基于数字孪生技术的智慧校园时空底座建设.pdf

March20232023年3 月Modern SurveyingandMappingVol.46,第46 卷第2 期绘测现代基于数字李生技术的智慧校园时空底座建设许尔惟，王波*，江函洋，涂洪浦（南京信息工程大学，江苏南京2 10 0 44）摘要要物联网、大数据、人工智能技术的发展孕育了数字李生技术。三维实景校园时空底座是应用数字李生技术建设智慧校园的基础。通过倾斜摄影技术、三维激光扫描技术与人工建模技术相结合的三维校园时空底座制作方法，能够补充倾斜摄影在建筑底部及内部等遮挡密集区域的信息，在提高三维校园模型精度的同时，实现多源数据的融合三维实景建模。通过不同来源、不同格式数据的优势互补，更好地建设校园时空三维底座，为数字李生校园的建设提供支撑。关键词数字李生；倾斜摄影；激光点云；人工建模；时空底座中图分类号：P23;G647文献标志码：A文章编号：16 7 2-40 9 7(2 0 2 3)0 2-0 0 10-0 40引言数字李生（DigitalTwin）是通过信息链接，还原物理实体数据和动态数据，实现物理实体向虚拟物体的一种数字化全息映射！。数字李生城市需做到通过构建城市的全空间、全时间、全要素城市三维模型，以达到在虚拟数字空间中对城市的全方位模拟与管理。2 0 2 1年实景三维中国建设技术大纲颁布，在“新基建”背景下的智慧城市建设中，数字李生技术发挥着重要作用。校园拥有教学设施、道路交通、生活设施等城市要素，可以作为数字李生城市建设典型应用。智慧校园建设的首要任务是建设三维时空底座。时空底座是通过将校园中的地理实体建立三维模型，形成计算机虚拟空间中真实、立体、实时的实景三维校园。其关键是三维地理实体模型的建立。选择经济、高效、合理的建模方法是三维时空底座建设的关键。三维地理实体模型建立1.1三维地理实体模型的现状当前，三维地理实体建模的主要方法有倾斜摄影建模、三维激光点云建模、手工建模等。倾斜摄影能够实现大范围快速高精度建模，但受光学成像自身特点的限制，对于建筑底部、树木遮挡、弱纹理表面等地理对象，建模效果难以达到应用需求。激光点云能够直接获取地理实体的三维坐标数据，但采集设备和采集方法等因素导致该方法成本较高。同时，尚未有合适的工具软件，支持对三维激光点云的自动化模型构建，需要大量的人工干预，导致建模效率低。人工建模能够精细地还原建筑的细节，精确还原建筑的几何结构，但其时间和经济成本较高。本文提出一种通过以上3种方法的互补，实现多源数据融合的三维地理实体建模方法，为数字李生校园的建设提供支撑。1.2倾斜摄影实景三维建模无人机倾斜摄影是近年来测绘领域里应用较广的三维实景建模方法。其通过无人机搭载多镜头进行低空摄影，获取序列多角度影像，在软件中自动生成三维地理实体模型，快速实现地理信息的获取 2 基于无人机倾斜摄影技术的建模流程如图1所示。外亚影像获取测区踏勘航线设计无人机航飞像控点布设检查数据POS数据外业影像像控点数据所需数据空三解算检查控制点并添加连接点空三结果错误维结构模型实景三维模型1内业建模图1无人机倾斜摄影建模流程项目来源：国家2 0 2 1年高水平大学一校级大学生创新创业训练计划项目（XJDC202110300484）第一作者简介：许尔惟，本科，研究方向为三维地理信息系统。通讯作者简介：王波、教授，研究方向为地理信息系统理论方法与应用、无人机遥感和空间数据可视化等。11许尔惟等：基于数字李生技术的智慧校园时空底座建设第2 期本文以南京信息工程大学长望楼附近区域为例，通过测区确定、实地踏勘、设计航线、空中飞行等步骤获取影像，同时布设少量像控点和检查点。本文采用大疆精灵PHANTOM4RTK多旋翼无人机进行影像采集。飞行平台与相机模块参数如表1所示。在本次外业影像的采集中，共获测区162张影像，影像质量较好，地物辨识度较高，同时包含了建筑物顶面信息和侧面纹理，为后续实景三维建模奠定了良好的基础。部分影像如图2 所示。表1大疆精灵PHANTOM4RTK航测无人机参数技术参数重量（含浆、电池）1 391 g飞行时间约30 min最大起飞海拔高度6000m6m/s（自动飞行）最大上升速度5m/s（手动飞行）最大下降速度3m/s障碍物感知范围0.730m1英寸CMOS；有效像素影像传感器2000万（总像素2 0 48 万）图2无人机采集的部分影像在倾斜摄影三维建模中，采用了Virtuoso3D软件。Virtuoso3D软件可以对单个地理实体的几何结构以及较大面积区域的地形表面构建三维模型。在利用Virtuoso3D进行建模时，首先将外业影像数据、控制点数据、POS数据导人软件进行空三解算。得到空三解算结果之后，Virtuoso3D将对测区建立高精度密集点云，在点云基础上生成测区的三维结构模型并自动匹配纹理，得到实景三维模型如图3所示，具有还原真实场景的能力1.3人工建模人工建模是一种类似画家作画的三维建模方法，对已有的建筑物进行实地测量或图纸矢量化，通过专业软件（如AutoCAD、3d s M a x、M a y a 等），运用计算机图形学与美术方面的知识，搭建出物体图3南信大长望塔附近区域倾斜摄影三维模型的三维模型L31。部分建筑物可以直接利用其BIM模式数据，建立三维模型为了保证人工模型空间位置的准确性，本文通过获取校园无偏移Google卫星影像，并应用ArcGIS矢量化方法，获取建筑物轮廓数据，把建立好的人工模型与建筑物轮廓数据进行叠加，保证人工模型空间位置的准确性。建模细节如图4所示，(a)实地拍摄(b)CAD底图(c)添加材质后的模型图4人工建模细节2倾斜摄影三维模型结合三维激光点云三维激光扫描是一项新型测量技术，突破传统单点测量方法，能够快速海量地测量目标物体表面的三维空间坐标，海量点的集合称为“点云”41。利用地面三维激光扫描技术，可以对测区所在范围，尤其是地面低处及建筑物的内部，进行36 0 全方位测量，即“所见即所得”。虽然在倾斜摄影三维建模过程中，可通过对建筑物的顶部及侧部进行多角度的拍摄获取影像，但对于建筑物的底部或内部，尤其是在高大树木或建筑密集等遮挡严重区域，其获取的建筑物信息存在一定的缺漏。通过利用地面三维激光扫描技术可以快速获取建筑物底部及内部的大批量三维坐标数据，完善倾斜摄影三维模型的几何结构。此外。12现绘测第46 卷代由于激光受环境影响小且具有高穿透性，三维激光扫描仪可在复杂的天气条件下工作，可捕捉植被密集区内房屋墙体结构，从而实现全天候高精度高效率量测。由此，本文还通过三维激光扫描技术实现与倾斜摄影技术融合互补，优化倾斜摄影实景模型。本文采用GeoSLAM多平台移动三维激光扫描仪。该扫描仪的扫描头可以自动旋转，任何位置均可进行36 0 全景扫描，结构设计小巧，可进入低矮及狭小空间进行全方位数据采集。采用其配套软件GeoSLAMHUB进行内业解算，将控制点导人，进行坐标转换，并检核数据精度，得到有效的三维点云数据，并进行格式转换，从而得到las格式的点云数据。对于后续的数据处理，本文使用了飞马激光雷达处理软件。通过去噪处理后，点云的数量由46 8 7 2 7 40 个降低为46 7 0 18 44个，得到点云初步成果，如图5所示。为实现倾斜摄影三维模型与激光点云的融合，将影像空三解算结果与通过三维激光扫描仪测得的点云数据导人处理软件中，再次空三解算、建模，流程如图6 所示。图5去噪后长望塔及其周边环境点云将点云与空实地踏勘基础解算结果融合布设控制点目标地物点云点云配准再次空三解算1完善倾斜摄影扫描量测点云去噪三维模型111外业量测11内业处理11融合建模图6倾斜摄影三维模型结合三维激光点云建模流程图3三维时空底座建设3.1三维时空底座建设过程智慧校园中三维时空底座的建设是将所有获取的三维地理数据集成于三维场景之上，从而实现三维数据的浏览、查询、空间分析等功能。本文使用的三维场景集成软件为GeoScenePro，该软件支持倾斜摄影osgb格式数据、激光点云数据、3ds_Max数据等数据，通过场景图层包slpk（s c e n e l a y e rpackage)将三维场景在GeoScene Pro集成与发布。三维场景集成，需要统一坐标系统。将校园二维数字矢量地图、三维激光点云完善的倾斜摄影模型、人工建模所制作的校园特征建筑三维模型导人GeoScenePro中进行校园三维时空底座的集成。由于校园数字矢量地图与倾斜摄影模型在制作的过程中都设置了统一的坐标系统，在场景的集成中可自动匹配到相应的地理位置。对于人工制作的校园特征建筑三维模型，通过与校园矢量数字轮廓底图进行匹配，实现坐标系统的统一。模型集成于场景后，可以在所制作的三维场景中加入时间、季节、日照等环境要素，实现校园全要素三维场景的浏览功能，建立全空间、全要素、全内容的三维实景校园时空底座。建立好的时空底座，可以发布为空间数据服务，提供服务接口，供智慧校园建设调用。时空底座建设流程如图7 所示3.2三维时空底座建设存在的问题及解决方法（1)在倾斜摄影结合激光点云中，点云导人空三结果时，需进行人工配准，自动化程度不高，影响模型精度与建模效率，可通过提高实测控制点精度与作业人员水平改善（2)场景中人工模型由于不含坐标参数无法在地理空间中完成自动定位，无法与场景完成自动匹配，因此需对其通过实测控制点进行定位，通过缩放、旋转、平移等工具匹配。（3）由于多源数据融合后数据量大，加载场景效率将受到影响。对此可在不影响模型质量的前提下，尽可能减少模型中三角网的面片，或采用细节层次技术（LevelsofDetail)加载场景。13许尔惟等：基于数字李生技术的智慧校园时空底座建设第2 期倾斜摄影数据融合模型激光点云数据多源数据三维全空间、全要素、全内容遥感影像坐标匹配数字李生校园校园场景集成实景三维校园时空底座矢量地图手工精细模型手工建模图7校园三维时空底座建设流程图4结语本文基于数字李生技术，设计了一套结合倾斜摄影、三维激光扫描与人工建模融合多源数据的校园三维时空底座的建设方案，为数字李生智慧校园建设提供支撑（1）通过在校园三维模型制作中使用遥感影像、倾斜摄影数据、激光点云、人工精细模型等多源数据，实现了同一三维场景的数据多元化，实现了数字李生智慧校园平台中不同格式数据的集成匹配，集中了各类不同来源数据的优势(2)在三维地理实体模型中通过将倾斜摄影与激光点云融合建模，实现了三维模型的更精确表达，能够满足复杂的校园三维地理实体模型的制作。这为数字李生校园时空底座的建设提供了更真实、更可靠的三维校园建模方法。（3)在三维校园场景的集成中，由于使用的人工精细模型是通过同名地物点进行坐标匹配，配准时可能存在一定的匹配精度问题，（4)由于校园建筑及其周边环境将会随时间存在一定的变化，所测得数据存在滞后问题，在实际场景浏览中的校园环境存在一定的时间滞后。参考文献1李刚，王梦，左振波，等.基于数字李生的智慧园区能源管理系统应用探讨 J.科技与创新，2 0 2 118）：51一52.2 赵爱华，王少文.无人机倾斜摄影测量在农村不动产调查中的应用一一以兰溪市农村宅基地及住房权籍调查为例 J.科学技术创新，2 0 2 1（2 6）：8 2 一8 4.3李存文，肖天豪，吕宝奇.人工建模技术在地铁三维图中的应用J.地理空间信息，2 0 2 1，19（3）：92 一95，8.4王洪蜀，汪仁银，朱逍贤.激光点云数据在建筑小品精细建模中的应用J.四川建筑，2 0 2 0，40（5）：6 6 一6 8.Construction of Spationporal Foundation for Smart Campus Based on Digital TwinXU Er-wei,WANG Bo,JIANG Han-yang,TU Hong-pu(Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing Jiangsu 210044)Abstract The development of the internet of things,big data and artificial intelligence have produced digital twin.The spatio-temporal foundation for 3D real smart campus is the basis of digital twin campus.By combining oblique photography,three-dimensional laser scanning and artificial modeling technology,the 3D campus spatio-temporal foundation production methodcan supplement the information of oblique photography in the obscured dense areas such as the bottom and interior of buildings.Not only will it improve accuracy of 3D campus model,but also will accomplish dominance complement of data in differentformats from different sources.By combining the advantages of data from different sources and formats,the spatio-temporalfoundation will be constructed better,so that support the construction of digital twin campus.Key words digital twin;oblique photography;laser point cloud;artificial modeling;spatio-temporal foundation