实景三维:测的是现在,看的是未来!

作者:DJI 浏览: 发表时间:2022-02-17 10:20:32 来源:DJI

党的十八大以来,习近平总书记多次考察信息化建设情况,强调要加快建设数字中国。党的十九大报告明确提出建设数字中国,以更好服务我国经济社会发展和人民生活改善。实景三维中国建设是落实数字中国、平安中国、数字经济战略的重要举措,是落实国家新型基础设施建设的具体部署,是服务生态文明建设和经济社会发展的基础支撑。

8月16日自然资源部办公厅正式发布了《实景三维中国建设技术大纲(2021版)》。其中提出的建设目标为:根据新时期测绘工作“两服务、两支撑”根本定位,调动各级自然资源主管部门和社会力量,构建“分布存储、逻辑集中、时序更新、共享应用”的实景三维中国,为数字中国建设提供统一的空间基底。



古建筑测绘,迫在眉睫
如果说早年传统建筑遗产保护还只是相关业务单位热衷的板块,如今其数字化则向更多的入局者抛出了“一同探索城市底色”的橄榄枝。

回顾传统手工测绘、数字测绘时代,天津大学建筑学院的特聘研究员李哲用“万军之中取上将首级”来形容如今从海量测量数据中智能提取有效信息的无人机贴近测量手段。李哲认为,相比其他应用领域,文化遗产更需要贴近摄影测量技术“之前的数据比较粗放,即使有被拆解的细化的长度、走向、坐标等数据,也只能通过相对扁平化的方式呈现。而文化遗产本身已经蒙了尘,包括其背后的内涵、智慧等都有可能被忽略。”

在中国文化遗产研究院研究员永昕群看来,对于大面积的文化保护单位而言,便捷的信息留存手段需求一直很明确。“目前,大部分文保单位还没有比较完整的外部结构数字档案。尤其一些文保单位还有着高精度、定期监测等相对细化的要求,具体到古建筑结构变形层面,可能还需要达到毫米级的变形监测要求。如对石窟而言,裂缝裂隙监测也是毫米级的要求,其基础的数字化工作是一个比较迫切的需求。”

这也意味着,贴近摄影测量等新兴数字化技术在满足广泛尺度下遗产数字化保存、背后价值挖掘与阐释等方面的优势较为明显,“相对来说,效率高、速度快、精度可以满足一般的建筑需求。”

贴近摄影测量(nap-of-the-object photogrammetry)是张祖勋院士团队针对精细化测量需求提出的全新摄影测量技术,它是精细化对地观测需求与旋翼无人机发展结合的必然产物。

贴近摄影测量是面向对象的摄影测量(object-oriented photogrammetry),它以物体的“面”为摄影对象,通过贴近摄影获取超高分辨率影像,进行精细化地理信息提取。贴近摄影测量渊源于滑坡、高位危岩的地质调查与监测预警,并进行了初步应用试验,具有可高度还原地表和物体精细结构的特点,也可应用于城市精细重建、古建筑重建、水利工程监测等方面。

根据住建部要求,从2020年开始到2022年全国需完成历史建筑100%测绘及系统录入工作,明确鼓励采用摄影测量等新技术,时间紧任务重。
这也是大疆联合多家机构一同发起的文化遗产数字化无人机贴近摄影测量大赛的初衷所在:探索科技赋能文化遗产手段,用数字化创新助力文化遗产保护和文化传承的社会价值的社会传播与推广,使属于人类的文化财富真正走向大众。



数字化呈现,不约而同

倘若用一句话形容这次无人机贴近摄影测量大赛,或许用“远超预期”更为贴切。

深圳市大疆创新科技有限公司测绘行业负责人魏坤岭表示,从2021年9月份发起大赛至2021年11月初,涉及20多个行业的175个参赛作品已经覆盖了全国28个省份,规模超乎想象。



无论是测绘企业、文物保护单位、高校科研单位,还是互联网设计团队,都不约而同地走在了文化遗产数字化的路上,也向更多人传递无人机影像测量的魅力。
登上梵净山,步入武义三根半塔,到访蟠龙山长城,沈阳故宫大政殿......本次摄影测量大赛的获奖作品也正传达着测绘公司、科研单位、文化遗产设计公司等不同入局者的诉求。


作为地理信息企业的代表,梵净山项目负责人罗辑表示,公司希望通过做文化遗产数字化,有针对性地收集对应区域内较为详细的信息,从其中挖掘大量的应用落地场景。“比如拍摄陡峭的山体,用来进行地质灾害的分析,如监测缝隙等风险点。其次,可以介入旅游建筑的设计与规划,包括地图服务、游客服务、票务信息等在内的旅游信息化,以及各种传感器的对接等。”


苦测绘设备久矣
一个愈发明确的信号是,对于整个文化遗产数字化领域而言,苦测量设备久矣。
10年前,那会儿的设备非常贵,软件也都是一些国外的软件,搞摄影测量的圈子非常小,门槛比较高。“大疆入局后拉低了门槛,像小企业才有机会参与到测绘工作当中。也是因为这两年有大量的历史建筑采集的工作在各地开展,我们才机缘巧合地从测绘领域切入到建筑测绘等工作中。”
这一点上,魏坤岭由衷感慨:“早在2014、2015年前后,已经有单位开始自己用各种航模机器、相机去改装单反设备完成摄影测量,耗费了不少人力成本打磨技术路线,非常难。当时,即便有很多地面测量设备,比如单反相机、三维激光扫描仪、全站仪等传统测量设备,也无法解决空中摄影或者贴近摄影测量才可以解决的立面、廊檐下面或高空被遮挡地方的摄影测量问题,更不用提获取完整数字化的模型。”


事实上,联动科技、互联网企业与院校等合办文化遗产摄影大赛,于大疆而言,只是近些年助力文化遗产的保护、传播与传承的一个缩影。
从乐山大佛、悬空寺、广胜寺飞虹塔到平遥古城,大疆已完成多个文化遗产数字化项目,一度令外界想象不出其边界到底在哪儿。“当时我们和合作伙伴获取的乐山大佛影像基本上能复刻原貌,塑造高精度的三维模型,乐山大佛管理处负责人表示很惊讶。”
若从更高维度看,与其说是大疆与文化遗产碰撞的成果获得相关文化遗产单位的一致认可,不如说无人机倾斜摄影正逐渐颠覆大众认知并收获在文化遗产领域的地位。


测的是遗产,看的是过去与未来
不可否认,一系列认可的背后,棘手问题也随之渐渐浮出水面。
梵净山项目、武义三根半塔、蟠龙山长城项目负责人介绍称,在开展古建筑测绘的过程中,游客众多,测绘作业无法进行;作业人员背着沉重的设备登高寸步难行;受天气影响,每天有效作业时间微乎其微;飞行报备时,需要经过航飞培训;反复人工补拍情况时有发生;多元数据处理融合难度比较大等问题无法避免。


如果说更远的期待,对文化遗产来说,无人机可能需要做得更智能。何情达指出,“除了能够智能地规划飞行航线外,如果无人机能在室内采集时实现一键自动拍摄或者扫描范围,或者结合人工智能计算或者文化遗产前期采集的不同时空的数字化数据,可以在飞行时实现自动识别文物保护单位监控地带里的一些违禁的情况,以及建筑物倾斜、残损、开裂等现存状况,整个作业效果会更好。”

但正如永昕群所说,文化遗产的数字化测量并不是“看见”一座建筑的最终目的,应用和传承才是。“测量之后,我们需要挖掘出古建筑背后的智慧、内涵,诠释一些未知的秘密,能够解释遗产未来的趋势以及这一呈现方式背后的动态过程。”

开展实景三维中国建设,是“十四五”时期基础测绘转型升级发展的重要任务之一,我国将在“十四五”期间大力推进实景三维中国建设。

现将实景三维中国建设的技术路线分享给大家!

技术路线

实景三维中国建设按照统一的时空基准进行数据获取与处理、建库与服务。





 一、时空基准 
坐标系统采用 2000 国家大地坐标系。当采用其他坐标系统时,应与 2000 国家大地坐标系建立联系。
高程基准采用 1985 国家高程基准。时间基准采用公元纪年和北京时间。
按照统一的时间节点开展实景三维中国建设,如实反映当前时点下,以及前序各时点下人类生产、生活和生态空间的真实状况。

 二、数据获取与处理 
1.多源数据获取与预处理
(1)其他实体获取与预处理
通过共享方式获取,进行坐标格式转换、语义化、结构化等预处理。
(2)物联感知数据获取与预处理
通过共享接入和网络抓取等方式获取,进行数据抽取、清洗、压缩等预处理。
2.数据生产
(1)地理场景生产
按相关标准及现行方式生产。
(2)基础地理实体生产
以二维形式表达的基础地理实体通过已有数据转换、基于地理场景生成、基于高精度基础地理实体生成等方式生产。以三维形式表达的基础地理实体通过基于倾斜摄影三维模型生成、基于激光点云生成、基于其他方式生成等方式生产。
(3)部件三维模型生产
按相关标准及现行方式生产。
3.数据融合
在地理场景之间、地理实体之间,以及地理场景和地理实体之间进行融合;物联感知数据与地理实体建立关联关系;对融合过程中存在的冲突进行检测及处理。

 三、建库与服务 
1.数据库设计
实景三维中国数据库包括地理场景分库、地物实体分库、地理单元分库、物联感知数据分库和元数据分库等, 各分库根据数据内容细化为不同子库,各子库根据数据内容分为若干图层。
2.数据组织
地理场景按照分层分块存储,以二维形式表达的地理实体按照分层存储、以三维形式表达的地理实体按照分层/ 单体存储,物联感知数据分记录存储。
3.建库与服务

实景三维中国数据库分为国家层面、省区层面和城市层面实景三维数据库,分别存储全国、省区、城市范围内的实景三维数据以及元数据。开发数据库管理系统,用于实景三维数据的统一存储管理、数据编辑和查询统计等。以智慧城市时空大数据平台或地理信息公共服务平台为依托构建应用服务系统。



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