背景
隨著傾斜攝影技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)在市場(chǎng)上傾斜攝影航攝數(shù)據(jù)處理和三維模型等成果生產(chǎn)軟件多種多樣各有特點(diǎn)，如何制定一個(gè)大家認(rèn)同且合理的標(biāo)準(zhǔn)是值得大家討論和深思的問(wèn)題。在全國(guó)傾斜攝影聯(lián)盟主辦的傾斜攝影微課堂泰瑞專(zhuān)題課程中，泰瑞CTO黃棟博士以議題的形式，針對(duì)“傾斜攝影航攝數(shù)據(jù)處理和三維模型等成果生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)制定”進(jìn)行了研討。
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泰瑞CTO黃棟博士，于德國(guó)卡爾斯魯厄大學(xué)獲得計(jì)算機(jī)博士學(xué)位。北京航空航天大學(xué)軟件學(xué)院特聘教授。曾在西門(mén)子公司通訊安全研究中心(SiemensCorporateResearch)工作,從事信息系統(tǒng)集成和通訊系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作。專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域包括移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和基于位置服務(wù)應(yīng)用研發(fā)和設(shè)計(jì)，SCADA和智慧工廠(chǎng)，GIS系統(tǒng)以及智慧城市系統(tǒng)等。目前工作和研究重點(diǎn)為實(shí)景三維數(shù)據(jù)處理和GIS應(yīng)用，計(jì)算機(jī)視覺(jué)和人工智能等技術(shù)在地理信息行業(yè)的應(yīng)用等領(lǐng)域。
課程開(kāi)始
議題一
使用像控點(diǎn)進(jìn)行空三時(shí)需要進(jìn)行像控點(diǎn)刺點(diǎn)，傾斜鏡頭拍攝的航片像控點(diǎn)標(biāo)志變形較大，如何能準(zhǔn)確地確定哪個(gè)像素點(diǎn)是準(zhǔn)確的像控點(diǎn)？(不同角度時(shí)？)
這個(gè)問(wèn)題，可以從兩個(gè)層面進(jìn)行界定。一方面，在外業(yè)層面，建議在航飛之前做外業(yè)控制點(diǎn)的標(biāo)志點(diǎn)，為避免傾斜鏡頭拍攝的航片像控點(diǎn)標(biāo)志變形，選擇白色（紅色）油漆畫(huà)十字形標(biāo)志，并且在航飛之前試飛幾張片子，觀(guān)察十字標(biāo)志是否能在照片中辨別。這樣即便在傾斜片子上也能正確辨識(shí)十字交叉點(diǎn)且準(zhǔn)確刺點(diǎn)。
另外一方面，在內(nèi)業(yè)處理層面，盡可能做到智能化，提供輔助決策支持?，F(xiàn)在PhotoMesh能夠準(zhǔn)確地預(yù)判像控點(diǎn)點(diǎn)位信息，為刺點(diǎn)提供輔助支持，減少人為誤差。針對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)，當(dāng)每個(gè)控制點(diǎn)刺完第二張片子后，軟件能根據(jù)三角測(cè)量方程計(jì)算一個(gè)預(yù)判的點(diǎn)位范圍，當(dāng)刺第三張片子時(shí)，軟件可以自動(dòng)計(jì)算出預(yù)判點(diǎn)，并且軟件增加了采樣誤差和點(diǎn)位圖例，讓整個(gè)內(nèi)業(yè)工作都能做的完全可視化、精準(zhǔn)化。
議題二
空三運(yùn)算質(zhì)量指標(biāo)包括：是否丟片，丟的是否合理，連接點(diǎn)是否正確，是否分層、斷層、錯(cuò)位，檢查點(diǎn)誤差、像控點(diǎn)殘差、連接點(diǎn)誤差是否在限差以?xún)?nèi)。那么空三是否要輸出外方位元素標(biāo)偏差？為什么？
空三確實(shí)是很多問(wèn)題的核心，對(duì)于高精度的測(cè)繪項(xiàng)目，仍需要輸出外方位元素標(biāo)偏差作為參考指標(biāo)，大型航攝儀的參考意義更明顯?？杖Ｒ?guī)的精度指標(biāo)只能表現(xiàn)整體的精度范圍，卻不能看到局部的精度問(wèn)題，因此外方位元素標(biāo)偏差更能全面地表現(xiàn)。
其實(shí)在生產(chǎn)過(guò)程中，除了外方位元素標(biāo)偏差之外，PhotoMesh還提供了一個(gè)可視化的空三前后姿態(tài)展示對(duì)比界面，可以直觀(guān)地表現(xiàn)計(jì)算前后誤差，方便判定成果質(zhì)量。
議題三
現(xiàn)行規(guī)范三維建模流程、步驟、要求是針對(duì)傳統(tǒng)手工三維建模來(lái)制定，而現(xiàn)在的真三維建模大多采用自動(dòng)化建模來(lái)完成。針對(duì)自動(dòng)化真三維建模技術(shù)該如何制定其流程、步驟及要求？
傳統(tǒng)手工建模，其實(shí)從數(shù)據(jù)采集階段到建模都有相應(yīng)的規(guī)范要求，包括如何拍照采集、如何命名紋理（及模型）、如何界定構(gòu)建模型的粒度等方面都做出了規(guī)范和約定。對(duì)于傾斜攝影實(shí)景三維建模，數(shù)據(jù)獲取的標(biāo)準(zhǔn)，從建模流程上來(lái)說(shuō)，基本上都會(huì)分為空三和建模兩大塊，各家軟件都有自己的處理流程，也有各自輸出的數(shù)據(jù)格式。目前關(guān)于數(shù)據(jù)處理的流程和步驟的規(guī)定意義不大，但是對(duì)輸出數(shù)據(jù)的格式和精度可以有一個(gè)要求，譬如說(shuō)空三解算階段，空三完成后，需要檢測(cè)空三精度、內(nèi)外方位元素偏差，確定無(wú)問(wèn)題后再進(jìn)入建模階段。點(diǎn)云階段完成后，可以不打斷工程，邊建模邊檢查。Mesh階段、一般紋理映射階段是需要細(xì)致檢查的，看有無(wú)紋理扭曲、錯(cuò)帖。最后再對(duì)輸出成果的精度做檢測(cè)，包括絕對(duì)精度和相對(duì)精度。絕對(duì)精度可以根據(jù)不同的比例尺或分辨率來(lái)做規(guī)范，相對(duì)精度定義比較簡(jiǎn)單。還有輸出成果的類(lèi)型，現(xiàn)在可以輸出模型成果和柵格成果，PhotoMesh目前還可以輸出DTM。整個(gè)流程的規(guī)范就完整了。
關(guān)于三維模型數(shù)據(jù)格式的規(guī)定以及相對(duì)精度具體該如何測(cè)定的問(wèn)題，因?yàn)閮A斜攝影數(shù)據(jù)成果形式是一個(gè)多層級(jí)的LOD結(jié)構(gòu)，目前各種軟件的輸出分層規(guī)則和結(jié)構(gòu)差異比較大，為后處理編輯和建庫(kù)帶來(lái)一定的障礙，比如PhotoMesh和CC的LOD就有很大不同?？梢宰鲆恍┍匾募s定，方便成果的兼容和共享。格式可以規(guī)定成一種行業(yè)通用格式OSGB或OBJ，但通用的格式也會(huì)損失效率上的優(yōu)勢(shì)。
三維模型的格式，可以根據(jù)后續(xù)應(yīng)用的不同而不同。比如基于WEBGL的Cesium瓦片，或者是用于后期修補(bǔ)的obj?，F(xiàn)在基本上都會(huì)輸出“通用”的OSGB，因?yàn)镺SGB格式本身開(kāi)放的特點(diǎn)，各家都發(fā)揮想象力和創(chuàng)新能力，做了很多格式數(shù)據(jù)組織上的“優(yōu)化”，這些“優(yōu)化”導(dǎo)致了問(wèn)題，這個(gè)約定是必須的，但是很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楦髌脚_(tái)廠(chǎng)商都有自己的出發(fā)點(diǎn)，很難破局，最后出現(xiàn)的可能就是一個(gè)“通用”的轉(zhuǎn)換工具。
議題四
不考慮硬件方面該如何提高三維模型的精度？如：提高影像匹配的可靠性和精度。
提高影像匹配的可靠性，首先得提高影像的質(zhì)量，包括避免大量的遮擋，陰影，反光物體等等，減少分辨率尺度變化大的照片一起參與匹配計(jì)算。
提高影像匹配的可靠性及空三構(gòu)網(wǎng)的強(qiáng)度一般有三個(gè)要求：1.影像的質(zhì)量要求盡量減少云霧等遮擋覆蓋。2.影像采集的時(shí)間最好減少鏡頭反光和地物陰影。3.減少大面積紋理的一致性，譬如大面積的水域參與空三運(yùn)算有可能造成空三精度降低，如果水面區(qū)域不是重要的部分，可以前期去除水域部分的影像進(jìn)行空三。
關(guān)于遇到大面積水域的問(wèn)題，去掉水域再建模是最有效的，除非水上有什么特殊設(shè)施。如果不是面積特別大的、連續(xù)的水域，如內(nèi)湖，PhotoMesh是可以自己處理的，因?yàn)檐浖訌?qiáng)了對(duì)高反光物體和水體的特殊算法，比如在處理南極冰川數(shù)據(jù)的時(shí)候，就能把冰原很好地建出來(lái)。大型湖泊河流即使無(wú)法處理，后續(xù)也可通過(guò)軟件的補(bǔ)水工具自動(dòng)處理，或者導(dǎo)出ply修補(bǔ)。
關(guān)于樓底部及房檐遮擋拉花變形的問(wèn)題，由于航拍角度及遮擋造成的拉花屬于傾斜攝影中不可避免的問(wèn)題，屬于原理性問(wèn)題，是正常現(xiàn)象。那么該如何界定？思路如下：在模型瀏覽軟件中參照航拍角度固定瀏覽視角，同時(shí)拉到與實(shí)際分辨率相符的高度去查看模型，看不出明顯的變形、拉花即可判定為合格，反之即為不合格。
此外，針對(duì)建筑底層拉花變形的問(wèn)題，可以使用移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在地面上采集點(diǎn)云、影像信息來(lái)解決。PhotoMesh已經(jīng)集成了這個(gè)功能，可以使用移動(dòng)采集的方式補(bǔ)充紋理數(shù)據(jù)，其關(guān)鍵是不同數(shù)據(jù)間的同名點(diǎn)匹配。
議題五
空三分塊跑后融合，考慮到重疊部分模型會(huì)效率降低。分塊之間重疊多少條航線(xiàn)比較合適，既能保證模型的質(zhì)量，又能減少重疊部分的模型的效率降低?
不同空三分區(qū)要在自身建模范圍基礎(chǔ)上選取其他分塊影像進(jìn)行外擴(kuò)，外擴(kuò)的航線(xiàn)數(shù)還是要最大可能地保證模型的質(zhì)量，外擴(kuò)的距離可以參考外擴(kuò)公式，一般按照國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的傾斜相機(jī)來(lái)看，外擴(kuò)3-5條航線(xiàn)即可滿(mǎn)足要求，在PhotoMesh里，因?yàn)檐浖旧硎亲詣?dòng)分塊的，不需要人為地考慮空三分塊的冗余，人工工作量不大。
議題六
由于計(jì)算機(jī)性能問(wèn)題，大范圍空三需要分塊跑，分塊跑后要不要融合？
按照傳統(tǒng)測(cè)繪，大范圍生產(chǎn)分塊需要進(jìn)行空三分塊，分塊間允許接邊誤差，那么傾斜這塊同樣可參照此實(shí)施。如果不同空三分塊有較規(guī)范的控制點(diǎn)去控制分塊精度，不同分塊均能達(dá)到測(cè)繪精度要求。同時(shí)接邊誤差一般在10-30厘米，此區(qū)間視覺(jué)上沒(méi)有明顯誤差。不同空三塊是不需要融合的，如果沒(méi)有控制點(diǎn)或者單獨(dú)分塊精度不足則需要進(jìn)行分塊融合，在PhotoMesh里目前可以自動(dòng)空三分塊，自動(dòng)進(jìn)行分塊拼接，對(duì)于單任務(wù)數(shù)據(jù)量的承載量理論上沒(méi)有上限，關(guān)鍵是看計(jì)算機(jī)的性能，實(shí)際的生產(chǎn)案例中已經(jīng)有了單工程18萬(wàn)張影像單張3600萬(wàn)像素，總數(shù)據(jù)量6480GP的項(xiàng)目案例，空三自動(dòng)并行計(jì)算已經(jīng)是大規(guī)模傾斜項(xiàng)目生產(chǎn)的剛性需求。
議題七
關(guān)于空三分塊方面，按照目前計(jì)算機(jī)的性能，最大能融合多大的數(shù)據(jù)量？范圍大時(shí)，即使空三合并，無(wú)法融合成一個(gè)空三，那不融合的分塊之間重疊多少合適？
按照目前的性能，有姿態(tài)數(shù)據(jù)和無(wú)姿態(tài)數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)量是不同的，PhotoMesh空三融合也是自動(dòng)的過(guò)程，無(wú)需人工干預(yù)，根據(jù)算法約束，對(duì)于軟件自身空三分塊機(jī)制來(lái)講，不同分塊之間重疊度約為10%。
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