實景建模技術(shù)在水利工程中的應用探索及精度分析

張國卿，朱慶利，唐 芳

（山東省水利勘測設(shè)計院，山東 濟南 250014）

實景建模技術(shù)是近幾年測繪領(lǐng)域發(fā)展起來的一項逆向建模技術(shù)，該技術(shù)利用有足夠重疊度的相片，完整準確的建立被拍攝物體的三維立體模型。在工程領(lǐng)域，多被用于工程區(qū)域的多角度展示、施工進度匯報、設(shè)計意圖表達等方面。

雖然實景模型的可視化功能已經(jīng)比較完善，也被廣泛應用。但筆者通過實景建模技術(shù)在工程實踐中發(fā)現(xiàn)了普遍存在的兩個問題：一是外業(yè)實施和精度評定方面沒有明確的規(guī)范可查，導致在目標精度范圍內(nèi)，原始數(shù)據(jù)出現(xiàn)冗余的問題，不僅增加了成本，還拖慢了后續(xù)處理工效；另外實景成果目前還主要停留在展示階段，實景模型還沒有真正信息化，或者說如果將實景模型作為測繪資料參與BIM設(shè)計過程，其功能性還不完善。

針對上述兩個問題，筆者結(jié)合我院的項目類型和BIM解決方案確定了兩個探索方向：一是在確保實景模型達到計劃精度的前提下，怎樣有效的降低原始數(shù)據(jù)的體量，減少數(shù)據(jù)處理的時間；二是對實景模型的可拓展性和可編輯性進行探索，讓實景成果盡快參與到BIM設(shè)計過程中。

筆者為全面詳實的獲取實驗數(shù)據(jù)，選取了我院獨立完成的3項具有代表性實景建模案例進行探索。

（1）宋莊分水閘樞紐工程區(qū)（黃水東調(diào)工程）（簡稱宋莊區(qū)），實景建模范圍為：東西方向約600m，南北方向約400m；實景模型面積約為0.23km2；計劃精度達到比例尺1∶500地形圖精度。

（2）加壓提升泵站樞紐工程區(qū)（簡稱加壓區(qū)）（黃水東調(diào)工程），實景建模范圍為：東西方向約700m，南北方向約1000m；面積約為0.74km2；計劃精度達到比例尺1∶500地形圖精度。

（3）莒縣涉水涉地資金整合項目工程區(qū)（簡稱莒縣區(qū)），實景建模范圍為：東西方向1400m，南北方向2000m；實景模型面積約為2.5km2；計劃精度達到比例尺1∶2000地形圖精度。

1 技術(shù)路線

1.1 原始數(shù)據(jù)采集方案

隨著實景建模技術(shù)的不斷發(fā)展，原始數(shù)據(jù)的來源也多種多樣，除了通過無人機傾斜攝影測量獲取之外，手持相機拍攝相片和視頻、掃描儀形成點云等數(shù)據(jù)都可以參與模型的建立。本文討論的三項實景案例均是采用無人機傾斜攝影的解決方案。

相較于工測和航攝等傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式，傾斜攝影測量具有一定的優(yōu)勢，這些優(yōu)勢反映在效率高、成本低和安全性高等幾個方面。

效率方面，在控制點布設(shè)密度要求傾斜攝影測量方面低于傳統(tǒng)攝影測量。理論上，實景模型絕對定向最少需要三個控制點，每個控制點最少有三張相片覆蓋即可。雖然實際操作過程中，無論在控制點精度，還是飛行控制上無法達到理想狀態(tài)，但是與傳統(tǒng)航測嚴格的控制點布設(shè)相比，傾斜攝影測量的前期準備工作時間已大大縮短。

成本方面，隨著無人機技術(shù)的大力發(fā)展，旋翼無人機的采購成本已有大幅度降低；并且在鏡頭方面，實景模型的后處理軟件Context Capture相機庫集成了大量普通量產(chǎn)相機的鏡頭參數(shù)，利用這些相機采集的相片可以直接做為數(shù)據(jù)源，照片附帶的內(nèi)方位元素可直接被軟件讀取使用。實景建模后處理軟件對于數(shù)據(jù)來源的開放性，提高了設(shè)備采購的自由度，節(jié)約了成本。

安全性方面，旋翼無人機飛行速度慢、飛行高度低，起降方式為垂直起降。這是旋翼無人機在安全性方面的優(yōu)勢。

1.2 實景模型后處理方案

實景建模的主流軟件目前有三種：ContextCapture、PhotoScan和Pix4Dmapper。見表1。

表1 三種軟件對比

其中，ContextCapture生成的模型效果最為理想，且后續(xù)工作量較低。我院三維協(xié)同設(shè)計方案采用的是此解決方案，生成的實景模型可以得到平臺底層軟件的支持。所以，實景模型的后處理軟件選用該平臺下的ContextCapture，而應用拓展軟件也選用Descartes。

確定了外業(yè)采集方案和后處理應用軟件后，我們制定了實景建模的工作流程，如圖1所示。

圖1 實景建模的工作流程

2 實景模型建立

2.1 外業(yè)采集

實景模型的原始數(shù)據(jù)決定著該模型的精度和處理工作的復雜度，在實景模型的質(zhì)量和生產(chǎn)效率上取平衡并不容易。在沒有規(guī)范指導的情況下，需要依靠大量經(jīng)驗值支撐。結(jié)合上文提到的3個實景案例，闡述針對不同項目情況采取的解決方案。

宋莊區(qū)地處平原，是水利工程的分水口，地面附著物紛繁復雜。此項目是應用傾斜攝影測量技術(shù)初期進行實施的，沒有經(jīng)驗指導。為了取得最好的效果，將飛行高度設(shè)置為80m，設(shè)備采用Micro-Drones4-1000型旋翼無人機，搭載2個SONY ILCE-6000相機組成的雙魚鏡頭，共飛行了三個架次完成數(shù)據(jù)采集，采集的相片的地面分辨率±1cm。宋莊區(qū)實景模型達到了計劃精度，但是在處理過程中發(fā)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)體量太大，參與建模的照片共計3933張，存儲空間超過40G，嚴重拖慢了實景模型的生產(chǎn)速度。

實施加壓區(qū)的實景建模時，我們根據(jù)不同地貌復雜程度采用了不同的采集方式。加壓區(qū)以水庫大壩和平緩的地面為主，但在測區(qū)東南角有一處村莊在建模范圍內(nèi)。所以在數(shù)據(jù)采集過程中，第一架次主要針對村莊進行數(shù)據(jù)采集，飛行高度為100m，設(shè)備采用MicroDrones4-1000型旋翼無人機，搭載2個SONY ILCE-6000相機組成的雙魚鏡頭；第二和第三架次，主要針對大堤和平緩的地面進行數(shù)據(jù)采集，飛行高度為150m，鏡頭換為單個SONY ILCE-7R相機。通過精度分析，加壓區(qū)達到了精度，并且原始數(shù)據(jù)的體量大大縮減。加壓區(qū)的建模面積是宋莊區(qū)的3倍，但是相片數(shù)不足宋莊區(qū)的70%，在后處理過程中，生產(chǎn)效率明顯得到提高。

在實際生產(chǎn)過程中，精度較低、范圍較大的地形圖也是必不可少的，類似比例尺1∶2000的地形圖。莒縣區(qū)的建模是針對這類生產(chǎn)需求的探索，該測區(qū)是以前獲取的傳統(tǒng)航空攝影測量照片，飛行高度240m，設(shè)備采用UX5 HP型固定翼無人機搭載單個SONY NEX-5相機，共拍攝相片649張。在測區(qū)有效控制點范圍內(nèi)達到了計劃精度。莒縣區(qū)利用實景建模的后處理技術(shù)對垂直攝影相片進行處理，拓展了實景數(shù)據(jù)采集思路。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 原始數(shù)據(jù)導入

原始數(shù)據(jù)不僅指照片，還包括內(nèi)方位元素信息、外方位元素信息、控制點信息等，這些信息是可以直接導入到軟件中。其中內(nèi)方位元素通常被稱為相機文件，外方位元素被稱為POS文件。在導入控制點信息時需要選取相應的坐標系統(tǒng)，導入成功后還要進行刺點的工作。刺點工作的完成度越高，生成的實景模型的投影越精確，高完成度是指將所有帶控制點的相片都進行刺點。

2.2.2 空三解算

空三解算是航攝測量的關(guān)鍵步驟，該步驟能精確的計算每張照片的外方位元素，其平差結(jié)果是考量實景模型精度的重要標準。

雖然理論上最少三個控制點，每個控制點最少三張相片覆蓋即可進行空三解算，但實際操作中，控制點的數(shù)量和采集精度對實景模型的精度有很大影響，所以控制點應大量均勻布設(shè)。關(guān)于布設(shè)密度，暫時沒有相應的規(guī)范可查，筆者也正積極通過各種案例和實驗進行探索，目前還沒有值得參考的結(jié)論。

2.2.3 模型生成

Contextcapture根據(jù)空三解算的結(jié)果自動生成三維實景模型。在生成模型之前，可以選擇輸出格式，可以是三維mesh，彩色點云或者是正射影象等。最終模型的生成是個反復的過程，對于需要糾正的模型，可以先導入Descartes軟件中，進行精確的修正后，再導回Contextcapture軟件，重生成新的模型。至此，三項實景模型通過上述方式建立完畢。

3 實景建模的精度分析與技術(shù)總結(jié)

3.1 精度分析

對于實景模型的精度評定，暫時沒有相關(guān)的精度評定標準，業(yè)內(nèi)習慣將相片分辨率和空三解算的平差結(jié)果作為實景的精度評定標準。

本文從與實測點進行比較的角度分析討論精度問題，且只針對上文中提到的三項實景建模的案例而言，得出的結(jié)論并不具備廣泛性和普遍性。

精度對比過程中首先理清了一個思路，相較于傳統(tǒng)的二維測繪圖將精度分為平面精度和高程精度而言，實景模型已經(jīng)將這兩項統(tǒng)一到三維坐標系中，變成一項精度。在宋莊區(qū)和加壓區(qū)兩項實景范圍內(nèi)，進行了比例尺1∶500地形圖的實地采集。通過疊加和坐標的提取等操作，發(fā)現(xiàn)無論是同名高程點還是地物重合度，實景模型與1∶500地形圖的差值都在厘米級范圍內(nèi)，甚至發(fā)現(xiàn)了二維圖中實測點位準確，繪圖出現(xiàn)操作偏差的情況。莒縣區(qū)實景模型比較特殊，測區(qū)內(nèi)只有少量的實測地形點，分布比較散亂，測區(qū)其中一角沒有可用的控制點參與空三，且空三解算出的平差結(jié)果不理想。通過比較同名高程點差值，出現(xiàn)兩種情況：在缺少控制點的測區(qū)一角處地形點差值在±0.5m左右，而控制點范圍內(nèi)的地形點差值都在±0.15m以內(nèi)。

通過以上的精度分析，筆者認為在三處測區(qū)采用的解決方案能滿足精度要求，但不是最高效的方案，還需進一步的實驗。此外，通過莒縣區(qū)建模發(fā)現(xiàn)：雖然在不設(shè)置控制點的情況下，也能建立實景模型，但生成模型不是一個剛體，控制點能夠讓模型產(chǎn)生形變，所以在必要位置的布設(shè)控制點是不可或缺的。

3.2 技術(shù)總結(jié)

3.2.1 關(guān)于外方位元素

外方位元素是指相機曝光時，鏡頭的瞬時位置和姿態(tài)，而大多數(shù)的原始外方位元素是不準確的，這其中有兩個原因：一是大部分相片的外方位元素信息不完全，普通無人機沒有慣性導航，無法記錄曝光時的姿態(tài)。另一原因是，即便能記錄全面的外方位元素，也不能保證外方位元素與照片是一一對應的。筆者遇到一個案例，同一張相片作為原始數(shù)據(jù)輸入的外方位元素與經(jīng)過空三解算后的外方位元素不一致，并且根據(jù)照片拍攝的內(nèi)容不難發(fā)現(xiàn)，作為原始數(shù)據(jù)的外方位元素是不正確的。

所以，在導入外方位元素的經(jīng)驗是：原始的外方位元素可以參考，但不是絕對準確的，在外方位元素的獲取方式和精度上，無需耗費過大的精力，可通過后續(xù)的空三解算獲得準確的外方位元素。

3.2.2 關(guān)于刺點工作

空三解算之前需要進行刺點的準備工作，但在Context Capture軟件中過濾照片費時費力。通過實驗發(fā)現(xiàn)，進行兩次采樣率不同的空三解算可解決這個問題。先對關(guān)鍵的控制點進行刺點，比如測區(qū)的角點和中心點，帶有這些控制點的相片不必一次刺全。隨后，進行一次低采樣率的空三解算，因為低采樣率的空三解算速度較快，并且能幫助發(fā)現(xiàn)問題、排除問題。計算完成后，回到刺點的工作界面，發(fā)現(xiàn)帶有控制點的所有照片已經(jīng)被篩選出來。最后，再進行正常全面的刺點工作和高采樣率的空三解算即可。

4 實景模型信息提取

筆者將上述三處實景模型導入Descartes軟件，結(jié)合BIM設(shè)計需求，在實景模型信息提取利用方面進行了摸索。

4.1 地面附著物剝離

實景模型實現(xiàn)了所見即所得，但實景模型的地面附著物是以真實尺寸出現(xiàn)在地面上的，而正常的二維測繪圖是將各種地面附著物投影到地面的成果，所以將地面附著物與地面剝離是實景模型參與設(shè)計計算的一個障礙。筆者通過將實景模型轉(zhuǎn)換為分類的點云成果，實現(xiàn)了地面與地面附著物的剝離，如圖2所示。

圖2 實景模型轉(zhuǎn)換為分類的點云成果圖

4.2 斷面查看

斷面查看功能是指通過設(shè)置斷面線的方式，可以實現(xiàn)該處斷面的查看，甚至是斷面線處前后地面附著物立面的查看和導出。另外，還可以設(shè)置中心線作為路徑，按樁號提取斷面，如圖3所示。

圖3 景模型斷面查看功能

4.3 照片導航

照片導航功能是指直接調(diào)用具有準確外方位元素的建模照片，當實景模型對于細節(jié)還原度不夠時，可以通過設(shè)置興趣點的方式篩選出內(nèi)容包含興趣點的照片，并調(diào)用查看。此功能某種意義上來說擴展了實景模型的可視化精度，如圖4所示。

4.4 實景模型分類顯示

相較于二維圖或者GIS圖，實景模型的分類或者分圖層顯示功能還有待遇進一步開發(fā)。筆者通過將實景模型與GIS數(shù)據(jù)、實測地形圖相結(jié)合的方式，如圖5所示，實現(xiàn)了實景模型對專題要素的顯示，擴展了可視化方式。

5 結(jié)語

通過對三處案例的分析，在實景模型的生產(chǎn)處理經(jīng)驗和與BIM設(shè)計過程結(jié)合上，取得了一定的經(jīng)驗和成果。針對常用的比例尺精度標準，形成了可以參考的數(shù)據(jù)采集經(jīng)驗值；在實景模型的信息提取方面，也滿足部分設(shè)計需求。

實景建模技術(shù)已從概念走向應用，并且正在經(jīng)歷從三維可視化到信息化的巨大轉(zhuǎn)變。目前實景模型包含的信息主要是地理信息，還沒有與其他專業(yè)領(lǐng)域信息很好的結(jié)合。將來實景模型與大數(shù)據(jù)的結(jié)合、提取、分析利用，可能是整個行業(yè)的探索方向，實景建模技術(shù)的探索之路任重而道遠。

圖4 實景模型照片導航功能

圖5 實景模型與GIS數(shù)據(jù)的結(jié)合

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