三維城市開始要“真”起來了，如摩爾定律所揭示，技術(shù)的進(jìn)步將使硬件更小、更快、更便宜。將來，那些采集和運(yùn)算數(shù)據(jù)的硬件將來會發(fā)展到一個現(xiàn)在難以想象的狀態(tài)和水平，不過我們能做的是細(xì)數(shù)現(xiàn)階段的硬件構(gòu)成和發(fā)展水平。
相機(jī)，攝影測量的“臺柱子”
自本世紀(jì)初數(shù)字航空相機(jī)問世以來，航空攝影測量已進(jìn)入到數(shù)字?jǐn)z影測量階段，并且已經(jīng)成為獲取空間和屬性數(shù)據(jù)的重要手段。當(dāng)企業(yè)開始進(jìn)行數(shù)字?jǐn)z影測量時就不免面臨一個問題：成本和效率。不能什么都求“高、大、全”，應(yīng)該按需選擇相機(jī)，這樣既可以在保證作業(yè)效率的同時保證合適的性價比。
計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得建模軟件自動化水平提高，處理速度加快，因而對于國情監(jiān)測等基本測繪活動所用的航空測繪相機(jī)來說，只要像素足夠用，大多都是可以勝任的。除了ADS40、DMC、UCD、SWDC等專業(yè)的數(shù)字航測儀外，現(xiàn)在也有測繪廠商使用普通單反和數(shù)碼相機(jī)的，如佳能5D。如果是需要生成一個近景的模型，甚至通過微單或是卡片機(jī)拍出來的照片就可以完成，也許將來手機(jī)都可以用來采集圖像。同時現(xiàn)在有的數(shù)碼相機(jī)內(nèi)置GPS和3D功能，也可以直接將照片信息傳至相應(yīng)的軟件中進(jìn)行加工，例如徠卡V-Lux30。
同時，相機(jī)的核心技術(shù)一直是企業(yè)的“命根子”，這讓部分高素質(zhì)的相機(jī)極少商業(yè)化，微軟的UC系列相機(jī)只有UCA發(fā)布為商用，除此再無商用計劃。也許微軟是出于技術(shù)壟斷的想法，盡量減少競爭。但這也恰恰反映出各大企業(yè)都想在“真”三維領(lǐng)域拔得頭籌，畢竟就那么大一塊蛋糕，少一個對手就能多吃一塊。
正因為數(shù)字航測相機(jī)的低商業(yè)化程度，才使得國外專業(yè)級相機(jī)價格居高不下。我國有遼闊的國土，因而對航空數(shù)碼相機(jī)的需求占了全球的三分之一到二分之一。但由于我國工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，之前無法生產(chǎn)航測數(shù)碼相機(jī)所需要的芯片等核心器材，不得不大量進(jìn)口國外相機(jī)。為此國產(chǎn)相機(jī)的出現(xiàn)勢在必行!劉先林院士帶領(lǐng)他的團(tuán)隊另辟蹊徑推出了SWDC，思路是利用高端數(shù)碼相機(jī)“組隊”，精確地設(shè)定每臺相機(jī)的拍攝范圍，再后續(xù)拼接圖片。好處是低價格、高精度、高性能、可更換鏡頭、更加適合我國國情。
我國地形地貌特征復(fù)雜，使得外來的相機(jī)念不好中國的“經(jīng)”。例如以超強(qiáng)數(shù)據(jù)獲取能力著稱的A3，更適合無云天氣使用，這在我國南方地區(qū)是有很大局限性的。因此從2012年開始，SWDC型航空相機(jī)的銷量與日俱增。國內(nèi)的中小比例尺航空攝影相機(jī)市場已經(jīng)有60%-80%為SWDC占有。從筆者走訪的國內(nèi)測繪廠商反饋來看，出于降低成本、軟件容易接入以及適合國情等目的出發(fā)，他們都愿意使用國產(chǎn)相機(jī)。同時數(shù)字測量相機(jī)的門檻也隨著軟件技術(shù)的提升變得越來越低，也許以后三維地圖都會是“眾包”模式，是否手機(jī)或是移動終端也能蠶食數(shù)字測量這個大市場還需要時間的驗證。
斜一點，看見不同的世界
航測相機(jī)系統(tǒng)應(yīng)該是朝高分辨率、多角度這樣的方向發(fā)展，因此，傾斜攝影適時而出。傾斜攝影可以提高工作效率并降低成本。據(jù)中航四維(北京)航空遙感技術(shù)有限公司總經(jīng)理梁鵬介紹“沒有傾斜攝影的時候，精細(xì)模型的成本大概是4萬到5萬一平米，而且效率低下。而現(xiàn)在傾斜相機(jī)的飛行成本，大概也就5000元左右。并且是按照80%的重合率去飛，基本不需要人工參與。另外現(xiàn)在處理軟件所生成的三維模型基本不需要編輯，這將使處理成本非常低，不到1萬元。同時，現(xiàn)在計算機(jī)都是并行處理技術(shù)，通過增加處理器和結(jié)點數(shù)，就可以把提升處理速度。”除了降低采集、加工、編輯成本，傾斜攝影可以有效地減少外業(yè)補(bǔ)拍，這將進(jìn)一步降低人力成本。
在國產(chǎn)傾斜攝影方面，國內(nèi)的起步也不晚。劉先林院士率領(lǐng)團(tuán)隊，在SWDC的基礎(chǔ)上研制出了傾斜攝影相機(jī)SWDC-5，是世界上第一個真正取得成功的產(chǎn)品。其他國內(nèi)企業(yè)也都在推出傾斜相機(jī)，據(jù)上海埃弗艾數(shù)字科技有限公司CEO周非池介紹，與其合作的上海航遙信息技術(shù)有限公司近期推出的一套五鏡頭相機(jī)，一次曝光就有4億像素。
但是航測也有其局限性，例如無論飛機(jī)飛得多低，如果有遮擋(例如樹木或是景觀帶)，就無法獲取建筑物近地面一端的影像。此時，街景就可以彌補(bǔ)空中航測視角的缺陷，這樣再通過街景補(bǔ)充以后這個模型就很完美了。因而在建設(shè)數(shù)字城市方面，傾斜攝影和街景的數(shù)據(jù)融合所生成的模型的質(zhì)量就會有很大的提高。
不同采集載體所生成的不同視角的影像
LIDAR，不可忽視的精度之王
三維激光掃描技術(shù)又稱“實景復(fù)制技術(shù)”，具有數(shù)據(jù)獲取速度快、自動化程度高、全方位、非接觸式測量、數(shù)據(jù)獲取海量等諸多優(yōu)點，為建筑物三維建模提供了一種全新的方法。因此，作為一種可以快速獲取空間數(shù)據(jù)的新型技術(shù)，被越來越多地應(yīng)用于城市建模、工程建設(shè)等領(lǐng)域。
筆者在走訪中了解到，北京拓普康商貿(mào)有限公司測量事業(yè)本部的新型測量車裝載了三維激光掃描儀，利用一個掃描頭的高速旋轉(zhuǎn)可進(jìn)行360度掃描。掃描半徑為120米，還在車上加載了升降桿，基本能滿足地面三維激光攝影的范圍。另外根據(jù)載體不同，三維激光掃描也有不同用處，例如多用于橋梁或是建筑等變形監(jiān)測的靜態(tài)LIDAR，進(jìn)行現(xiàn)場三維激光掃描的便攜LIDAR。
在三維激光航測方面，因為受計算機(jī)硬件水平的制約，LIDAR的點云密度不能設(shè)置成太高以防計算機(jī)無法運(yùn)行采集的海量數(shù)據(jù);但是它不受天氣狀況影響等優(yōu)點可以與攝影航測相輔相成。例如天氣惡劣、暴風(fēng)、暴雨等相機(jī)無法得到清晰圖像時候。同時，當(dāng)攝影測繪無法分辨線或是點的物體，LIDAR都可以依據(jù)點云進(jìn)行建模，這使得LIDAR可以勝任電力巡線監(jiān)測等任務(wù)。
總的來說，這兩種數(shù)據(jù)獲取方式在現(xiàn)階段都達(dá)不到獨霸天下的程度，攝影測量成本要低于激光測量，并且設(shè)備重量較輕，適應(yīng)性較高，但精度不如激光測量;與之對應(yīng)的，激光掃描對天氣狀況依賴小，且具有高精度，但是同時也帶來過量的數(shù)據(jù)，加大計算機(jī)的運(yùn)算量。因而在三維城市建模的過程中，采用傾斜攝影+LIDAR 技術(shù)進(jìn)行數(shù)字建模就不失為一條很好的出路，城市模型可直接由 LIDAR 數(shù)據(jù)生成，模型的側(cè)面紋理由相機(jī)所拍攝的影像來提取，這或許是一個發(fā)展方向。同時，在室內(nèi)三維建模應(yīng)用領(lǐng)域，現(xiàn)階段激光掃描儀在效率和應(yīng)用上要優(yōu)于攝影測量。
沒有載體，再好的模型也出不來
載體可分為采集載體和運(yùn)算載體。其中采集載體就根據(jù)海拔高度來分成便攜、車載、無人機(jī)、載人機(jī)和高空氣球等。
其中微、小無人機(jī)有手?jǐn)S、滑跑、彈射三種起飛方式，回收方式有深度失速、滑降、傘降。另外還有旋翼無人機(jī)、固定翼無人機(jī)和直升無人機(jī)。飛艇分為系留飛艇和無人飛艇。便攜有法如生產(chǎn)的激光雷達(dá)掃描儀，或是單人街景背包等。國內(nèi)無人機(jī)技術(shù)雖然起步落后于國外，但是現(xiàn)在無論是飛行時間還是穩(wěn)定性均可勝任航測任務(wù)。
測量硬件的發(fā)展使分辨率為百萬級(5 百萬、8 百萬)甚至千萬級像素的測量儀進(jìn)入測量領(lǐng)域，采集所得的數(shù)據(jù)也呈指數(shù)級增加，但是如何能從這些數(shù)據(jù)中提取有效數(shù)據(jù)、并生成模型就要受到計算機(jī)硬件的限制了?，F(xiàn)有提升計算速度的方式主要有以下幾種，一是提升 CPU 計算能力，但盡管 CPU 已經(jīng)向多核心發(fā)展，目前仍以四核、八核為主，受核心數(shù)量限制的并行速度提高有限，使基于 CPU的多線程操作的加速效果仍然無法滿足人們對計算速度的需求;二是采用外部硬件加速技術(shù)，如采用 DSP、FPGA 等，但該種方式需要增加額外的配置及費用;三是以優(yōu)化計算過程為手段的加速技術(shù)，其中以 Fusiello 為代表所提出的極線校正方法，但該方法總的縮短時間還是很有限。
圖形處理器(GPU)主要應(yīng)用于圖形、圖像處理計算，其擁有數(shù)十倍于 CPU 的浮點運(yùn)算能力。目前，如何開發(fā)算法發(fā)揮GPU的長處以大幅度提高運(yùn)算速度這一目標(biāo)已成為業(yè)內(nèi)的研究熱點。有研究提出了一種基于 GPU 的快速計算方法。該算法中CPU 端只負(fù)責(zé)傳入數(shù)據(jù)，將建模等計算任務(wù)交由GPU端完成，尤其是利用GPU提供的Geometry Shader(幾何著色器)能夠進(jìn)一步提高建模效率，因而該算法大大減輕了CPU端的計算負(fù)載，這將提高數(shù)據(jù)運(yùn)算速度。
同時，受計算機(jī)硬件水平的限制，從前的“金字塔模型”將繼續(xù)沿用。適普軟件市場總監(jiān)郭松濤介紹道，“因為現(xiàn)在數(shù)據(jù)量太大了，有的影像可能會達(dá)到20多G，現(xiàn)在的計算機(jī)內(nèi)存是很難調(diào)用它的。所以我們就轉(zhuǎn)換思路，進(jìn)行區(qū)域顯示：當(dāng)窗口在的時候引向哪個位置就將內(nèi)存等調(diào)用以顯示它，把十幾個G的影像轉(zhuǎn)成不同級別的，比如1比27，1比9，1比3，分別做影像顯示和處理，這就是‘金字塔模型’?，F(xiàn)階段還得延續(xù)這一折中的方式。”
放眼未來，隨著4G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)、手機(jī)硬件的提升，三維地圖將進(jìn)入手機(jī)、平板電腦等移動終端，云存儲落地，因而大量的數(shù)據(jù)將要求有更大的互聯(lián)網(wǎng)帶寬來滿足。正如適普軟件的郭松濤所言，傳感器和計算機(jī)等硬件的發(fā)展程度，使軟件的發(fā)展受益，同時也制約著軟件的發(fā)展。
軟件離不開硬件，正如秤離不開砣。（文丨本刊編輯張鵬英）
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