三维实景建模软硬件建设方案-20201013

114-三维实景建模的软硬件方案13-建设任务信息服务领域“十四五”期间，安排指挥信息系统建设1个项目，预期投入经费xx万元。建设思路聚焦研究打仗、指挥作战核心职能，着眼“智能化硬件升级，多源化信息汇融，集约化要素整合，实用化功能拓展”的建设理念，在现有数据基础上，使用三维倾斜实景数据作为现代化作战信息系统的数据基础。倾斜实景能够快速建立精细的地表三维模型，真实还原作战场地，为圆满完成多样化任务提供有力的数据支撑。建设内容使用倾斜摄影测量技术，实现大范围、高精度、高清晰的全面感知复杂场景。通过航空摄影的手段快速获取地面多源数据，结合三维场景快速构建技术，自动融合生成三维实景数据，能够直观的反映地物的外观、位置、高度等属性，为还原作战场地的真实效果提供测绘级精度的保证。概述倾斜摄影倾斜摄影技术是国际摄影测量领域近十几年发展起来的一项高新技术，该技术通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜，五个不同的视角同步采集影像，获取到丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理。它不仅能够真实地反映地物情况，高精度地获取物方纹理信息，还可通过先进的定位、融合、建模等技术，生成真实的三维城市模型。现阶段,我国的三维城市建模主要依赖于手工方式与半自动建模方式进行，这种方式生产周期较长,由于建模要素与作业环节流程的限制,只能对用户感兴趣的部分进行三维建模，三维贴图多采用外业手拍的形势和内业纹理贴图复制的方式，这种方式具有以下缺点：生产周期较长，难以体现城市建设对数据时效性的要求；生产成本较高，依赖于大量的内外业结合的作业方式；不能全要素表现地物的特征特貌，表现要素越细致，制作周期越长、成本越高；建模不以空三的数学关系为基准，后期成果绝对精度难以保证。但不可否认，这种作业方式，在我国的数字城市与智慧城市的建设以及相关国土规划等领域发挥了及其重要的作用。倾斜摄影技术的快速应用，为国民经济的建设提高效率、节省成本。最近两年，真三维实景建模技术逐渐走向了领域的前沿，也由于国际化合作的深入，目前此项技术的发展基本处于国内外同步的水平。图倾斜摄影技术特点特点一：反映地物周边真实情况相对于正射影像，倾斜影像能让用户从多个角度观察地物，更加真实的反映地物的实际情况，极大的弥补了基于正射影像应用的不足。特点二：倾斜影像可实现单张影像量测通过配套软件的应用，可直接基于成果影像进行包括高度、长度、面积、角度、坡度等的量测，扩展了倾斜摄影技术在行业中的应用。特点三：建筑物侧面纹理可采集高效建设三维实景，利用航空摄影大规模成图的特点，加上从倾斜影像批量提取及贴纹理的方式，能够有效的降低城市三维建模成本。特点四：数据量小易于网络发布相较于三维GIS技术应用庞大的三维数据，应用倾斜摄影技术获取的影像的数据量要小得多，其影像的数据格式可采用成熟的技术快速进行网络发布，实现共享应用。实景真三维制作技术实景真三维制作技术，不同于以往的半自动三维重建技术，在数据获取的前期充分考虑了用摄影测量和计算机视觉技术的处理，采用如下作业方式，制作满足要求的实景真三维模型成果。完全遵循建模处理原理，进行优化迭代计算。图实景真三维制作流程技术方案方案设计系统构架设计系统由以下几部分组成，分别为传感器层、采集控制层、原始数据层、预处理软件层及成果层，其中传感器层主要有硬件设备构成；采集控制层及预处理软件层为控制及处理原始数据的软件；原始数据层为采集的原始数据；成果层为最终的数据成果。系统构架图系统产品组成机载激光雷达分系统包括有硬件和软件两部分，其中硬件包括有无人机平台、倾斜相机、数据链路、地面站四部分；软件包括有地面站控制无人机软件、倾斜相机控制软件、倾斜影像处理软件等部分。无人机平台无人机平台，设置可供安装传感器集成系统的结构，并设置有与无人机控制系统进行线路通信接口。地面控制系统能够对传感器集成系统进行控制，实现倾斜相机的控制，POS数据采集获取的控制以及各个传感器之间的高精度同步控制。无人机平台搭载多传感器多旋翼无人机系统是一款纯电力驱动多用途通用化的智能飞行平台。无人机专门针对复杂作业场景下的系统使用，重要部件均采用多余度设计确保安全飞行。无人机载荷挂载模块的电气接口与机械接口均采用通用化设计，可针对不同的客户群体，适配不同的重量与尺寸的载荷设备，出色的完成作业任务，无人机可用于航空摄影、环境监测、森林防火、搜索救援等。主要特点如下：高效率全自动带状航线规划功能：可全自动进行航线规划设计，根据不同情况快速改变航线。支持多种飞行模式：可进行航线任务实时规划，可定点盘旋飞行，具备自动起飞、自主降落，具有垂直起降、起飞/降落点悬停、航线飞行等多种飞行模式。辅助安全功能，包括：应急返航功能、低电压自动返航功能、禁飞区限制功能、限定最大/小飞行高度、限定最大飞行速度等。状态实时监控：对飞行器的状态可进行实时监控，包括电池电压、坐标、高度、方向、飞行姿态、飞行时长、飞行速度、飞行路径、距起飞点的距离、GPS信号状态等。针对山区复杂地形的安全策略设计，在山区复杂地形进行飞行过程中有自动避障功能。无人机技术指标名称指标续航时间≥50min（载荷7kg情况下）控制半径≥20km最大海拔高度≥5000m有效载荷≥15kg安全相对飞行高度100~1000m最佳巡航速度50km/h最大飞行速度≥90km/h最大抗风能力平飞：7级防雨等级防溅雨，小雨（12小时内降水量为0.1mm~4.9mm或24小时内降水量为0.1mm~9.9mm降雨）工作温度-20℃~55℃工作湿度0%~95%倾斜相机倾斜相机通过从一个垂直、四个倾斜、五个不同的视角同步采集影像，获取到丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理。同一地物具有多视角的影像，及详尽的侧面信息，而后将这些影像通过区域网联合平差、多视影像匹配、DSM生成、真正射纠正、三维建模等流程，形成最终产品。它不仅能够真实地反映地物情况，高精度地获取物方纹理信息，还可通过先进的定位、融合、建模等技术，生成真实的三维城市模型，采用倾斜相机可以很好地将建筑物等的立面信息表现的更加完整，使得最终成果数据拥有更好的完整性和精度。该技术在欧美等发达国家已经广泛应用于应急指挥、国土安全、城市管理、房产税收等行业。倾斜相机示意图倾斜相机主要参数相机数量5个重量1200g总像素2.1亿像素最小曝光间隔0.6s曝光方式定点\定时镜头焦距35mm工作温度-30°C～+50°C存储温度-40°C～+60°C全功能倾斜摄影系统拥有多种曝光模式：曝光模式倾斜摄影系统记录存储的姿态角信息，可以使用无线传输或USB数据线等连接方式，通过配套的软件进行相机姿态角信息列表的输出。采用先进的同步全驱技术，可以通过检测飞控信号后进行5路信号同步多通驱动，触发快门，曝光同步性，得到大幅提升。数据链路根据项目需求，无人机数据链路设备采用无人机平台配套设备，主要包括：1)数据链设备：测控管理器、发射机、接收机；2)机载设备：飞行控制器、传感器及执行机构；3)地面设备：图像显示设备和工程控制计算机。测控系统采用主副双链路模块，可使其具备较强的抗多径干扰能力和在有遮挡环境中的传输能力，实现在“高速运动中”，“非同时条件下”高质量数据的实时传输。系统应具备灵敏度高、移动性好、保密性好、抗干扰和抗衰变能力强、传输数据的稳定性和可靠性性能高等特点。地面站地面站通过无线通信链路控制连接无人机。地面站主要功能包括航线规划、飞行视频显示、无人机控制、云台控制、禁飞区域设置、无人机HUD显示等。支持多种GIS数据来源，包括Google、ArcGIS等。便携式地面站体积较小、质量轻。可将便携式地面站带至更接近目标区域的环境，最大限度的降低对飞行器工作区域的限制。地面站主要功能如下：规划飞行航线、设置禁飞区域、监控无人机飞行状态；控制无人机：包括一键起降、飞行模式切换等；控制任务载荷：控制光电吊舱俯仰和偏航、切换光电吊舱工作模式；接收并显示视频图像，存储、转发视频信息；中文、英文操作界面。传感器控制软件无人机载控制端无人机载控制端在地面站软件中体现，主要有以下几大功能：任务规划、遥控遥测、载荷控制、载荷信息显示。通过无人机载控制端软件能够控制无人实现自主安全起降、路线规划自主巡航、失控自主返航、数据实时回传等功能，能够简单便捷地操控无人机完成任务。倾斜摄影采集端开机倾斜相机使用无人机供电，与无人机同步开关机，建议供电电压DC13—35V，相机作业工作时，供电瞬间功率需达到65W才可以保证设备的正常工作。开机流程：安装倾斜相机至无人机，确定安装牢靠；启动无人机电源，相机自动启动并进入自检，相机总共开机持续时间需要35s，启动完成后相机嘀鸣一声；相机正常开机后，自动进行数据采集。相机完成最后一次拍照至少等待15秒后，可直接断电关机。建议飞行器起飞前测试检查操作完成后，再连接相机电源进行起飞前相机测试，避免飞行器频繁通断电导致相机频繁重启。相机拍照倾斜相机启动后，相机显示开机并进入可拍照状态，相机可自动识别飞控输出的PWM、TTL信号；此时用户可通过单次触发遥控器拍照按钮（或通道拨杆）来控制相机单张拍照，也可以通过地面站触发相机拍照。触发一次，显示屏P值计数加1，相机执行一次拍照指令。室内测试时，光线不足，照片是黑色属于正常现象。相机设置基本参数设置：相机相关参数新建自定义相机参数数据处理倾斜影像检查匀光处理倾斜影像检查匀光处理是将采集到的倾斜影像数据经过检查及匀光处理后为下一步数据处理提供影像。倾斜数据采集完成以后，通过数据整理软件，选择所在工程目录，会自动进行数据质检，并自动整理，生成一个影像的曝光点的位置信息，使用软件中的一键匀光处理功能将数据质量差的影像进行修补整理，通过这个位置信息以及整理好的影像数据，就可以进行后续处理。倾斜影像处理数据处理步骤如下：数据处理首先对影像进行对齐，然后依靠相机参数、影像数据、POS数据等进行多视角影像特征点密集匹配，并以此进行区域网的自由网多视影像联合约束平差解算，建立在空间尺度可以适度自由变形的立体模型，完成相对定向；将外业测定的像片控制点成果，在内业环境中进行转刺，利用这些点对已有区域网模型进行约束平差解算，将区域网纳入到精确的大地坐标系统中，完成绝对定向。将空三后的成果数据直接提交生成三维TIN格网构建再通过白体三维模型创建以及自助纹理映射得到最终的高精度真实三维场景模型。应用方向应急救灾保障利用点面结合的点云级融合空三计算和三维建模,在实景模型上进行二三维GIS基础分析和应用分析,区别对待灾区的不同区域和应急救灾的不同时间段,能够快速、准确、全方位、可量测、直观逼真地描绘灾区,满足了应急测绘保障的地理空间信息服务。战场指挥通过倾斜摄影来获取并自动生成大面积高精度的三维战场环境，对于合成化部队通用战术侦察、火力打击定位、营区数字化管理等军事应用具有重大价值，可显著提升部队的数字化作战能力，为指挥员的科学决策提供数据支撑。城市规划工程规划通过倾斜摄影测量技术得到的实景三维模型应用在城市规划中对于各设计单位将有可观的经济效益，能对数据进行实时的智能化处理，可缩短测量时间，减少测量资金，提高经济效益。实景三维模型可用于城市规划建设项目、道路状况建模以完成对道路状况的检测、地下管线建模以完