的依據。

傳統的三維生產工藝需要大量的人工參與,生產周期長,時效低,同時三維精細化過程需人眼在立體軟體上進行判讀採集,導致三維模型無論是在平面精度還是在高程精度上都大打折扣;牆體紋理的體現均需野外採集照片來提煉貼圖素材,耗時費力,真實感缺失。這時,傾斜攝影測量技術的發展解決了這些問題。

傾斜攝影作為一種可同時從一個垂直、四個傾斜等五個不同角度採集影像的新技術,為傳統三維生產提供了推陳出新的效果。該技術集成先進的定位、融合、建模等功能,不僅豐富了構建物和地理場景的立體效果,在紋理解析度與立體精度上更是有了量變到質變的飛躍。

傾斜攝影獲取的原始數據是三維建模新工藝推陳出新的加工廠。

如何獲取優質的傾斜攝影原始數據講究「天時地利人和」三大因素:合理的相控點布控、晴朗的航飛天氣以及拍攝人員豐富的無人機操作經驗。完美結合三大因素的傾斜攝影數據可以避免光影斑駁,地形變形少,數據缺失等問題,減少了後期工作的難度。

讓筆者帶大家推開這四扇「大門」,一起來看看三維地圖誕生的關鍵技術吧。

由於傾斜攝影進行數據獲取時對地物的側面和底面,構建物高的地方、水面和有遮擋的地面捕捉能力差,導致了數據缺失、紋理拉撕,光影斑駁,使得整個場景數據的利用率並不會太理想,需要重新對場景進行局部「修葺」,這個過程就是OBJ場景精編和修飾,包括地表、道路、水面等地理要素。

與傳統三維生產工藝不同的是,傳統的三維場景重構採用的方法是將DEM精編和DOM修飾分別加工後再綜合進行生產,而傾斜攝影技術採集到的OBJ數據可以做到DEM和DOM的精編和修飾同時進行,降低了工藝難度,提高了生產效率。

傾斜攝影獲取的構建物是與場景融合在一起的,靠近地面的數據會有所缺失,且結構變形,紋理拉撕,無法完整表現一個構建物。為了得到完整的構建物,需要先對場景中的模型進行單體化後再進行紋理映射得到粗模,該過程的數據只是一個半成品,它會有紋理的缺失、失真,在結構上如簷廊、雕梁畫柱、陽臺等結構都無法體現,因此還需通過3DMAX和PS軟體進行精細化加工,無論在紋理上還是在平面、高程精度上都與現實中構建物呈現近乎100%的相似度。這樣,一個精雕細琢的產品就誕生了。


此小品非彼 「小品」,它是三維建模技術的術語,代表在三維場景裡面呈現的凳子、公交牌、路燈、廣告牌、體育器材,雕像、橋梁等在人類活動中起到一定輔助作用的設施。這些小品的相對體積小,導致獲取的傾斜攝影數據利用率非常低,基本都是「缺肢少膀」,不能利用。對於這部分數據的有效利用還需要通過野外獲取的照片,根據場景重新還原構建。

此工藝是整幅地圖的點睛之筆,是在對整個OBJ場景、構建物和小品進行「整容」後,根據現實情況種上「植被」,使場景更加真實,更能引人入勝。由於傾斜攝影獲取的植被無法有效利用,多為「殘枝敗柳」,且紋理嚴重拉撕,無法滿足使用要求,這個時候我們的技術人員就要出動啦。通常採用的方式是根據外業照片和實際地形進行栽種,儘量還原原貌。

推開了這四扇「大門」

將各個步驟的成果整合到一起

一個精雕細琢的三維模型也擺在了大家眼前

說到這裡

大家覺得我們說的

「蓋」房、「鋪」路、「架」橋、「種」樹

是不是正像「基建工程」呢?


文 | 李興珍 馬澤

轉載於  | 廣東省國土資源測繪院

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