第九届中国数据库技术大会(DTCC 2018)

李程:要构建一个地理信息系统首先是离不开测绘

活动家 2017-7-5 IT互联网 1,817 0 喜欢 (0)

2017年 6月13日,由泰伯网主办、主题为“空间大数据的崛起”的WGDC2017,在北京国家会议中心盛大开幕。大会由空间信息产业创新创业服务平台泰伯主办,秉承不断引领和促进空间信息技术创新与变革的宗旨,WGDC已走过六个年头,如今成为全球最具前瞻性的跨界创新风向标。

14日,峰会上,南方测绘无人机事业部技术总监李程做了精彩演讲。以下为演讲实录(未经本人核实):

licheng

南方测绘无人机事业部技术总监李程

很荣幸由我第一个给分享一下内容。我要分享是无人机的数字城市可视化解决方案。说到时候地理信息,我们不得不说一下测绘,测绘可以说是地理信息的一个基础,测绘是将地球数字化,把地球各种数据采集回来,采集到这些数据以某种格式,某种数据或者形式传递给地理信息系统进行分析,然后人们就可以把这些数据加以利用,去决策,去导航,我们从一个陌生的城市,刚下火车之后怎么样去到目的地,这就是通过以前测绘的师傅工人把这些路网信息采集回来加以利用这些路王信息规划怎么样坐车,怎么样去理想的目的地。要构建一个地理信息系统首先是离不开测绘,我们需要从测绘的数据构建这个地理信息的保障系统。

传统的测绘数据,基本上主要就是一个地形图以及地籍图,地形图描述地面的起伏变化,地籍图把房屋信息给数字化表示出来。在传统的测绘数据里面,是多维的,地形的话以前没有办法详细描绘出来这个立体的变化,房屋也是压在这张图,只是层高表示出来。我们高考的时候地理老师教我们登高线缓的地方是山坡,我们需要费力读同这些图。现在技术的发展,我们也许可以用更立体,更具体的方式查询以及观察这种数据,这就是我们接下来给大家介绍的一些地理信息的立体系统。南方测绘也在这些方面做了一些努力,尝试把以前三维数据转化到像右图添加现实光和场景的三维场景,这个的话以后大家看地图或者是查询数据的时候,也许就不需要看平面,而是一种立体的展现,可以查询到用鼠标点击或者手势点击到这个房子的要素信息。这是我们对这个虚拟城市建设的构建的路线图,首先先说一下我们构建的素材,首先有地形数据,数字高程模型DEM以及无物数据,数字线划图DLG,还有一个影像数据,数字正射影象DOM,还有最近新起的模型数据,建筑物网格的模型,MESH。

先说一下素材怎么获取,以前使用RTK全站仪,把这些地物的要素采集回来。后面有了卫星之后就可以使用卫星获取摇杆影像,近几年人们还发现了使用无人机采集地面的低空摇杆数据就可以把拍摄监控拍摄清楚,从而检测一个网格模型。使用无人机还可以通过摄影测量一些技术手段,前几个获取手段同样的目的,可以生程数字模型,同时我们无人机事业部选择使用了无人机的方式获取全要素的地理信息的测绘数据。

首先我先简单介绍一下我们无人机在低空摄影测量的一些方法以及手段。首先要采集数据,需要有设备以及硬件,我们的硬件的话有多款无人机的系列,找到我们提供的轻办固定翼无人机,还有八旋翼无人机,还有碳纤一体多形多旋翼无人机。首先固定翼的区别,就是它飞得高,飞得快,适合于适合大面积地形采集,如果楼房这种侧面信息需要相机倾斜角度拍得清楚,需要多旋翼无人机,对地面建筑物进行一个侧面的拍摄。这就是我们所使用的光学传感器,主要就是数码相机。从民用级别的微单单反到工业级别的都可以挂载,可以多镜头,我们使用了手机QS2的相机,凉州布局,一个是镜头布局,覆盖面比较广,还有两镜头布局,机动灵活,可以两个相机实现两个方位的拍摄,就可以比较高效率把建筑物的侧面采集回来,续航更长时间。无人机还搭载了后差分模块功能,精确无人机拍摄曝光点的位置,如果不使用差分的话我们就可以有一个控制点对我们采集的影象进行一个地理信息的定位,否则软件里面没有办法被感知到照片,这张照片是具体的位置,使用后差分的模块对传统的测绘来说可以极大控制这个地面的采集点,提高这个外业的控制效率,这些采集回来的数据我们应该怎么样处理,达到我们最终想要的效果。这这里的话一个技术路线图的形式给大家展现一下,如果说原始得到的数据就是外业得到正摄影象还有一个地面控制点以及倾斜影象,我们需要一个地理测绘数据刚才我所说的四种数据。解决方案,相当于把这两个数据桥接,或者把同传连接起来,这样可以从我们从此岸到彼岸的过程。

数据处理,把固定翼拍摄的照片以及地面控制点以及倾向里面输入到空三软件里面,解算之后可以得到数据正摄影象以及数字高程模型,这是通过结算以及加密得到的,这是数字高生模型的一个效果。我们可以把这些照片拼接起来做一个正摄,得到数字正摄影像图。此外我们的空三软件得到解析之后,还有一个成果,内外方位元素,使用这些影像跟这个精确位置通过一个立体采集的模块,我们就可以得到一个数据线画图,这是摇杆里面经常所说的立体采集系统。立体采集系统使用一个Idata立体测绘系统,把地面上的一些要素采集出来,形成我们的地形图或者是地籍图。这是地形图的一个事例,构建数字城市所需要的就是这所房子,紫色的一个矩形图以及路网的信息。

最后我们使用倾向影像得到一个建筑物的数据模型,这套系统不需要很多的操作,这是我们不管配合多低只要上网打开网页,就把我们影像上传到这个云平台之后,可以跟这个模型进行承接。这解决我们一个影像平台的一个截图,这是倾斜技术最主要的应用场合,就是不规则或者是需要我们重点展示的建筑物进行倾向建模,如果一般规则的放到居民楼的话,我们不需要费那么大的代价重建,直接使用刚才我们数字线画图进行一个自动重建,大家可以看到这个网格模型拍摄到不仅仅是建筑本身,还拍摄到地面甚至是小片的区域,但是对于地理信息系统来说需要一个单体化的过程,所谓单体化就是将这个建筑物孤立出来,被这个孤立处理模型进行属性的一个赋予,需要这个模型进行单体化的裁减,使用一些加固的过程,可以把这个建筑物框选出来,单体化,单体化之后就得到了只有这个建筑物面片的模型。这个三维软件这个市面上比较多,比较成熟,这是手工精细建模,对于现实中不存在的建筑的解决方法。

我们要从外延数据怎么样得到我刚才所说的测绘数据。接下来我们有了几种测绘数据我们就要开始搭积木,把真正三维数字城市构建出来,可以看到现在我们的此岸已经变吃刚才的彼岸,我们已经有了四种数据,最终想小的就是把这些数据可视化三维的展现出来,我们提供的解决方法是四种三维的虚拟现实系统。首先一步一步来看,刚才得到的DEM地形起伏数据,三个数据规则的话可以得到网格模型,通过三角网得到一个地面网的模型,进行一个层级高低的细分,可以高效率渲染这个地形。

得到了这个三维网格只是,只是一个三角面片,没有没有一个正式纹理,用到刚才所说第二种数据,数字正射影像。形象的比喻的话,刚才的三角网相当于灯笼的古架,正射影像相当于整个灯笼的皮,就可以实现三维的场景,实现三维的浏览。单纯使用三维的场景有一个缺点,数字高程模型是地表的信息,没有建筑物的信息,也没有建筑物的测评信息,像左上角的这里一样,所有的房子、房顶都像一块布一样贴在地面上,所以我们需要用到数字信号图,这个里面有一个图程,就是把楼房边角线勾画出来,我们使用边角线查询它的道路属性数据,比如说层高,其实我们可以表达出来这栋房子三维的结构,所以说我们使用一个数据线画图的房屋图,再加上三维场景构建出来已经立体化或者一些房子的,右边这个之后不像左边这种房子房顶像一块步一样贴在地面,这是数字场景初步模型。每一栋房子都有属性信息,这种属性信息来源于数字线划图里面的一些信息结构,比如说这些线画图在我们GPS或者是立体产生影像的时候已经给它赋予了中地属性以及房屋产权的一些信息,这样的话每一栋房的都是单体化,可查询,可定位的。

还可以把我们刚才使用的一个三维的建模软件得到的一个三维模型放在这个场景里面,对它的进行一个场景的定位,这样的话就可以比较真实的反应一些场景里面的重点建筑或者是重点的要素,而且这种三维模型的话更精致,更精美。对于规划模型来说这种是必不可少的,因为现实中这一块地本来不存在这个建筑,而使用三维模型的话可以把感性的看到这个建筑在建成之后,放在这个地形里面是什么效果,是会出现什么问题,跟这个设计尺寸跟地形尺寸会不会存在什么冲突。

此外,除了地形跟建筑物的要素之外还支持植被的形式,植被在城市里面也是比较重要的要素,首先支持多种植被的显示,从灌木到参天大树,这些制备通过数字线画图的成立,我们设置了一些简单参数,比如说植被的分布,可以在这个软件里面自动生成植被的分布,三维的模型分布,右边的图就是在数字城市生成的城市园林的景观。可以在城市里面动态的模型,例如飞机、汽车以及人物,这些模型可以属于三维动画,把这个三维动画插到这个场景里面可以实现这个城市动起来的真实的可动的场景。刚才完整的技术路线我简单介绍一下,使用表距以及网格模型,建筑物的网格,逐步生成三维的模型场景里面,每一层都是按图划分,可以对这个土成进行修改以及查询,有了这个三维场景就可以对一个城市进行数字虚拟的模拟跟分析,数据的话我们不仅仅需要浏览,多角度来看更多更关注数据的应用,怎么样跟这些数据进行交互,进行互动,这里有一个案例场景,就是房地产小区曾经做过的,近处的话就是幼儿园的基础设施精心建模,对于房地产其他的楼房我们可以使用一些建模,用数字线划图生成这些简模,在比较低的成本下构建一个比较好的三维场景。现在我介绍一下数据的应用以及分析交互的功能,基于这个数据场景。首先这是一个数据的展示,除了在普通的一个电脑屏幕上我们还提供了在手机端三维浏览,VR显示技术的原理,就是把双目立体影像同步到,放到眼睛里面,透过光学眼睛,戴上眼镜就可以看到一个立体沉浸式的虚拟体验。还有偏振式立体投影,屏幕座厕偏振式的投影仪,像普通投影仪一样打到墙上,我们戴上眼睛,左右眼的影像分离,不同的影像在人的视觉里面成了立体影像,可以沉浸式是例题的。还有一个系统,在电脑屏幕上显示立体,戴上同样可以在电脑显示屏上看到这个立体,这个显示屏的技术跟投影技术区别,就是它的DPI更高,色彩更鲜艳。还有一个相对比较传统的红蓝眼镜立体,这个基本上已经淘汰了,但是为了全面的知识我们还是提供了立体的显示技术,大家可以了解一下,红蓝眼镜更多传统传统的走航测,没有这种立体主要使用红蓝这种立体显示技术。

数据应用,虚拟现实系统还可以模拟晴朗的场景,阴天的场景,黄昏的场景,实现从早上多晚上的场景,还有往上。这个显示屏的看的比较淡,上面是有星星,这个星星可以根据天文的信息得知,计算出来每一个星星的位置,然后再反应到这个场景里面,还有有了雾的效果。现在我们的城市雾霾比较严重,如果从气象局得到一个能见度,我们在这个虚拟场景里面就可以设置能见度,就可以模拟这个城市雾霾程度,可以分析出来前方多少段路会看到,及时发现这个安全隐患。这是设置的200米的可视范围,200米之外基本上就是很模范的,看到房子的效果。还有一些灾害的信息就是洪水,我们提供一个水面模型的分析,对于洪水的话可以从水位查询到实时水位,到虚拟现实里面可以模拟出来水位情况下,淹没城市面积以及水位线,动态生成的水淹线。这种酒店的选址建筑,通常是要进行一个可视化的分析,因为如果不建那个山坡上,有可能这个山坡视野不是很好,我们需要知道这个酒店别墅建在山腰上的视线范围,虚拟现实里面我们提供一种方法,拉一条多变线,就可以一个图分析出来,我们在这个点上,右边这个点上,它看到其他点可视化,绿色就是可视,红色就是看不见,可以有效选址酒店的布局跟地点。高程的伪彩渲染,在地形里面用的比较多,测绘里面使用颜色判断高低起伏,对于一些规划以及设计,就可以有效规避高损的地方。

同时我们还支持太阳能实时光照渲染,生成地面的阴影,这种就是城市的阴影计算,右图是森林的阴影计算,我们这套系统不只是城市,同时我们还可以模拟森林、园林等等各种各样的地形。这是我今天给大家带来的内容,感谢大家。

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