3sNews讯 为期两天的2012地理信息开发者大会(简称：WGDC)在北京国家会议中心举行，本次大会以“新技术、新模式、新商业”为主题，是地理信息领域最具影响力的技术性盛会，其宗旨是不断引领和促进地理信息技术的创新与变革。在第二天的“三维可视化与虚拟现实”分会场，北京天下图数据技术有限公司副总经理黄勇发表了题为《基于航空影像的全自动化建模快速推进三维数字城市建设》的演讲。
以下为文字实录：
首先非常高兴有这样一个机会跟大家在这里分享一下我们基于航空影像的全自动化建模技术。这个技术我们在国内应该也有些公司比较感兴趣，大家也都在研究。我把我们公司这几年的一些技术和心得跟大家分享一下，同时演示一下我们在这一块做了一些测试以及一些成功的案例。这是我今天演讲的主要目录，首先介绍一下我们公司的情况，以及三维数字城市目前的建设情况，数字城市发展过程中面临的一些问题，怎么去解决这些问题，我们天下图对建模工艺应用数字城市建设的情况，最后演示一下案例。
天下图公司成立于2006年，主要股东是国家投资集团、航天科技、中航工业。我们主要运营的产品和服务是天下图库和天下图云。我想在座的各位都是行业内的人，也比较清楚，我们在建全国的高分辨影像图，同时基于我们的软件和硬件服务，构建天下图地理信息服务云。这是我们天下图全产业链产品与服务，现在我们又多了两个产品，地理信息监测车，这是在近期得到了国家的产品认定。我们公司主要是从数据的获取到数据的处理、加工以及我们公司软件产品，二维、三维一体华的产品，以及一些行业应用，最终构建我们天下图的服务云。
数字城市的概念在座的各位都非常清楚了，我就不着重强调了。它主要就是我们在“十一五”期间，为了全面推进数字中国地理空间框架建设，测绘局出了这样一个政策，大力推导数字城市建设。在“十一五”期间也做了很多工作，很多城市也踊跃加入到这个数字城市过程当中，从2006年到2012年，现在大概全国已经有200多个城市建设数字城市了，已经验收的有100多个。预期国家测绘局的要求，也是在2015年我们全国300多个地级城市要全部完成数字诚实的建设。
数字城市建设的内容，我们整个内容里面有标准，有数据库，有软件的二维平台、三维平台以及一些环境和一系列的基础业务应用系统。这个是咱们测绘局推导的整个数字城市的建设内容，在这里面要提一下，现在哪个城市都有一块内容是建设三维城市。每个城市的投入情况不一样，每个城市建设的范围、采用的三维平台也都不一样，今天我的报告主要是基于数字城市里面的三维数字城市建设数据基础的建设。
刚才讲了，三维城市是我们整个数字城市里面的一个必不可少的内容。三维数字城市的建设元素很多，有地面的、地下的，地面的元素很多，有建筑物、交通设施、市政设施、植被、景观等等这些内容。我们现在主要解决的就是三维数字城市里面建筑物的建设。今天我主要讲的是三维模型数据生产，现在介绍一下三维模型数据生产的一些方法。现在实际上建立三维数据比较常见的有以下这些方法，第一种是基于DLG数据的生产，现在有房屋建筑的具体数据，有基于这个数据，再基于楼高，我们用工具快速的把建筑物提取出来。这样的话，我们就主要用来构建就像火柴盒，所谓的白膜，这个应该是大家都用这个方法来建。因为每个城市如果一建两百平方公里，基于DLG火柴盒这种模型，一般面积会相当大。再有就是基于倾斜摄影，我们在常州也做了一些实验，到时候后面有一个场景演示，也可以看一下我们基于倾斜设计和全数字建模。还有基于影像，这两种方式其实是差不多的，原理是一样的，只是纹理的效果不太一样。基于倾斜摄影的航摄是5个镜头，除了垂直向下的镜头以外，东南西北，也就是建筑物的四面同时会拍摄到比较清晰的这样一个纹理，用于三维数字城市的建模，整个效果会比基于影像的效果更好一些，都会基于我们影像的全自动化的建模。基于3D MAX的清晰建模，现在市面上大家的公司大部分都基于这种方法来建模，主要就是野外的采集，3D MAX建模，一栋栋楼的建设，建设的模型精细程度会比较高，同时它的效率也会比较慢。基于激光的扫描，这样的话来构建比较精准的地形模型，建筑物也可以用这种方法来做。现在还有一些室内的激光扫描，同时构建三维模型。
我们刚才说到数字城市建设，现在大部分城市都采用了这样一个方法。我们首先是建一定平方公里数的精细建模，它的增长方式是人工采集纹理照片，用3D MAX来贴图，这个有它的优点，建筑结构比较精细，纹理清晰比较美观，同时也有缺点，速度比较慢，周期比较长，成本相对来说也比较高。我们说到简模，也是用3D MAX来生产，纹理相当于不太真实，相当于我用照片修剪，它的精细程度没有精膜那么高，白膜刚才我们说，大部分是白膜，这个很多城市现在都采用这种方式。用10%-20%的精膜，建10%-20%的简膜，另外都是用白膜来构建我们整个城市的三维模型，我们现在说的像苏州、青岛、深圳都采用了这种方式，同时这几个城市也是我们从2003年、2004年一直都开始在建整个区域的三维模型。
这个三维数字城市的建设为什么需求这么旺盛呢?同时这与我们软件平台的发展有很大的关系。刚才我们在外面看到有些三维模型在移动端来展示三维的应用。现在我们在苏州搭建了三维的数字城市，它应用了很多行业，像应急、水利、建设、规划等行业都得到了一定程度的应用。正因为这些应用的需求，导致我们对于三维数据生产的要求越来越高，三维数据是三维数字城市建设的基础。
大家都在建三维城市，在建设三维数字城市当中存在着一些问题，我们原来建了很多三维数字城市，大家都感觉作用不高，都是用来看一下，或者用来做得比较精美的秀一下。这样的话，就感觉到我们三维数字城市建设中看不中用，投入的成本高，建设的周期又长。而且建设的范围也比较窄，比较小。大部分公司做这种三维城市也都是基于手工的制作，导致模型的误差大，空间分析的结果也太精确。这个我想有些城市，大概从2005年开始一直到2009年，基本上才建完这种城市的三维模型。其实很多城市模型还没有建完，数据又要更新了，这就是我们遇到的问题。还有很多城市，即使去建了，每平方公里的三维模型制作成本也是非常高，有些早几年的甚至达到了20万/平方公里。再有就是三维的平台，数据模型建得比较多，三维的数据量也比较大，很难有平台加载到更多的三维模型。如果加载到这个模型的话，系统基本上无法非常流畅的运行，这也是遇到的一些问题。有些平台为了解决这个问题，也是对纹理进行一些分析，其实效果也不是那么精细，这个就是三维数字城市建设过程当中存在的一些问题。
基于这些方面的因素，我们需要从三维数据的生产开始，我们需要快速、低成本，在很短的周期就能完成，看起来比较真实。基于这些因素，我们天下图就推出了一套大规模地形景观三维建模系统UFactory，我们是对于工艺集还没有完全打包成为一个软件，我们现在也是在做一些城市的测试。我现在介绍一下在我们这套系统的一些功能，这也是我们今天最主要讲的，就是我们基于影像全自动三维建模。我们这套软件主要是根据原始的航空影像，全自动化的生成3D模型，纹理的自动贴图，以及它的附加产品，DSM、DEM、DOM和TDOM。以前可能大家也听过，在国外微软在做这方面的研究，像素工厂也在做，他们的成果不太一样。我们这套系统支撑的影像是传统的打飞机获取的影像、无人及获取的影像、倾斜摄影获取的影像，对于数据源我们都做过测试，有一些成功案例。它输出的成果，主要是用来建三维模型，最主要的成果是3D的模型。同时刚才说了有附加产品，DSM、DEM、DOM、TDOM的过程产品，后面会有介绍和展示。
这是我们系统的输入的数据和输出一些成果。我们这套软件可以兼容的一些影像，我们需要原始的航片，我们知道现在航飞大部分都带POS数据，这是我们倾斜影像，这两个数据也是并列的，不是同时都需要的。它输出的成果主要有DSM、DEM、DOM和TDOM，最终生成的是三维模型。
这是我们刚才说到的数据源，输进去以后自动生成的DSM。可以看到，这里面我们系统的技术如果用像素工厂，或者用一些其他的自动加工的软件，DSM的效果也是不一样的，在我们这里，基本上可以看到建筑的边框和轮廓，这个也是我们自动化生成的一个基础。这是基于DSM自动去处理的DEM。这是我们乌海的DOM，这是TDOM，当然这几个数据都是我们制作了自动生成的三维模型的数据基础，最终我们生成的就是三维的模型。
我还要讲一下我们这套系统对数据的一些要求。它首先就是基于这种大飞机的航飞，达到30%和60%来生成DSM、TDOM，这个我们解决的是用常规航测影像直接生成DTOM，原来有人也提出过，我们像素工厂其实也能做DSM、DOM和TDOM，要达到80%才能自动生成TDOM，生产的效率相对来说也不是那么快。我们现在对航空作业相机不同，我们目前做的都是基于宽幅式的相机，大家比较常用的DMC、UCSP这种宽幅相机，基于ADS80那种推扫式的相机目前还不能直接去生成。
大概讲一下我们的生产流程，我们对原始的文件进行处理，这个当然是在我们POS数据的基础上，先是生成DSM，然后生成我们的TDOM，最后根据DSM生成DEM。这个时候，最终是我们自动添图，生成三维模型。具体的技术不在这里面讲了，这里面我们自动化程度相对来说也是比较高，我们大部分都是需要两三个人在电脑边做一些指令性的输入，出现结果。这里面其实每一步都有一些参数设置，比如举个例子，比如生成DSM，大家知道数字表面模型每一个点的高度都会记录下来。我从这么多点里面怎么去抽析建筑的轮廓，这里面有些参数数字。比如说建筑物高于30公分或者50公分，这种单体我们提取出来，这些参数的设置不同，我们的运算时间也会不同。包括TDM做到什么样的精细程度，我们航飞到5公分、10公分还是20公分的，所有不同的数据源我们都做了不同的测试和一些经验参数方面的积累。
我们这一套软件的生产效率大概是怎么样的?我们做了一下测试，我们没有做非常大的几百平方公里的测试，我们现在就是预算了一下，大概是20台PC服务器，5个人，我们每个人的人均生产量大概是20-50平方公里。为什么有这么大的跨度?20-50平方公里呢?其实这个地方是我们根据服务器的运算节点去算的。比如说有50台机器的话，服务器50个节点的话，我们人均大概是50平方公里这样的一个量。这是我们一个真实的测试，我们在乌鲁木齐做了10平方公里的数据，也不是我们航飞的，是山西煤航飞的，用USP飞的，我们输入了影像，4天5台普通PC，我们当时大概有3个人，最后出来的成果大概是10平方公里三维，10平方公里的TDOM、DEM以及3千栋建筑，这是我们做过的10平方公里测试。
刚才说到我们生产周期短，高效。第二个优点主要是建筑的精度高，它的误差范围在0.2到0.3，当然这个主要是跟航飞数据源的精度也有一定的关系。我们的数据源到底是10公分、5公分还是20公分有一定的关系。我说的这个主要是基于10公分的航片生成的三维模型，我们是做过真实的对比。我们在乌海，大概是20层楼高度的建筑，最大的误差，楼高的精度不超过30公分，这个就很大程度的满足了三维数据在算法当中的应用。
我们这套产品主要是产品多，可以全自动的生产DSM、DEM、DOM和TDOM，最终还有三维的模型，这是我们生产的过程产品。所谓的过程产品是这样的，就是我们直接自动生成出来的话肯定会有些缺陷，如果要达到这种传统的标准的4D产品，我们需要对自动的过程产品进行一些自检。我们大概看了一下，是传统工作量10%-20%。经过自检和修改，完全可以满足我们测绘实际产品的要求。
这个也是产品比较关键的优势，这种方式比手工建模的方式降低了成本，这是根据不同的要求。我们为什么说降低了60%呢?我们是按人均月生产的工作量去核算的。它主要是快，成本相对来说比较低。现在很多城市都在做三维数据，动辄就是三五万，甚至八万，要求更高的可能十万以上都有可能，我们这个主要是降低成本。这是整个城市的模型，相当于我们从空中拍摄，整个纹理跟现实的情况基本上差不多。它的影像和我们借助的一致性会得到非常好的融合。可能大家知道，像素工厂也做三维，它整个三维场景不是单个的模型，我们这个生成的三维模型，每一栋楼都是一个单体，这样方便我们整个数据的管理。
刚才讲的是我们整套产品，基于航空影像的三维建模。下面看一下我们到目前为止一些成功实施的或者测试的一些城市案例。这里面有无人机、大飞机的，也有倾斜摄影的，给大家看一下。这个是乌鲁木齐当时做的10平方公里的三维数据，大概是三个人用了4天，5台PC做出来的效果。中间这一块是我们在里面集成了一块手工建模，其他的所有的建筑全都是基于全自动建模的效果。这是我们基于倾斜摄影的，我们当时引进倾斜摄影，在常州飞了一块几十平方公里的数据，基于这个数据，我们同时像素工厂也做了三维的模型，我们用我们的软件也做了一些三维模型，这是基于倾斜影像的三维模型。大家可以看一下我们的纹理相对来说比我们看的基于常规航摄的影像要清晰一些。地面分辨率也是10公分，当时我们做的乌鲁木齐的也是10公分。这是乌海的，刚才说到，我们是做的最全的，把所有的产品都做上了。乌海也是10公分的影像，这是乌鲁木齐蒙自的，因为当时的影像我们没有对它进行整体的映射，客户提供的样品周期比较短，应该说第二天要看结果，我们当时就自动生成了一下。这是北京顺义区的，客户提供了GLG和原始影像，我们提取了建筑的高度和顶面的轮廓，这个大概是200平方公里，花了一个星期的时间，这个数据比较好一些，它同时也是比较矮一些的建筑。这是贵州遵义市的三维模型，可以看一下，我们这个全自动建模和航空摄影原始影像的质量还是有很大的关系。比如这个影像整个整体泛白，刚才看到的乌鲁木齐的用UC SP相机拍的影像相对来说那个要清晰得多，后面还有就是大连的数据，看起来就会更清晰一些，这个纹理相当于整个跟影像的纹理，影像的色彩融合度还是比较高的，但是这个影象质量好的话，整个效果会好很多。这是大连的20公分的原始数据，看一下这个效果，这是高纯洁度的，80%-60%，这是大连常规航摄的影像。这是基于无人机的航摄，这个效果比大飞机的效果确实要差很多，它的纹理的清晰程度要小一些，像素也要小一些。
三维自动建模的应用我们也是刚刚做了一些城市的测试和应用，它的应用是比较广泛的，像一些电力、水利，对这种模型的要求应该说是满足这种应用的要求。这是我们所有做的一些案例的介绍，后面还有一个视频，大家可以大概看一下我们整个建筑的模型效果，我的报告大概就是这些内容，谢谢大家!
(以上内容根据速记整理，未经本人审核)
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