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黄先锋:构建未来世界的时空基础 实景三维建模大时代来临

本文内容摘自《中国测绘》2022年第5期

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“实景三维中国”是国家重要的新型基础设施,2022年2月,自然资源部发文全面推进实景三维中国建设,并将其纳入“十四五”自然资源保护和利用规划。这为行业带来了新的发展机遇。

实景三维具备对国家地理实体“全要素”的信息表达能力,随着各地实景三维建设逐渐进入高潮,实景三维建模需求大幅增长。“实体建模时代,所见之处,皆为模型。”正如武汉大势智慧科技有限公司(以下简称“大势智慧”)CEO、武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室教授黄先锋所言,国家的三维数字化建设是满足我国经济发展和国家治理所必需的基础数据建设。

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武汉大势智慧科技有限公司CEO黄先锋

大势智慧自主研发的三维建模产品“重建大师”,实现了自主可控,能够全面替代国外倾斜摄影自动建模软件,且复杂城市部件建模效果更好、大规模处理能力更强大,与实景三维中国建设的重大需求不谋而合,有广阔的用武之地。

实体三维建模服务国家建设

翁丁古寨原始而又神秘。《中国国家地理》杂志曾经将云南临沧的翁丁古寨称为“中国最后一个原始部落”。“翁丁”在佤语里是云雾缭绕的意思,有着近400年建寨历史的翁丁古寨,是中国保存最为完整的原生古村落。

不幸的是,2021年2月14日17时40分,一场大火将翁丁古寨原本105栋老房子烧得仅剩4栋,令人惋惜。至今,不少网友仍在表达着自己的遗憾,称还没来得及去看,便已突然消失。

机缘巧合,热爱航拍的90后小伙子刀剑,在到翁丁古寨游玩时,用无人机摄影记录下了翁丁古寨的原始风貌,并在大势智慧的“云端地球”建模平台进行了建模,让原本消失殆尽的翁丁古寨又一次展现在了人们眼前。

大势智慧建模平台的后台计算能力很强,半个小时,模型就建好了,而且非常清晰。”刀剑告诉记者,他是一名普通的摄影爱好者,后来接触到实景三维建模后,逐渐对空间可视化平台、资源与环境遥感研究等产生兴趣。

2020年4月,他和朋友一起到“翁丁古寨”游玩时,就用无人机在120米的高度,从5个方向拍了四五百张翁丁古寨照片。为了重建古寨,刀剑无偿将这些原始资料捐给了相关部门。如今,刀剑正在家中备考博士,准备往无人机研究植物病害方向发展。同时他也在琢磨,能否通过实景三维与测绘地理信息数据融合,为提升边境线上人民生活水平做点事。

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在云端地球建模的翁丁古寨

其实,翁丁古寨三维实体建模并非特例,在大势智慧的“云端地球”建模平台模型广场,可以看到各式各样高清三维实体模型,小到一个石雕,大到一辆汽车、一个花园、一个村落,活灵活现,甚至让人分不清是照片还是模型,印证了那句:“所见处,皆为模型”。

大势智慧自主研发的三维重建技术,已经在国家新型基础测绘试点建设中得到验证。黄先锋表示,大势智慧与武汉市测绘研究院、西安市勘察测绘院一起,为新型基础测绘试点提供数据服务,在整个处理过程中使用大势智慧自主研发的软件。同时,大势智慧已为以北上广深为代表的70多个一二线城市直接提供了数据服务。在应用方面,大势智慧的技术已应用到了智慧城市、军工军用、公安消防等10余个行业,国内87.5%的测绘院都与大势智慧有合作。

在服务国家重大需求上,尤其在重大赛事和基础工程建设上,大势智慧已为北京冬奥会、武汉军运会,以及即将召开的大运会、亚运会提供了相关技术服务。此外,在国家文化遗产保护方面,大势智慧深度参与了中国四大石窟相关项目,开展超高精度石窟三维数字化重建工作,三维数字化技术也已经在包括国家博物馆、故宫博物院在内的大量文化遗产保护单位得到了应用。

自主软件突破“卡脖子”技术

“在应用当中,我们需要保证全面国产化技术的支撑,才能够在很大程度上保证国家地理信息数据的安全。”黄先锋介绍说,大势智慧自主研发的三维建模软件重建大师5.0能够运行在windows系统上,支持超大规模集群计算处理,也能全方位支持国产化麒麟操作系统等软硬件。

“为什么要强调这一点?”黄先锋回答说,实景三维重建技术对算法的要求非常高,开发难度也很大,是一个非常基础性的技术。这项技术可以运用的领域极其广泛,并不只是实景三维中国建设,还可以应用在影视制作、文化遗产保护、国防、工程基建、军用、机器人导航、无人驾驶地图制作等各个方面。这种技术如果不能够被全部掌握,并且在应用中去迭代,就会影响到后续一系列的应用成效。这也就是大势智慧在这方面投入巨大的重要原因。大势智慧用了近8年时间,投入了大量的研发资源,才取得了今天这样一个成果,算法能够跟国外软件媲美,甚至超越了国外水平。

那么,大势智慧是如何破解以往三维模型“不好看,不好用”的问题?黄先锋告诉记者,这要从具体技术出发,在实景三维建设过程中,城市级里面有很多细节部件,当采集的图像分辨率变得很高后,原有的基于像素级匹配的模型构建算法满足不了精细度非常高的重建要求,这是行业一直存在的一大痛点。因为当精细度很高时,会出现图像弱纹理区域匹配错误、细碎及薄目标模型不完整、植被区域数据量巨大等各种问题。

针对这些问题,大势智慧研发出了“内容感知的三维重建”技术,提升了纹理模型质量,很好地解决了结构复杂的城市场景中出现的模型扭曲,纹理拉花、女儿墙空洞、城市部件缺失等问题,同时能够自适应地减少植被区域数据量,提升数据可视化和分析计算的效率。通过把深度学习和三维重建算法融合打通,实现了重建时就能把对象进行单体化的能力,从而让实景三维模型不仅好看,而且更好用。这就是“重建即单体”技术。

“需要强调的一点是,大势智慧的自主知识产权技术是领先的,可以说比国外产品好很多,更加实用,更接地气,更符合大场景空间地图生产的实际需求,更符合三维地图数据生产的需要。”

大势智慧不仅提供了三维重建软件,还提供了三维模型修编工具“模方”,以及免费的三维模型可视化与质检工具DasViewer。这样就形成了实景三维数据生产的整条工具体系。整套工具体系已经经过大量的实际应用验证,其中DasViewer软件下载量超过10万次,不少测绘公司都在使用。

每个人都可以通过拍照进行三维建模

大势智慧的愿景是,让每个人都可以通过拍照的方式进行三维建模,具有复制现实世界的能力。在黄先锋看来,拍照重建三维就像语音识别一样,是一种社会需要的基础性能力。大势智慧所做的这些努力,就是希望能够把这种能力建起来,让每一个能够被拍照的物体都能重建实景三维,并且提供云建模服务,就如前面提到的翁丁古寨建模,普通大众也可以在上面建模。

黄先锋认为,未来三维建模有数百亿市场空间,甚至上千亿市场规模。从国土的960万平方千米的数字化和更新,到每一个机器人可以用来构建场景能力,再到影视娱乐、AR/VR内容的生成,发展的空间非常大。当然,跨场景的建模对技术要求也非常高,进入这样一种三维建模的核心算法和技术深水区,需要时间积累和技术沉淀。

在未来,大势智慧仍然要继续朝着这个方向走下去,可能这个路还很长,也许还要5年、10年的努力。目前还有很多技术难关要攻克,还有很多工作要做,如从解算的稳定性到重建的质量,再到重建的效率,以及内容感知的准确性等一系列技术难关需要去攻克,它里面涉及到各种各样的技术和算法,有激光雷达的、有光学的、有融合建模的,以及不同数据源、不同角度、不同分辨率、不同重叠度等。希望能够进行自动化处理分析,并能够建立一个完美的模型。

在能力建设上,实景三维中国建设对算法的要求是非常高的,对精细度要求也很高,包括对传感器来源,从卫星到航空,再到地面、地下空间数据化等都是实景三维建设的范畴,从乡村到城市、从城市到省际之间,都需要三维重建。“所以,我们的‘重建大师’在技术上仍然有很多需要去突破的地方,比如得到更多数据源的支持,使用更加简单,容错处理更强,以及自动实体生产能力的提升等。未来仍任重道远,需要得到大家的更多支持。”黄先锋如是说。

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陆家嘴模型

黄先锋说,实景三维是数字孪生的基础数据底座,是未来世界时空的基础。国家提出新型基础测绘和实景三维中国建设,具有非常高的前瞻性,也是测绘地理信息行业一次重大的变革,更是体现测绘行业支撑自然资源管理以及支撑中国经济建设的责任和担当。

“我们对实景三维中国建设的期盼和设想,就是希望在自然资源部统筹领导下,能高质量、迅速有序地建好实景三维中国这个基底,服务于山水林田湖草沙冰这样的人类命运共同体,同时支撑各行各业应用来为经济建设作出贡献。”黄先锋表示。

此外,大势智慧一定会瞄准行业需求,以更广泛应用需求不断升级产品和服务,为实景三维中国建设作出应有的贡献。

END

文 / 本刊首席记者 徐红 图 / 受访者提供

编辑:张永超

初审:齐 阳

审核:彭震中

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