倾斜摄影模型后处理与建库研究

李淑荣，李锋

(重庆市勘测院，重庆 401120)

倾斜摄影模型后处理与建库研究

李淑荣*，李锋

(重庆市勘测院，重庆 401120)

针对倾斜摄影瓦片成果后处理、建库及加密需求，本文设计了倾斜摄影瓦片后处理及建库方法，开发了相关软件工具。重庆市某区域的建库实验表明，该方法提高数据集成安全性，提升数据访问效率，为倾斜摄影模型应用提供了新的思路。

倾斜摄影；模型后处理；建库

1 引 言

传统三维建模通常使用3ds Max、Creator等建模软件，基于影像数据、CAD平面图或者拍摄图片估算建筑物轮廓与高度等信息进行人工建模。人工建模纹理与实际效果偏差较大，并且生产过程需要大量的人工参与；同时数据制作周期较长，造成数据的时效性较低。

倾斜摄影测量技术通过在同一飞行平台上搭载专业的倾斜相机，同时从垂直、倾斜多个不同角度采集带有空间信息的影像，以大范围、高精度、高清晰的方式全面感知复杂场景，通过高效的数据采集设备及专业的数据处理流程生成的数据成果直观反映地物的外观、位置、高度等属性，获取地表物体更为完整准确的信息，为真实效果和测绘级精度提供保证。杨国东等分析了倾斜摄影测量技术的发展概况、基本原理及外业数据获取，探讨了影像数据的匹配、正射影像纠正以及平差等处理的关键问题[1]；周晓敏等提出了基于倾斜摄影测量技术结合少量人工干预快速构建城市真三维模型的方法，并以西安大雁塔景区为例进行了验证[2]；赵宏等探索了基于倾斜摄影测量技术进行城市实景三维模型、DSM、DEM、DOM、TDOM的智慧城市5D测绘产品制作工艺，并实际应用于昆明市实景三维模型建设[3]； 王琳等研究了基于3ds Max插件的二次开发，将倾斜摄影技术和3ds Max建模优势有机结合，实现三维模型构建和纹理自动映射[4]；孙玉平等设计了三维实景模型功能演示系统[5]。

目前倾斜摄影测量自动建模软件主要有Smart3DCaprture(ContextCapture)、StreetFactory、PhotoMesh等，三者均可以生成通用的倾斜摄影数据格式OSGB；此外，使用CityBuilder可以基于OSGB模型创建3DML数据集，并发布为3DML服务； Acute3D软件生成的3mx文件以及SuperMap软件生成的scp文件均是倾斜摄影成果的索引文件，需要和数据文件一起使用；因此，OSGB格式是倾斜摄影成果的通用格式，具有海量性、多级金字塔级别、加载速度快的特点，是倾斜摄影模型后处理的主要数据源。

利用倾斜摄影测量获取的实景三维模型的几何Mesh带有高精度空间位置信息，数据量非常庞大，海量的OSGB瓦片文件总体动辄数十GB乃至数百GB，考虑到原生OSGB文件包含多级金字塔级别，倾斜摄影展示时预先建立文件索引并直接加载原生OSGB格式成为主要方法。针对直接使用原生OSGB格式存在的数据安全隐患、部署困难等问题，本文提出了倾斜摄影模型后处理与建库方法，提高数据集成安全性，提升数据访问效率，为倾斜摄影模型应用提供新的思路。

2 OSGB文件格式分析

一个区域的实景三维模型成果，按瓦片分割，分为不同的文件夹，每个文件夹对应一个倾斜摄影瓦片；每个文件夹下包含该瓦片的主模型文件以及各个层级的子模型文件，如图1所示：

OSGB文件是OpenSceneGraph开放平台下的一种二进制三维模型格式，对倾斜摄影瓦片主模型进行解析，其格式如表1所示：

图1 倾斜摄影成果文件夹结构

倾斜摄影成果瓦片主模型文件结构 表1

其中，PagedLOD为动态调度的根节点，支持不同距离显示不同细节层次，具体的距离和瓦片模型名列表由RangeList，TileFileNameList定义；Geode是Geometry Node，是瓦片主要的几何节点，一般一个瓦片包含一个Geode；Geometry是Geode的可绘制子对象，一个Geode可包含若干Geometry；作为一个Geometry绘制对象，由状态集StateSet、绘制基础单元列表PrimitiveSets、顶点集VertexArray、纹理坐标集TexCoordArray构成；StateSet状态集包含了材质Material和纹理Texture2D。

一般地，OSGB文件使用JPG作为纹理格式，并将JPG数据包含在文件中。虽然JPG是常见的图像格式，但对于GPU来说，常用的纹理像素格式为R5G6B5，A4R4G4B4，A1R5G5B5，R8G8B8，A8R8G8B8等，JPG格式并不能直接被GPU识别，当JPG格式的纹理读入后，还需要经过CPU解压成像素格式，再传送到GPU进行快速寻址并采样。

最精细一级的叶模型瓦片文件没有更精细一级的子模型，只包含Geode节点，没有PagedLod顶层节点。叶模型、中间层模型和主模型的Geode节点结构是相同的。

3 倾斜摄影模型后处理与建库

通过对倾斜摄影模型后处理与建库需求分析，得出后处理与建库流程如图2所示：

图2 倾斜摄影模型后处理与建库流程

3.1 纹理格式转换

考虑到倾斜摄影模型的纹理是不透明的，因此采用DXT纹理压缩技术，将JPG格式转为DXT格式(S3TC格式)，将节省CPU的图像解析环节，纹理不需要解压缩直接载入显存，纹理载入快，占用显存少，有利于倾斜摄影模型的快速加载。具体步骤是：①将JPG纹理从OSG中抽取出来；②将JPG格式转为不透明的DXT1格式(即GL_COMPRESSED_RGB_S3TC_DXT1格式)，压缩比为25%(将4*4像素的块，每像素为R5G6B5格式两字节，共计32字节压缩为8字节，相当于每个像素0.5字节)；③将DXT1格式的纹理写回OSG文件中。

3.2 数据压缩及加密

经过纹理格式转换后，纹理和模型数据经过打包，需要对打包后的数据进行ZIP压缩，提升数据传输效率。

对于ZIP压缩后的数据，需要采用对称加密算法对数据结果进行加密，提升数据安全性，降低数据传输过程中的泄密风险。

3.3 数据建库

倾斜摄影数据的管理方法，主要包括基于文件管理系统的方式和基于关系数据库系统的方式。前者将瓦片OSG文件数据按照磁盘文件的方式分离分散存储，不利于数据的管理和维护更新；后者将瓦片OSG文件数据集中存储为一个统一的数据库，使用统一的访问接口访问，简化了海量数据的提取和调用逻辑，提高了数据的安全性和可维护性。

关系数据库系统除了支持基本的数据类型(如可变长字符串VARCHAR类型、整数INTEGER类型、浮点数FLOAT类型、时间戳TIMESTAMP类型等)外，还支持变长二进制数据类型，即BLOB类型。BLOB类型可以描述长度可变的二进制数据，适合存储瓦片数据。

本文设计了倾斜摄影瓦片数据库，模式设计如表2、表3、表4所示：

瓦片数据集信息表TILESETINFO 表2

瓦片主模型表TILESETMASTER 表3

瓦片表TILE 表4

瓦片数据集信息表存储不同的瓦片数据集，每个瓦片数据集由UUID、名称、偏移值、数据范围、创建时间构成；瓦片主模型表存储瓦片数据集的各个主模型名称，一个瓦片数据集可以包含多个瓦片主模型；瓦片表存储各个瓦片名称、对应的主模型ID及二进制数据，一个瓦片主模型基于PagedLOD可以包含多个子瓦片。

3.4 数据库访问接口开发

在倾斜摄影瓦片数据库模式的基础上，设计数据库访问接口API，支持瓦片数据集的打开、关闭、元数据获取、主瓦片列表获取、瓦片数据获取等。其中打开函数需要指定数据包文件和数据解密密码；瓦片数据获取函数需要瓦片名称信息，将瓦片数据解密并返回到调用者指定的缓冲区中。

加载瓦片数据集时，首先从瓦片数据集信息表获取瓦片集列表，然后对每一个瓦片集，根据瓦片集UUID查询瓦片主模型表，并获得瓦片集对应的主模型列表，直接访问瓦片表，解析成模型，形成主模型组，结合瓦片集偏移值，加入到三维场景中。在浏览中根据动态调度PagedLOD配置的距离和模型文件，从瓦片表中动态读取相应的子模型数据，解析并加入三维场景中，从而提升海量倾斜摄影实景数据的调度效率。

4 实 验

在设计和实现了倾斜摄影瓦片数据库以后，本文进行了相关的数据访问性能试验。测试数据集使用重庆某区域倾斜摄影成果瓦片231块，层级共7级(L15-L21)，瓦片总数 22 925个，数据量总计为 7.83 GB。

实验平台使用计算机配置为：CPU为Intel(R) Core(TM) i5-3570K 3.4GHz，内存 4 GB，显卡为NVIDA GeForce GTX550 Ti，数据库采用PostgreSQL，测试试验方案采用运行三次求平均的统计方法，访问时间计算采用Windows平台精确计时接口QueryPerformanceFrequency和QueryPerformanceCounter。测试内容是分散文件和加密入库后的数据访问时间对比。测试结果如表5所示：

数据访问实验结果 表5

从表5可以看出，基于关系数据库的加密入库方法将倾斜摄影瓦片存储在一个数据库中，基于内存页面缓存，显著降低了磁盘文件访问次数，比传统的松散磁盘文件相比，随着倾斜摄影瓦片访问数量的增加，数据访问性能提高就越明显。主要原因是：①倾斜摄影瓦片数据库节省了磁盘访问次数，降低了海量琐碎文件访问的开销；②关系数据库支持可以优化的内存页面缓存，提高了数据访问的性能。

该区域倾斜摄影成果加载结果如图3所示：

图3 重庆某区域倾斜摄影建库成果

5 结 语

针对倾斜摄影瓦片成果建库及加密需求，本文设计了倾斜摄影瓦片后处理及建库方法，实现了倾斜摄影瓦片后处理及建库工具。在实际项目中发现：①该瓦片后处理及建库方法能够快速处理和集成倾斜摄影瓦片成果，支持瓦片快速调度；②自定义的瓦片数据加密打包格式，提高了数据安全性，与分散的海量瓦片文件相比，提升了磁盘访问效率，降低了数据部署时间；③充分利用关系型数据库优势，支持嵌入式和网络化访问模式，使用数据库的内存页面缓存，能够提高多线程瓦片访问性能，改进倾斜摄影数据集的整体性能。

倾斜摄影模型后处理及建库方法进一步的发展方向是支持多种加密算法，进一步支持和完善单体化、水域优化等相关数据集成功能，为倾斜摄影建模成果的广泛应用提供支撑。

[1] 杨国东，王民水. 倾斜摄影测量技术应用及展望[J]. 测绘与空间地理信息，2016，39(1)：13～16.

[2] 周晓敏，孟晓林，张雪萍等. 倾斜摄影测量的城市真三维模型构建方法[J]. 测绘科学，2016，41(9)：159～163.

[3] 赵宏，杜明成，吴俐民等. 基于倾斜摄影测量技术的智慧城市5D产品制作工艺实现[J]. 测绘工程，2016，25(9)：73～76.

[4] 王琳，吴正鹏，姜兴钰等. 无人机倾斜摄影技术在三维城市建模中的应用[J]. 测绘与空间地理信息，2015，38(12)：30～32.

[5] 孙玉平，范亚兵，郝睿等. 基于倾斜摄影技术构建实景三维产品的应用开发研究[J]. 测绘与空间地理信息，2015，38(11)：152～154.

Research on Model Post-processing and Database Construction of Oblique Aerial Photography

Li Shurong，Li Feng

(Chongqing Survey Institute，Chongqing 401121，China)

For the necessary of model post-processing，database construction and data encryption of oblique aerial photography，this paper describes an approach of model post-processing and database construction，and implements associated software and tool. Database construction experiment of certain areas in Chongqing shows that the approach improves the security of data integration and the efficiency of data access，and provides a new way for model applications of oblique aerial photography.

oblique aerial photography；model post-processing；database construction

1672-8262(2017)02-98-04

P231

B

2016—11—16

李淑荣(1978—)，女，工程师，主要从事三维数字城市建设等技术管理工作。 基金项目：重庆市社会民生科技创新专项(cstc2015shmszx40007)