基于DMI的实景三维空间技术及应用.doc

基于DMI的实景三维空间技术及应用刘守军（立得空间信息技术有限公司，湖北 武汉 430079）摘要：本文详细的讨论了虚拟三维和实景三维的区别以及实景三维在行业应用中的优势，为了进一步扩展实景三维在各个行业的应用范围，提出了一种基于移动测量系统采集的可量测实景影像的三维虚拟技术。该技术支持把虚拟对象放置于实景三维环境中，能够为各种虚拟演练、模拟布景、行动预案、城市规划等应用提供更好的可视化应用平台。关键词：实景三维；可量测实景影像（DMI：Digital Measurable Image）；移动测量系统(MMS:Mobile Mapping System) 1 前言移动测量系统（MMS：Mobile Mapping System）代表着当今世界最尖端的测绘科技，它可以以100公里/小时以上的速度完成360道路GIS数据的采集。与传统测绘方式不同的是，它输出的数据成果既有矢量数据、属性数据，还有连续的可量测实景影像库（DMI：Digital Measurable Image），影像库中的影像由于带有绝对方位元素，因此可以实现影像中任意地物的绝对测量和相对测量，绝对测量的精度可达0.5米，相对测量精度达到厘米级。除纪录了地物的属性外，MMS还完整地纪录了摄影时刻测区的环境信息以及经济、社会、人文等信息，这种真实反映地球物理状况和人类活动环境的数据，可形象地称之为“真图”（Turemap）。近年来，随着计算机虚拟现实技术的发展，虚拟三维城市的应用也在各个行业中发展起来。由于虚拟三维GIS数据的生产效率低、费用高、现势性差等问题，其推广应用受到了极大的限制，急需在三维GIS的应用模式上进行有意义的探讨。由于DMI的每张图片的每个象素坐标都与空间地理位置相关联，“真图”数据平台实际上提供了一个真实的三维空间环境，即实景三维环境。那么能否开发一种技术，结合计算机虚拟现实技术，把虚拟的模型对象放置在这个实景三维空间中，为城市规划、虚拟演练等应用提供一种全新的应用模式？答案是肯定的，它就是面向DMI的三维空间技术（DMI-Oriented Virtual 3D）。本文将对这种技术进行详细的介绍，并探讨一些行业应用模式。2 DMI实景三维空间可量测实景影像（Digital Measurable Image，简称DMI）是一种以地面近景摄影测量立体影像文件及其外方位元素构成的基础地理信息产品，通过可量测实景影像提供的开发包可直接对立体影像进行测量、信息提取并与其他基础地理信息产品集成，是我国基础地理信息数据库为适应按需测绘采集更新空间信息的一种基础地理信息产品。可量测实景影像主要由立体影像对、外方位元素描述文件和开发包组成。可量测实景影像可通过移动测量系统采集得到，并可以通过开发包与4D产品无缝集成，是对我国4D基础地理信息产品进行有效补充的一种重要产品。基于近景摄影测量原理，一对DMI立体像对记录了摄影范围内空间对象的三维立体空间，通过摄影测量交会计算，可以获取目标地物的空间三维坐标、物理尺寸。图1是空间交会测量的效果示意图。左片点同名点4399012 . 83839470395 .78915 .5914399014 . 50039470400 .55715 .6215.038m5.038m核 线7.010m4399038 . 54339470387 .38123 .2344399042 . 49239470387 .55816 .045图1：DMI可量测特性示意移动测量系统可以以道路巡航的方式高密度的采集城市的连续可量测影像，在车辆高速行进过程中，能够以5米的间隔就采集一次覆盖360度范围的影像。通过沿城市道路进行地毯式扫描，可以建立城市的海量DMI立体影像库。该影像库实际上全方位的记录了城市的真实环境和三维空间尺寸，从而构成了如图2示意的城市实景三维空间。图2：实景三维空间示意3 虚拟三维与实景三维由于虚拟三维技术对大范围的场景再现和通视分析等应用有不可替代的作用，该技术在GIS领域获得了广泛的应用。如虚拟三维技术在城市反恐、城市规划、通讯基站选址等应用中能提供强有力的支持。三维GIS是GIS的一个重要发展方向，并且在一定的程度上增强了地理信息的可视性。但是虚拟三维并没有解决用户对地理空间真实可视的要求。三维模型在制作过程中，不得不去掉大量的社会环境因素（如臭水沟、人文数据等等），其模型纹理最多只能保证20%的真实性，同时由于对象的空间位置尺寸获取过程中有人为误差存在，不能保证与现实世界完全吻合。因此虚拟三维永远是虚拟的，与现实世界有着巨大的差异。虚拟三维的这些问题，无法满足某些用户对地理空间的需求。例如虚拟三维不可能对行道树的状态作真实的再现，满足不了园林部门对这些绿化资产的管理。另外，虚拟三维数据制作的成本极高，更新周期很长，很难保证数据的现势性，数据的使用性价比不高。图3是一个典型的城市虚拟三维场景。图3：城市虚拟三维场景研究表明：由于人脑比特率低，因此，很难在短时间内记住七条以上的数据。但是人脑却具有极高的分辨率，如果将信息排列在一个相互可以被识别的模型内，例如：人类的脸或地球，人脑则能够同时吸收成千上万条信息。“数字地球”正是基于这样一个道理，成为人类信息的载体。Google和微软也是基于这一点，开发了基于影像的“数字地球”软件，并为全球提供这项服务。实景图像成为弥补GIS可视化信息不足的极好手段。美国国家地理空间情报局（ NGA）认为，一幅图像胜过千言万语，唯有图像的方式才能做到赋予领导者敏锐的洞察力。由MMS采集的DMI影像库构成的“真图”地理数据平台提供了完全实景可视化的环境数据，真正满足了把城市装进了电脑的需求。以这种方式为各行业建立的“真图”地理数据平台，还可以集成二维空间数据，专业台帐数据，供各级行业应用部门在真实世界中任意浏览和查询。它不但以真实的方式展现了三维空间，而且创造了一种崭新的数据管理与服务方式，给人们提供了最好的交互性。可以预见不久的将来，这种方式将在相关行业逐步取代传统的数据管理应用模式。表1对实景三维和虚拟三维从各种维度进行了比较：比较内容实景三维虚拟三维信息量真实环境信息，无信息损失虚拟环境信息，大量信息损时采集更新数据更新快、成本低数据更新慢、成本高;浏览模式可逛街式图片形式浏览，无法单帧图片任意变动视点;可任意变动视角;表现效果微观环境以实景图片展示，更容易被人眼接受;大面积地形的表现很好；能够方便的随意增加和删除三维模型对象。软件支持能在网络环境中以B/S形式进行大面积的应用尚无技术支持海量三维模型以B/S形式在网络中进行应用表1：实景三维和虚拟三维的比较4 面向DMI的三维虚拟技术由如上的讨论可知，实景三维和虚拟三维各有优缺点。从技术的角度说，两者的主要差别在于三维空间的表现方式不一样，实景三维采用DMI图像表现三维空间，而虚拟三维采用虚拟三维模型表现三维空间。由于图像本身是一张静态的图片，通常来讲，要在实景三维场景中快速的增加一个对象（如街面上增加一把座椅），并且保证该对象与场景图像中其它对象的相对位置正确，比较困难。而在虚拟三维场景中，这一点是很容易实现的。但是在很多应用中，需要有相应的技术手段保证用户能够自由的在三维空间中增加对象，如城市市容规划中，需要在一条街上虚拟的放上垃圾桶、座椅、广告、路灯等城市公益部件，形成规划方案，并获取效果图。总而言之,如果不能够解决实景三维空间中自由的放置虚拟三维对象，实景三维技术在各行业的应用将受的极大的限制。面向DMI的三维虚拟技术就旨在解决这一难题。实景三维空间是以数字图像为基础的，数字图像是由CCD数码相机采集的。相机的成相原理是中心投影，通俗的讲，图像的成像过程是把真实三维环境通过中心投影“压扁”到一个平面上的过程。图4是对这一过程的直观示意。图4：相机成像过程示意图 在实景三维空间中放入虚拟对象，实际上就是把虚拟对象通过中心投影原理再次成像在DMI影像上。这一过程可以通过所谓的“画家算法”来实现。该算法能够把一个“放置”在地球某个物理空间位置上的虚拟模型“压扁”到指定的空间平面上，构成虚拟三维模型的影像，如果这个平面和DMI影像的成像平面重合，就完成了模型与DMI影像的融合。可以认为CCD相机对真实世界的成像过程是第一次成像，“画家算法”就是在第一次成像的基础上，对虚拟世界和现实世界进行了第二次成像。图5演示了“画家算法”的成像过程（一个虚拟的士兵被很好的融合到了DMI影像中）。图5：画家算法示意图在DMI构成的实景三维空间中，用户所观察到的每一张DMI实景影像都是CCD相机在某一确定的空间位置和姿态下对真实空间的成像结果。通过在某地理位置中放置真实物体大小的三维模型，在用户浏览到某DMI实景影像时，使用“画家算法”把三维模型渲染到该实景影像上，就实现了实景三维空间中自由的放置虚拟三维对象的需求。图6展示了在人行道上放置虚拟座椅的效果。 图6：实景三维中放置虚拟座椅图7展示了在一个十字路口放置铁塔后的效果。图7：实景三维中放置虚拟铁塔由于实景三维空间真实的反应了现实三维空间，在十字路口放置铁塔后，在不同的DMI中查看到的铁塔可以与实景影像的相对位置保持一致，图8是在另外的DMI影像中对铁塔观察的效果。图8：从不同DMI中观察铁塔的效果总而言之，“画家算法”是解决实景三维环境中放置虚拟三维模型对象的钥匙，利用它，可以在实景三维空间中实现更加丰富和富有表现力的应用。5 行业应用目前“真图”地理数据平台已经在城管、公路、铁路、公安、地图服务等行业进行了广泛而深入的应用，而该平台事实上已经为用户建立了实景三维空间环境。由于面向DMI的三维虚拟技术能够实现实景三维场景中自由的放置虚拟三维模型，从而为各个行业“真图”用户提供了更加丰富的应用机会。下表列举了该技术能够为这些行业“真图”用户提供的一些新的应用点。应用领域应用点市容规划对绿化、城管部件等进行虚拟布景，辅助规划广告管理放置虚拟广告，规划合理的广告位城市管理城市部件和案件的三维标注，提供更加丰富的用户体验公路管理三维标注铁路管理铁路虚拟通道，铁路限界检测辅助城市应急应急预案制作公安应用警力虚拟部署、警车动态实景监控消防演练