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公路三维数字化

发布时间:2023-12-08 19:15:13 丨 文章来源:SpatialSolutioner 丨 浏览人数:1418人



谁需要公路三维模型?

交通数字化转型、智慧公路、交通数字孪生、智慧城市、交通模拟仿真、交通规划改扩建BIM设计等专业应用,都离不开对既有道路的三维建模,并且,建模的精度越高,其模型成果在应用环节的局限性就越小。如何对已经建成的实际运营道路实施高精度三维建模,这是行业应用顺畅实施的基本保障,同时也为从业人员带来了一定的挑战!

要怎样才算是高精度?

这里提及的高精度,并非是细致到毫米!工程领域,如交通规划设计,厘米级精度是能够满足项目应用需求的。但是想要对既有道路实施逆向三维建模,即便是1~5厘米的精度要求,也并非易事,这不是拍脑门、一跺脚,想实现就能实现的!从测绘专业的工作来讲,平面大比例尺(如1:500甚至1:200)地图的制作,已经是一件相当细致耗时的事情,然而,高精度道路逆向三维建模,是近乎1:50,1:10,甚至1:5的更细致还原,否则,出来的模型成果,大多是实现了看起来很像那么回事的道路场景三维可视化呈现,当然,不可否认,三维可视化有着重要的应用价值和市场需求。若想要价值更大化的发挥,高精度道路三维建模是必然的选择!因为那才是满足各种专业领域深化应用的最基本保障!

倾斜摄影建模不行吗?

无人机倾斜摄影测量技术在过去的10年里,不断在行业内快速发展并广泛应用,软硬件技术水平以及从业人员的专业技能都获得了喜人的发展!这项技术不仅能让应用者获得实景三维模型,其模型成果在三维可视化视觉呈现方面具备突出的优势,它能够用照片般逼真的视觉效果紧紧抓住人们的眼球,让人眼前一亮,仿佛置身于真实现场!除工程领域以外,影视行业的应用也是屡见不鲜!与道路建模有关的,2023年就有这么一部片子《Gran Turismo》,其中的赛道场景如下图所示:

从图中的赛道场地道路模型场景来看,十分逼真,简直是将现场搬进了计算机。这是表面三角网模型+照片纹理的最终呈现效果,如果单纯、细致地查看表面模型,其实际的精度通常并非如想象中那么贴近现实。电影终究是电影,如果真的使用这种方式进行赛车模拟仿真,恐怕得到的结果会与实际有着较大的偏差。如下图所示,是将常见倾斜摄影成果接近并切取截面后的效果。

在此需要明确的是,摄影测量技术是可以实现超高精度建模的,毫米级,甚至亚毫米级,没问题!前提条件是将相机贴近被拍摄的目标,通过大量重叠高分辨率影像来捕获目标的完善信息,最终再通过长时间运算来完成超高精度模型的建立,既好看,又好用!但不要忽略前提条件的限定。对于体积不大的物件来讲,如水杯,贴近高密度拍照是一件不难的事情,但对于一个赛车场来讲,则并非易事,更何况是几百、上千公里的交通道路场景,从目前的技术发展状况来讲,想要实现道路场景高精度三维建模,倾斜摄影的代价还是太大!

测绘地理信息、交通勘测设计领域的从业人员对倾斜摄影技术应该都不陌生,如果有亲身实测的经历,也应该非常容易领会以上这段文字的内容。大范围、长线路的倾斜摄影模型,适用于实景三维场景的呈现,对于项目汇报、展示,或是与设计模型叠加作为现场背景等方面有着很好的用处。

不仅如此,即便可以通过摄影测量轻松获得高精度模型,倾斜摄影模型却是一张三角网表皮模型,也可以是一组离散的点云数据,对于计算机软件来讲,都如同平面照片中的像素点,虽然人们可以通过照片或倾斜模型辨别各种类型的物体信息,但目前计算机仍难以准确分清哪里是道路的边缘,哪里是单棵的树,哪里是车道……即便机器学习、人工智能发展得十分迅速!其实行业应用需要的是实体化、单体化、信息化、智能化的三维模型。

基于以上种种因素,倾斜摄影想要实现道路场景的高精度建模,仍存在着美中不足之处!即便精度方面在未来已经满足了需要,从三角网模型到实体三维模型的过程应该也是必不可少的!

数字孪生很普遍了吧?

是的,数字孪生“仿佛”已经很普遍了,随着数字孪生概念的火热,行业内涌现出大量的数字孪生应用案例,让观众大人们看得眼花缭乱,心花怒放!炫酷的大屏系统,三维可视化呈现,再在场景前方叠加带有科技色彩的柱状图、圆饼图、数据表、查询框等元素,数字孪生仿佛活灵活现了(本段不插图,因为网络上搜索“数字孪生”你会轻松看到以上描述的内容)!殊不知,绝大多数,几乎全部,底层的三维模型与真实物理世界之间有着天差地别!漂亮的三维可视化蒙住了观众的双眼,满满科技感迎合了概念需要,就这样,落地、实现价值简直遥遥无期!

尤其在交通行业这种基础设施建设领域,孪生模型需要从实际场景还原而来,与真实物理世界脱轨的三维模型是欠缺实际应用价值的!想要验证数字孪生应用中模型的准确性,不难!将对应场景的实景三维倾斜摄影模型叠加进来,如若数字孪生模型与非高精度的倾斜模型之间都已经相差甚远,那就更别去想高精度数字孪生的事情了!当然,验证的方式不止于此。

有关于行业应用,不泼冷水,只讲客观事实,仍是绝大多数数字孪生模型经不起实际验证!然而,仅有三维可视化的数字孪生,想必其价值体现相较于大家对这一理念的期待就不知差得有多么遥远了!

关键技术到底是什么?

公路三维建模,关键是要保证最终的模型成果能够高度还原真实现场的模样。优案科技针对这项应用的实施流程如下:

首先要到达现场采集真实、准确的场景三维数据


然后提炼出场景中具备特征性质的各项元素




最终再根据特征元素实现高精度三维模型的建立



与以上场景相对应的一段视频供参考:


至此,可能有人会觉得模型不漂亮,没错!这个环节的重点不在于三维可视化,而是先解决至关重要的高精度还原问题。之所以说这是一项关键技术,是因为这个环节不顺畅,后续则难以建立既美观又精准的道路三维模型!CG行业善于建立影视级逼真模型,但对本篇所讲的高精度还原通常并不在行;勘察测绘行业善于到达现场采集实景三维数据,但仍难于顺畅解决场景中三维矢量特征信息高效精准提取的问题!



有关基于实景三维信息进行矢量特征元素提取方面的作业流程,可以参考如下视频:



更多公路场景相关的提取结果可以参考以下图片:

























公路高精度三维建模正确思路是先有精准的三维矢量特征信息,再去建立高精度三维模型,最终进行纹理材质的添加,从而实现高精度模型的三维可视化呈现。高精度道路三维建模成果的示例可以参考下图,道路三维模型的建立是基于实景三维矢量特征信息完成的,如车道线、标牌、路灯、路面箭头、文字、符号、排水井等全要素的位置信息都来源于实景三维激光雷达点云数据。









这样的道路三维模型是真正高度还原真实物理世界场景的数字孪生模型!



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