高密三维重建数字系统 构建未来世界时空基础

“坐地日行八万里，巡天遥看一千河”。身处在数字时代的我们，早已不满足于将真实的世界仅仅记录在二维的数字影像上，我们更希望在眼前看到更真实、更立体的场景。

随着各地城市化进程的高速发展，城市模型作为城市空间数据框架的重要内容，传统的测绘技术已经不能满足当前发展的需要。实景三维技术作为全新的应用技术，凭借其直观、信息量大、数据结构通用、自动化程度高的优势慢慢成为实景模型建设的首选。

作为国内实景三维重建软硬技术自主创新领域的翘楚，武汉大势智慧科技有限公司（以下简称“大势智慧”）经过十多年的积累和沉淀，在城市高精度三维建模、模型应用及语义化理解和文化遗产数字化保护领域具有领先的技术优势和丰富实践经验。为政府部门和众多行业领域的广泛需求提供了强有力的支撑。

软硬一体的高效集群建模方案

高密三维重建系统是大势智慧联合英特尔全新推出的软硬一体的私有云高效集群建模解决方案。从采集端、处理端、展示端全链条优化，可以对大面积三维实景数据进行快速处理和优化，并且通过大规模调度计算引擎，完成全自主、全国产的实景三维数据处理。

方案基于英特尔® 至强® 可扩展处理器和英特尔® oneAPI 工具包，致力于解决大规模实景三维数据生产过程中的空间占用大、功耗大、效率低、成本高、管理混乱低效的问题。

在三维数据生产过程中，分为两个大步骤：空三、重建，二者各自具有以下特点：

1. 空三 (空中三角测量)

• 读取密集型，大规模的数据读入和预处理;
• 超大规模的稀疏矩阵求解，对于内存及相关数据运算 库有更高要求;
• 现有 CPU 处理效率远远大于磁盘/网络 IO。

2. 重建

• 处理器与协处理器协同工作，未充分利用硬件性能;
• 工程缓存较大，数据传输、获取 IO/带宽成本高;
• 内存资源要求基本一致，64GB 大概可处理尺寸为 100 米 GSD 为 2cm 的瓦片;

在三维数据生产过程中，由于数据量巨大，网络带宽要求高，磁盘读写频繁，针对以上特点，实景三维重建集群系 统包括:空三节点、重建节点、管理节点三个部分：

1. 空三节点

空三节点搭载了第二代英特尔® 至强® 处理器并集成了英 特尔® oneAPI 工具套件。 oneAPI 是由英特尔推出并积极推动的一项行业倡议，旨 在创建一个开放、基于标准的跨架构编程模型，在面对大 量跨各种架构的(CPU，GPU，FPGA)、以数据为中心 的工作负载时简化开发工作，仅需一套编程模型，就可在 不同架构上实现高速运算。

oneAPI 基础工具包里包括了跨架构编程语言 Data Parallel C++ (DPC++)，高性能库和性能分析工具; oneAPI AI 工具包里包括了各种经英特尔深度优化的机器 学习和深度学习的库和框架。

在空三节点里，主要使用到的 oneAPI 部件有:

英特尔® C++ 编译器经典版(ICC): 基于标准的 C/C++ 编译器，能充分利用基于英特尔® CPU 架构 的平台中的内置技术，无缝兼容其他编译器。

英特尔® 集成性能基元库(Intel® IPP):跨平台高 性能软件函数库，提供了广泛的多媒体功能:音频解 码器、图像处理、信号处理、语音压缩和加密机制等。

英特尔® 数学核心库(Intel® oneMKL):英特尔一 套高度优化、线程安全的数学例程、函数，面向高性 能的工程、科学与财务应用。

英特尔优化的 TensorFlow:英特尔对 TensorFlow 在英特尔硬件平台的性能进行了大量 OP 等深入优化， 旨在提供高性能的训练和推理体验。

2. 重建节点

重建节点/农场是大势智慧联合英特尔共同打造的软硬一体的解决方案，占地面积不足 0.8m2，能耗比普通 PC 集 群节省 44%。在优化适配软、硬件，使得二者发挥各自极 致性能的同时，引入集群智能管理调度模块，实现待处理 任务的自适应负载均衡、进度提醒等，能让客户一天拥有 7 个平方公里的 3cm 分辨率的重建能力。

[注 1]:1 套重建农场 + S5000 交换机 + M1200 存储设备。

[注 2]:以分辨率 3cm，照片量:3000 张/km2，80%航向重叠度，70% 旁向重叠度，航高:260m，无外扩计算。

3. 管理节点

管理节点集成了一套重建智能调度管理系统。它与重建大师配套实现自动化、智能化的管理，主要解决大规模数据 生产中空三节点和重建节点的管理及运行保障问题。重建 大师(G3D)是一款专为超大规模实景三维数维数据生产 而设计的集群并行处理软件，提供用户管理、任务调度、 引擎监测、重建等多种子模块，实现计算资源的统一管理与调度。

生态联合 三维一体驶向未来

大势智慧与英特尔联合打造的高密度集群服务器用以进行三维实景重建的解决方案，具有如下优势:

• 占用面积小，效能高 采用高密方案后，用户仅需三个机柜，整体占用面积 不足 0.8 平米。安装 12 个高密重建节点服务器，就能 够达到 200 个 PC 的生产效率，且整体能耗下降 50%。

• 软硬件深度适配与耦合 重建农场与英特尔硬件深度适配耦合，最大限度发挥 软硬件结合优势，大幅提升生产效率;

• 智能管理，运维简单，易于管理 通过智能调度节点统一任务管理，实现“无人值守”， 提升资源利用率。通过自动化智能调度管理系统，对 设备、项目、任务、引擎和软件进行全面管理;

• 快速部署 软件支持私有云架构，支持水平扩展计算和存储资源， 结合运营运维平台轻松部署和运维

• 低成本投资 一次性建设 + 运营费用，远低于其他方案

随着实景三维中国进入实质建设阶段，实景三维建设需求已迫在眉睫，大势智慧经过多年摸索与经验积累，在计算机图像、计算机图形、地理空间数据采集与处理、新型智能传感器、机器学习以及云计算方面拥有多项核心专利技术，在城市高精度三维建模、应用和文化遗产数字化保护领域呈现出强大的技术优势。