【前沿】如何破解倾斜摄影应用四大挑战
与二维GIS相比，三维GIS能够让我们更加形象直观地观察、理解、管理和规划我们的世界。当前三维GIS已广泛应用于城市规划、建筑信息、水利环保等众多领域。在发展的过程中，三维数据的采集制作成本是束缚和制约三维GIS前进步伐的关键因素，也影响了三维GIS的应用范围。
手工建模三维场景生产方式的优势及局限性
长期以来，我们在3DMax、MAYA之类的三维建模软件中通过手工的方式进行三维场景制作，首先制作建筑物的结构框架，再贴上现场拍摄的纹理图片，并辅以光影效果烘焙，如图1所示。
手工建模三维场景的效果由建模人员的技能水平决定，综合来看，手工方式制作的三维场景具有如下方面的优势：
● 效果炫
手工建模可以通过色调控制、光影、烘焙等技术手段提升场景的可视化效果，制作出炫丽的三维场景，此外，还可以添加水面、烟花及其他粒子效果来提升场景的美观性。
● 干净、整洁，数据紧凑
手工建模可以对现实世界的场景进行一些修正，以提升观感体验。例如在大多数手工建模场景中，道路是非常平的，楼体的墙面是非常直的，空气是非常清新没有雾霾的。
同时，由于对模型的修正，手工建模的三维场景中的模型得到简化，其三角面片的数量得以大幅缩减，使三维模型的数据量降低，一定程度上提升了三维场景的浏览性能。
● 不受时空限制
手工建模以人工方式在软件中建造三维场景，可以突破可视空间的局限，除了地表空间外，地下管线、室内空间布局、以及航空、航天的场景都可以在三维GIS中进行管理与展现。
图4 手工建模可突破时空限制
在具有如上优势的同时，手工方式生产三维场景数据也具有诸多限制和局限性，主要体现在如下方面：
● 生产成本高昂
手工建模的生产流程依赖人工操作，需要精通并熟练三维建模软件操作的人员，需要现场拍摄纹理图片，需要后期的美工处理与设计，这些工作都对专业性要求比较强，导致了手工建模三维场景的生产成本一直居高不下。
● 生产周期长
与机械化自动生产相比，人工制作的周期是一个重大局限。当前，以十人左右的建模团队完成50-80平方公里的城区的三维场景建模约需要三个月的生产周期，还只能实现临街楼体的精细建模，居住小区内部的楼房大多是以简模的方式完成。如此漫长的生产周期也影响了手工建模三维场景的更新速度。
● 精确度难以保障
以楼体为例，手工建模生产过程中楼体的高度是估算出来的，一栋楼，先数一下有多少层，按每层2.9-3.5米左右去估算楼体的高度。也有以测绘仪器来测量楼体实际高度的，但毕竟是少数。所以手工建模三维场景的精确度是难以保障的，决定了这类的场景不适合做对精确度要求较高的三维分析应用。
● 不真实
手工建模的成果来源于建模人员的肉眼观察并重现，受限于视角，所建模型往往与实际场景有较大出入，尤其是高层及楼顶。下图中的左图是对两栋建筑的手工建模成果，而这两栋楼的实际样子是右图这样的，可以看到手工建模效果和真实世界是有较大出入的。
综上所述，手工建模的三维场景生产方式是前些年三维GIS数据的主要生产方式，有其优势，也有诸多问题。后文将介绍的倾斜摄影三维数据生产方式是对手工方式的良好补充，甚至在一些领域内已形成对手工建模方式的颠覆，提供了更好的三维数据生产和管理模式。
倾斜摄影建模及其优势
倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术，它颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从五个不同的角度(一个垂直、四个倾斜)采集影像，将用户引入了符合人眼视觉的真实直观世界。
三维GIS将倾斜摄影测量技术与三维场景自动化生产技术结合起来，以飞机、无人机、飞艇等设备以连续条带的方式拍摄场景数据，经过空三等自动化数据处理流程，生产出相应区域的三维场景数据。
与手工建模方式相比，倾斜摄影建模具有如下优势：
● 生产流程自动化，对人工及技能要求降低
倾斜摄影建模目前已形成成熟的自动化生产系统，摆脱了对人工及专业技能的依赖。
● 生产效率高
同样以50-80平方公里的城区为例，飞行拍摄一天内可以完成，数据的自动化处理两周以内即可完成，若以多台服务器并行处理，生产周期还可以更短。依托于此优势，倾斜摄影方式建模可以实现更高频度的数据更新。
● 生产成本低
由于大幅降低了人工成本，倾斜摄影建模的生产成本约相当于人工建模成本的三至六成。
● 数据真实且精度高
好的现实世界还原，并实现量测及分析的高精度。目前倾斜摄影数据的量测精度误差已可控制到亚米级别。
图6 金山岭长城的倾斜摄影数据
源于在效率和成本方面的优势，倾斜摄影建模在近两年得到了迅猛发展，在多个区域多个行业得到了广泛应用。
倾斜摄影建模面临的挑战及超图的应对策略
倾斜摄影数据具有真实、精确的优势，发展迅猛，但在发展过程中也面临诸多挑战。
挑战一：海量数据管理性能
倾斜摄影数据由航测数据自动生成，三角格网精细且复杂，导致了倾斜摄影数据的数据量往往比较大，这对数据的转换、加载、应用的性能带来了严峻的挑战。
倾斜摄影生成的三维场景数据多为OSGB格式，传统的三维GIS软件需要对OSGB格式进行转换，转成GIS软件原生格式后方可在软件中加载并展示。当数据量大的时候，数据格式的转换会花费大量的时间。以300平方公里的倾斜摄影数据为例，数据转换的时间就需要两天左右。
图7 湖南崀山倾斜摄影数据
SuperMap改进了倾斜摄影数据的处理方式，通过技术努力实现了不需转换的高性能加载模式。在SuperMap软件中可以直接加载OSGB格式的倾斜摄影数据，并实现经过优化的高性能数据浏览。SuperMap软件中可实现海量倾斜摄影数据的瞬间全幅加载，具有帧率高、占用内存少的优势。以湖南崀山的倾斜摄影数据为例，其数据量超过600GB，加载时间不到2秒，多种区域和范围的浏览展示帧率保持在35帧以上。
挑战二：只能看，不能管，被称为“花瓶”应用
倾斜摄影数据基于表面模型构建，未能实现地表对象的单体化和对象化。简单来讲，倾斜摄影数据中整个区域是一张起伏不平的连续的表皮，数据中的地表对象，如房屋、树木等是整个数据中的一部分，就像是一大片布料上的一小块区域一样，是不能把它单独来操作和管理的，因为它不能单体操作和对象化操作，造成倾斜摄影数据难以挂接属性数据，也难以与业务管理系统进行对接，造成了倾斜摄影数据只能看不能管的状况，使得倾斜摄影数据的价值难以得到充分发挥，多年来被称为花瓶式应用。
SuperMap基于二三维一体化技术架构，创造性地将倾斜摄影数据与二维GIS数据结合起来，实现了倾斜摄影数据的单体化管理和对象化管理，能够将倾斜摄影数据中的地表对象与业务管理系统对接起来，可以很方便地在倾斜摄影数据上实现点击选择、查询、专题图、分析等多种管理操作，大幅提升了倾斜摄影数据的价值和实用性。
图8 点击选择及查看属性
图9 设定属性条件进行查询
图10 缓冲区查询
图11 根据属性制作分色专题图
挑战三：水体数据修补
倾斜摄影的基础数据以航测遥感的方式获取，水体部分的光学信息被完全吸收容易形成空洞，影响数据展示效果，如图12所示：
图12 倾斜摄影数据中的水体空洞
SuperMap中可以方便快捷地通过勾勒多边形的方式实现对水体空洞的修补，修补后的水面具有动态波纹及动态倒影实时计算的效果和特性，如图13所示。
挑战四：基于倾斜摄影数据的专业空间分析
倾斜摄影数据与现实世界相似度高，且精度高，所以基于倾斜摄影数据的空间分析的结果可靠度高，在多个行业领域中具有重要应用价值。
但与此同时，倾斜摄影数据量大，基于倾斜摄影的空间分析在性能方面会是一个严峻挑战。SuperMap将GPU计算引入倾斜摄影数据的空间分析过程，实现了基于GPU计算的高性能空间分析与运算。
图15 基于GPU的高性能动态可视域分析
综上所述，倾斜摄影数据在生产成本、生产周期及真实性、精确度方面具有明显优势，是对手工建模的良好补充，甚至是颠覆，并会在三维GIS应用中持续快速发展。SuperMap在倾斜摄影数据的高性能加载、对象化管理及专业空间分析方面实现了众多技术创新，提升了倾斜摄影数据的应用价值，拓宽了摄影数据的应用领域。期待倾斜摄影数据会在更多的领域得以广泛且有价值的应用。