基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的三維建模在油田規(guī)劃中的應(yīng)用

2019-05-17 12:22:54楊風(fēng)學(xué)

油氣田地面工程 2019年4期

楊風(fēng)學(xué)

大慶油田工程有限公司

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)基礎(chǔ)建設(shè)的需求也日益增大，與之相應(yīng)的高精度三維測(cè)量工程建設(shè)的力度也在不斷地加強(qiáng)。各城市基礎(chǔ)地理信息的普及和迅速發(fā)展，使三維建模在城市和油田規(guī)劃中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)地形圖中等高線和DEM等對(duì)地形的描述正逐漸被高精度的三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)所取代。

隨著自動(dòng)控制技術(shù)、航空遙感測(cè)繪技術(shù)、GPS定位導(dǎo)航技術(shù)和無(wú)線電通信等技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)已經(jīng)成為三維建模數(shù)據(jù)獲取的重要手段。通過(guò)無(wú)人機(jī)設(shè)備攜帶高精度傾斜攝影系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取，并結(jié)合后端專業(yè)的軟件信息處理系統(tǒng)，使其具有一鍵處理、快速成圖、專業(yè)精度、全區(qū)域處理等功能，從而快速完成測(cè)區(qū)全景拼接圖、DSM、DOM全自動(dòng)生產(chǎn)及快速建模，生成測(cè)區(qū)三維景觀，對(duì)三維場(chǎng)景進(jìn)行漫游及量測(cè)分析，利用航飛影像數(shù)據(jù)，拼接成全區(qū)域大圖，更加直觀、清晰地得到標(biāo)準(zhǔn)化成果，為進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析和利用奠定基礎(chǔ)。

空間信息技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的促進(jìn)作用越來(lái)越受到人們的關(guān)注，包括降低成本、提高效率、模式拓展、產(chǎn)品創(chuàng)新等方面；而與之同步的是，油田的信息化不但在生產(chǎn)管理、安全保障、可視化展示中得到應(yīng)用，而且在現(xiàn)勢(shì)數(shù)據(jù)采集、規(guī)劃研究、虛擬設(shè)計(jì)和輔助決策等方面發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。油田站場(chǎng)數(shù)字化管理平臺(tái)以地理信息技術(shù)為核心，以油田基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在平臺(tái)上集成設(shè)備、站間管道、站內(nèi)管道、文檔等數(shù)據(jù)，為管理提供輔助設(shè)計(jì)、輔助分析、POI等管理工具[1]。由于建立的是充分反映站場(chǎng)現(xiàn)實(shí)狀況的仿真三維模型，其難度在于如何保證高精度數(shù)據(jù)的獲取，海量數(shù)據(jù)的同場(chǎng)景顯示、展示仿真效果等，所以三維可視化平臺(tái)不但要有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，也需要合適的三維顯示平臺(tái)，以達(dá)到預(yù)期的展示目標(biāo)。以某油田廠區(qū)傾斜攝影三維建模項(xiàng)目為例，利用傾斜攝影數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建三維精細(xì)模型，結(jié)合基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)（油田設(shè)施屬性數(shù)據(jù)、地理實(shí)體數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、地名地址數(shù)據(jù)等），疊加規(guī)劃結(jié)果及規(guī)劃其他專題等數(shù)據(jù)，充分利用三維GIS技術(shù)和影像特征，集成RS、GIS與虛擬仿真技術(shù)，開(kāi)發(fā)三維規(guī)劃輔助決策支持系統(tǒng)，為油田建設(shè)規(guī)劃提供決策依據(jù)，提高規(guī)劃決策的合理性和準(zhǔn)確性。

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)是在同一個(gè)飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從一個(gè)垂直、多個(gè)傾斜角度來(lái)采集影像。在一段時(shí)間內(nèi)，飛機(jī)連續(xù)拍攝幾組照片并保持一定的圖像重疊，使同一地物可以在多張相片上被找到，以便內(nèi)業(yè)人員可以更容易地對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并從中選擇最清晰的一張照片來(lái)進(jìn)行紋理的制作[2]。本項(xiàng)目采用BN-6無(wú)人機(jī)搭載雙相機(jī)傾斜模塊，相機(jī)型號(hào)為SONY QX1，根據(jù)往返航線進(jìn)行傾斜攝影。該無(wú)人機(jī)攜帶有GNSS模塊并利用PPK模式進(jìn)行定位，在飛行結(jié)束后結(jié)合地面站數(shù)據(jù)可以獲得高精度的POS數(shù)據(jù)，用于后期數(shù)據(jù)的處理。

2 基于傾斜攝影的三維建模

構(gòu)建傾斜影像三維模型的關(guān)鍵技術(shù)包括傾斜影像數(shù)據(jù)預(yù)處理、空中三角測(cè)量、多視影像密集匹配、紋理映射和紋理遮擋監(jiān)測(cè)等技術(shù)。傾斜影像數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要是預(yù)處理航片影像數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)。航片影像數(shù)據(jù)預(yù)處理包括格式轉(zhuǎn)換、曝光調(diào)整、白平衡編輯、對(duì)比度調(diào)整、降噪、色彩曲線等數(shù)據(jù)的處理；POS數(shù)據(jù)是定向定位的數(shù)據(jù)(包括GPS數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)等)[3]?？罩腥菧y(cè)量是依據(jù)航空像片上量測(cè)的像點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)最小二乘法原理，以少量的地面控制點(diǎn)作為平差的條件，使用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型，快速解算影像的定向以及對(duì)地面點(diǎn)進(jìn)行加密。影像匹配是通過(guò)某種匹配算法識(shí)別兩個(gè)或多個(gè)圖像之間的同名點(diǎn)的過(guò)程。由于傾斜影像是多視圖像并且包含非常豐富的信息量，因此可以在多個(gè)圖像之間獲得更多圖像匹配結(jié)果。紋理映射是將紋理空間中的紋理像素映射到屏幕空間中的像素的過(guò)程，其實(shí)質(zhì)是建立從屏幕空間到紋理空間以及從紋理空間到場(chǎng)景空間的兩種映射關(guān)系。城市建筑物的密度較高且各個(gè)建筑物之間參差不齊，由于傾斜攝影本身的特性，容易阻擋住圖像的側(cè)面紋理。另外，紋理信息存在于傾斜圖像中并且包含大量冗余信息。為了生動(dòng)地對(duì)三維地物的模型進(jìn)行重建，還需從影像中提取真實(shí)地物的紋理信息。在剔除錯(cuò)誤紋理信息時(shí)，可采用紋理遮擋探測(cè)、紋理提取的方法來(lái)解決問(wèn)題。傾斜攝影三維建模流程見(jiàn)圖1。

圖1 傾斜攝影三維建模流程Fig.1 3D-modeling flow of oblique photography

生產(chǎn)過(guò)程主要包括以下幾個(gè)步驟:確定測(cè)區(qū)范圍、對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行劃分、無(wú)人機(jī)航拍、像控測(cè)量、影像數(shù)據(jù)預(yù)處理，自動(dòng)三維建模、模型細(xì)化、模型拼接、模型優(yōu)化、模型導(dǎo)入平臺(tái)及平板等[4]。

測(cè)區(qū)劃分:由于多旋翼無(wú)人機(jī)在航飛時(shí)續(xù)航能力有限，因此有必要對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行劃分，但是在分區(qū)時(shí)需要合理地劃分測(cè)區(qū)，降低圖像的色差，減少圖幅接邊的次數(shù)，便于后期的數(shù)據(jù)處理[5]。

由于最終成果要結(jié)合其他資料使用，以及考慮到模型需要進(jìn)行接邊等因素，在進(jìn)行像控點(diǎn)測(cè)量時(shí)可以采用CGCS2000坐標(biāo)系，布設(shè)時(shí)像控點(diǎn)在各測(cè)區(qū)要均勻分布并保證模型連接處每條邊起碼有2個(gè)像控點(diǎn)。

影像數(shù)據(jù)預(yù)處理：對(duì)像片進(jìn)行除霧、勻光調(diào)色等方面的處理，確保最終成果沒(méi)有色差并減弱空氣中霧霾等因素對(duì)影像數(shù)據(jù)的影響。

三維模型重建:使用三維建模軟件，將影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入，輸入POS數(shù)據(jù)，添加像控點(diǎn)，從而對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模。

模型精修：由于分辨率不足或其他原因會(huì)導(dǎo)致少量模型貼圖變形或者拉花，可以通過(guò)相應(yīng)軟件對(duì)不合格的模型貼圖進(jìn)行調(diào)整以滿足項(xiàng)目的需要。

模型拼接:在三維模型構(gòu)建時(shí)已添加了像控點(diǎn)，因此生成模型的坐標(biāo)系為CSCS2000平面坐標(biāo)系，在拼接時(shí)需要先對(duì)分區(qū)模型進(jìn)行裁剪，剔除貼圖不足的部分，然后再對(duì)模型進(jìn)行接邊。

成果優(yōu)化:由于傾斜攝影技術(shù)是使用多邊形貼圖的方式，數(shù)據(jù)量較大，因此還需要對(duì)成果進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。

3 傾斜攝影三維模型的應(yīng)用

基于傾斜攝影三維模型、結(jié)合地理信息構(gòu)建的三維數(shù)字油田規(guī)劃系統(tǒng)，規(guī)劃人員能在虛擬油田環(huán)境中完成三維景觀瀏覽、地理信息查詢、空間分析（圖2）等，實(shí)現(xiàn)油田建設(shè)輔助規(guī)劃設(shè)計(jì)、方案評(píng)價(jià)、規(guī)劃管理等，顯著提高規(guī)劃工作效率[6]。

圖2 基于三維模型的油田規(guī)劃系統(tǒng)空間分析Fig.2 Spatial analysis of oilfield planning system based on 3D modeling

三維實(shí)景可視化不僅是規(guī)劃區(qū)域現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單再現(xiàn)，還可以整合各類信息（如地形地貌、地下電纜、通信光纜、供水供熱管網(wǎng)分布圖等），利用信息化優(yōu)勢(shì)為專業(yè)資源的應(yīng)用提供全面、集成、具有預(yù)見(jiàn)性的呈現(xiàn)和分析，并通過(guò)數(shù)據(jù)信息的集成對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案進(jìn)行深入模擬仿真，進(jìn)行油田模擬規(guī)劃，完成建筑設(shè)計(jì)中的可行性模擬，實(shí)現(xiàn)智能化決策。三維GIS已經(jīng)能夠利用計(jì)算機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)的軟件系統(tǒng)來(lái)完成各種逼真的圖形顯示與處理，且能集成和操縱實(shí)時(shí)三維圖形、聲音與視頻數(shù)據(jù)等多媒體信息，從而可望借助于仿真的視、聲和力學(xué)感應(yīng)等，為終端用戶創(chuàng)造一個(gè)能實(shí)時(shí)漫游的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境（圖3）。

圖3 三維實(shí)景可視化油田規(guī)劃示意圖Fig.3 3D real scene visualization image of oilfield planning

在本項(xiàng)目中構(gòu)建的三維數(shù)字城市規(guī)劃系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能有：整體地形環(huán)境展示、待拆遷建筑的空間測(cè)量與分析、規(guī)劃方案對(duì)比、指標(biāo)對(duì)比、建筑模擬調(diào)整等，為廠區(qū)拆遷改造及地區(qū)設(shè)計(jì)提供了直觀高效的三維數(shù)據(jù)支持，使規(guī)劃設(shè)計(jì)人員對(duì)實(shí)體空間尺度的把握更為準(zhǔn)確，提高了規(guī)劃設(shè)計(jì)的科學(xué)性。

4 成果分析

此次無(wú)人機(jī)傾斜攝影三維建模項(xiàng)目完成了1個(gè)區(qū)塊的三維建模，建模精度優(yōu)于0.05 m，側(cè)面紋理清晰可見(jiàn)。在廠區(qū)改造項(xiàng)目中，傳統(tǒng)模式與傾斜攝影三維建模對(duì)比見(jiàn)表1。實(shí)踐證明，三維建模結(jié)合無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可以為廠區(qū)改造及地區(qū)設(shè)計(jì)提供強(qiáng)大而有力的數(shù)據(jù)支撐，極大地減少了外業(yè)的工作量。

表1 傳統(tǒng)模式與傾斜攝影三維建模對(duì)比Tab.1 Comparison between traditional model and oblique photography in 3D modeling

5 結(jié)束語(yǔ)