曹妃甸項目傾斜攝影生成三維模型的實踐總結(jié)

張 理

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

三維實景建模技術(shù)在土地規(guī)劃、災(zāi)害監(jiān)測和國防測繪等應(yīng)用領(lǐng)域起到基礎(chǔ)和核心作用[1]，傾斜攝影技術(shù)有效地提高了三維建模的生產(chǎn)效率，大大降低了三維模型數(shù)據(jù)采集的經(jīng)濟成本和時間代價[2]。目前實景建模技術(shù)對于有色行業(yè)應(yīng)用的還比較少，工業(yè)廠房多以框架結(jié)構(gòu)或者鋼結(jié)構(gòu)為主，廠房間距離比較狹窄，廠區(qū)綜合管網(wǎng)、管道系統(tǒng)復(fù)雜。這些條件對圖像采集帶來一定的困難；軟件對于孔洞的處理不夠理想，需要后期對模型進行修補等，這些客觀條件會給實景建模工作帶來很大的困難。本文以公司設(shè)計建設(shè)的河北省唐山市曹妃甸工業(yè)園區(qū)某冶煉廠為例，從項目啟動到結(jié)束期間，分別對廠區(qū)進行三次實景建模，根據(jù)這三次建模過程總結(jié)出實景建模的工作流程，并對過程中發(fā)現(xiàn)的問題提出解決方案或建議。

1 ContextCapture軟件的模塊介紹

目前世界上支持多視角影像三維實景建模的軟件有許多，諸如ContextPapture、PoxelFactory、Pix4D、VirtuosoGrid、VIrtuoZo、DP-Smart、PhotoScan等軟件，其高度自動化和智能化給建模帶來極高的效率[3]。

ContextCapture軟件可以在無人工干預(yù)的情況下，基于影像生成高分辨率三維模型。Master是一個人機交互界面，相當(dāng)于一個管理者，不執(zhí)行處理任務(wù)，它將任務(wù)分組成若干及基本任務(wù)、然后提交到任務(wù)序列。；Engine即是引擎端，不與用戶交互，它只在計算機后臺運行，只負責(zé)對任務(wù)進行處理，可獨立Master打開或者關(guān)閉；Viewer可預(yù)覽生成的三維場景和模型。

2 項目背景

該項目建設(shè)所在地位于河北省唐山市曹妃甸工業(yè)園，陸路距唐山南部海岸18公里，投資1億元人民幣。項目工期緊，設(shè)計施工工期一年，設(shè)計專業(yè)十幾個，現(xiàn)場多專業(yè)協(xié)同工作多，對項目進度管理和安全管理工作提出很高的要求。

項目分為三個大施工段，有多個構(gòu)件堆場。使用三維實景建模技術(shù)主要解決以下問題：

通過三維實景建模對項目進行場地功能區(qū)劃分、道路規(guī)劃、塔吊布置，提高場地利用率、減少二次搬運、提高材料堆放和加工空間使用率；由于該項目對混凝土預(yù)制屋架的成品保護要求高，利用實景模型模擬場地狹小的施工現(xiàn)場環(huán)境下預(yù)制折線屋架吊裝；通過三維模型與實景模型結(jié)合，對大型構(gòu)件吊裝進行演示，模擬吊車站位和輸出；三維實景模型和設(shè)計模型相結(jié)合，展示工廠總體布置；定期掃描廠區(qū)，通過三維進度模擬與現(xiàn)場實景三維模型進行對比，實時管控進度計劃。

3 建模流程

實景建模的過程主要分為影像數(shù)據(jù)采集、實景數(shù)據(jù)處理兩個方面。

其中影像數(shù)據(jù)采集是獲得三維模型的重要基礎(chǔ)工作，圖像質(zhì)量直接決定了后期生成的三維模型質(zhì)量，圖像的拍攝高度、拍攝角度、重疊率直接影響了三維模型的分辨率和準(zhǔn)確性，而場地情況，如氣象、地形拍攝時間等又是直接影響拍攝的因素，所以在項目開始前期對建模場地要進行勘察，根據(jù)場地情況、模型分辨率和對圖像重疊率的要求，合理規(guī)劃拍攝路線。針對復(fù)雜構(gòu)筑物有時需要補拍影像。

數(shù)據(jù)處理有兩種操作模式，一種是單機式，一種是集群式。集群式的好處是建模速度快、效率高，需要在同一局域網(wǎng)下操作，且每臺計算機的軟件版本相同。實景建模工作流程圖如圖1所示。

圖1 三維實景建模工作流程

4 影像數(shù)據(jù)采集

本項目廠區(qū)長度為500 m，寬度260 m，設(shè)計建模精度為5 cm。采用的是大疆精靈4PRO無人機進行圖像采集，相機傳感器有效像素2 000萬；鏡頭參數(shù)FOV84°、8.8 mm/24 mm(35 mm格式等效)；圖片分辨率5 472×3 078；依據(jù)公式：“投影像素大小×焦距×影像的最大尺寸=傳感器寬度×拍攝距離”計算出本次拍攝的設(shè)計飛行高度187 m。經(jīng)過現(xiàn)場勘查，測區(qū)周邊只有東側(cè)有在運行中的塔吊和發(fā)電廠的煙囪，距離100 m；測區(qū)內(nèi)最高建筑物均低于設(shè)計高度。

根據(jù)軟件對影像數(shù)據(jù)的要求，采集的影像應(yīng)滿足以下幾個條件: 被拍攝物體的每個部分至少從三個獨立視角拍攝；連續(xù)影像的重疊區(qū)域不少于70%；同一物體部分的不同視角間應(yīng)保持15°以下的夾角。本次拍攝采用單鏡頭多角度的拍攝方式，分別對項目場地設(shè)置了垂直、前、后、左、右45°五個不同拍攝角度采集圖像。對于航拍的照片，建議縱向重疊率和橫向重疊率分別不低于80%和50%。

飛行控制程序為DJI GS PRO軟件。航線設(shè)計前通過手機定位測定廠區(qū)邊界坐標(biāo)，將坐標(biāo)信息輸入飛控軟件中，得到航拍的范圍。然后設(shè)置飛行高度，重疊率，鏡頭角度，分別保存五條飛行線路?？梢钥吹?，通過調(diào)整高度和重疊率飛控軟件會自動計算出航線間隔、拍攝間隔，避免了因經(jīng)驗不足造成的重疊率不夠的情況。飛行過程中選擇斷點續(xù)航模式，無人機電量不足自動返航，這樣即保證了無人機的操作安全，又能保證航線拍攝照片的重疊率，減少重復(fù)拍攝。

項目冬季氣溫低，風(fēng)力大，對于影響采集工作帶來一定影響。影像采集時環(huán)境氣象條件良好，最低溫度-5 ℃、風(fēng)力2～3級。五條線路共起飛12架次，耗時4 h，共采集照片863張，其中可用于實景建模的有效照片842張。

5 實景數(shù)據(jù)處理

通過新建工程創(chuàng)建項目目錄(保存文件路徑不能有中文字符)。將五條航向照片分組導(dǎo)入?yún)^(qū)塊內(nèi)，無人機航拍時自帶GPS定位系統(tǒng)，并將拍照時的概略位置信息實時寫入了照片的EXIF信息內(nèi)，故無需再次將位置數(shù)據(jù)導(dǎo)入其中[4]。運行空中三角測量計算，計算出每個輸入影像組的影像組屬性及其姿態(tài)。通過區(qū)塊屬性和空三計算報告顯示計算或評估結(jié)果，成功的空三計算應(yīng)該會計算每幅影像的位置和角元素。提交重建任務(wù)頁面會提示“可進行生產(chǎn)”，同時會根據(jù)計算機內(nèi)存大小提示是否需要切塊。最后是產(chǎn)品輸出，提交生產(chǎn)時需要打開引擎ContextCapture Engine。

實景數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

圖2 實景數(shù)據(jù)流程圖

注意事項：

控制點是對區(qū)塊進行空中三角測量計算期間使用的可選定位信息。向區(qū)塊添加控制點后，可以準(zhǔn)確的將區(qū)塊標(biāo)上地理參照并避免長距離度量失真。此外，在空中三角測量計算后，還可以使用控制點執(zhí)行質(zhì)量控制。如果空中三角測量計算包含3個或者多個控制點，其中每個控制點具有2個或者多個影像測量，則它可以使用一組控制點。

在空三計算中，會顯示丟失的影像數(shù)量。如果丟失的影像過多，或者重疊不足或輸入數(shù)據(jù)不當(dāng)，給空三計算可能會失敗。如果重疊不夠或輸入不當(dāng)導(dǎo)致影像丟失，這種情況下可以采用以下幾種方式：

(1)返回輸入?yún)^(qū)塊，根據(jù)需要修改屬性信息，然后嘗試新的空三計算：

(2)使用輸出區(qū)塊作為中間結(jié)果，然后嘗試從此區(qū)塊執(zhí)行新的空三計算，以計算缺失的屬性。

重建項目必須先編輯空間框架和處理設(shè)置，然后在開始生產(chǎn)。開始生產(chǎn)之后，空間框架選項卡為只讀。在這種情況下，可以復(fù)制重建項目，從而獲得一個完全可編輯得重建框架。使用重建空間參考系統(tǒng)中的軸對齊三維框，可以設(shè)置興趣區(qū)域。默認情況下，興趣區(qū)域自動集中于分辨率明顯的區(qū)域，通常會比我們設(shè)計的區(qū)域范圍大，如果重建項目具有地理參考，則可使用擠出多邊形從KML文件更精確的定義該區(qū)域。單擊“從KML文件導(dǎo)入”按鈕，從KML文件指定興趣區(qū)域。KML文件只能定義二維多邊形，可以從界面定義頂部和底部高度。

生產(chǎn)項目在ContextCapture Master中定義，由ContextCapture Engine進行處理。生產(chǎn)項目由以下屬性定義：輸出格式和選項；空間參考系統(tǒng)和范圍；目標(biāo)。軟件生成的三維模型文件類型有：

圖3 重建生成真實的3MX格式實景模型

(1)三維網(wǎng)格：生成為第三方可視化和分析軟件優(yōu)化的三維模型。

(2)三維點云：生成色彩點云，可以在第三方軟件可視化和分析。

(3)正射影像/DSM：生成可互操作的光柵圖層，可以在第三方GIS/CAD軟件或影像處理工具中執(zhí)行可視化和分析。

(4)用于進行修飾的三維網(wǎng)格：生成可在第三方軟件中編輯的三維模型，然后重新導(dǎo)入ContetCapture后進行后續(xù)生產(chǎn)。

(5)僅參考三維模型：生成ContetCapture Master內(nèi)部使用的三維模型，用于質(zhì)量控制，并作為后續(xù)數(shù)據(jù)生產(chǎn)的緩存數(shù)據(jù)。

6 實景模型數(shù)據(jù)的提取與應(yīng)用

我們得到的實景模型后不僅僅可以用于展示，還可以通過實景模型提取原始地模數(shù)據(jù)。相對于傳統(tǒng)二維設(shè)計從等高線、高程點提取數(shù)據(jù)的方法，使用實景模型數(shù)據(jù)更加便捷高效。避免測繪數(shù)據(jù)的高程信息在重復(fù)參考后數(shù)據(jù)丟失的情況。把制作好的數(shù)字地模直接導(dǎo)入到Bentley OpenRoads Designer、Bentley GEOPAK Site等場地設(shè)計軟件進行三維場地設(shè)計?？蓱?yīng)用于場地規(guī)劃、土方量計算、洪水淹沒區(qū)演示等方面。下面以Bentley Descartes為例介紹提取數(shù)據(jù)的過程：

首先打開Bentley Descartes軟件，將我們制作好的實景模型通過菜單欄中的連接- 實景網(wǎng)絡(luò)- 連接，導(dǎo)入進來，軟件支持3MX、3SM兩種格式。導(dǎo)入實景模型后在，執(zhí)行提取- 實景模型- 地面提取命令。根據(jù)實景模型中的構(gòu)筑物的大小進行設(shè)置參數(shù)。提交提取后會生成.pod/.stm/.tin文件，并且會自動參考到軟件中。

*.Pod文件可以通過分組設(shè)置，對生成的數(shù)據(jù)進行篩選，去除人為創(chuàng)建的構(gòu)筑物、地表植被等數(shù)據(jù)，僅保留地面數(shù)據(jù)。

*.Stm文件抽取數(shù)據(jù)時已經(jīng)把構(gòu)筑物、樹木植被過濾掉。

通過上述幾步操作，我們就可以得到原始地形數(shù)據(jù)。

7 經(jīng)驗教訓(xùn)

本次測試項目采用的是大疆精靈4PRO消費級無人機。在氣象條件良好的情況下續(xù)航時間為20 min。由于項目所在地在北方沿海地區(qū)，風(fēng)力比較大、冬季氣溫低，大大降低了無人機的工作效率。同時配備的單鏡頭也不能滿足多角度拍攝，需要多次規(guī)劃航線進行拍攝。這種方法雖然從成本控制上降低了硬件設(shè)施的投入，但需要花費更多的人力資源，并且在重疊率方面需要需要對航線進行更加精確的設(shè)計。

目前市面上的固定翼飛機、專業(yè)級多軸無人機在起飛重量和續(xù)航時間上都有提升，同時飛行姿態(tài)更加穩(wěn)定。機身搭載傾斜攝影相機，(一個垂直鏡頭，四個方向傾斜鏡頭)，一次拍攝同時可以得到五張不同角度照片，能夠更好的提高工作效率。

無人機航拍操作有很高的專業(yè)性，飛行操控者需要能夠熟練操控?zé)o人機。同時需要對周圍航線規(guī)劃高度內(nèi)的高大構(gòu)筑物、障礙物進行勘察，規(guī)劃航線時避免這些危險區(qū)域。在人員密集的區(qū)域進行航拍飛行時一定要制定安全措施和應(yīng)急預(yù)案。

由于光影的影響，照片暗部細節(jié)模糊對空三計算影像比較大，所以最佳的拍攝時間為10:00～14:00。這個時間段太陽高度最高，陰影面積最小，所生成的模型細節(jié)更加清晰完整。

由于傾斜影像具有高分辨率、高重疊度，能生成高度密集且數(shù)量巨大的稠密點云，參與模型計算的數(shù)據(jù)量過大[5]，因此對計算機的硬件要就較高。建議計算機具有至少16GB RAM、一個八核CPU和一張NVIDIA GeForce GTX 860M顯卡。

對于場地復(fù)雜狹窄，不利于無人機飛行的區(qū)域，建議結(jié)合激光點云技術(shù)，形成完整的場地模型。

8 結(jié)束語

綜上所述，本文介紹了基于ContextCapture在曹妃甸項目中實景建模的過程。利用傾斜攝影進行三維建模，具有數(shù)據(jù)采集簡單，建模過程人工干預(yù)少，成模速度快，精度高、能夠真實展示項目實景情況的特點。三維實景模型可以用于前期場地利用方案研究，確定坐標(biāo)點，計算挖、填土方量，展示設(shè)計方案，優(yōu)化施工場地布置，監(jiān)控現(xiàn)場工程進展情況，進行安全評估，測量改造項目原有設(shè)施尺寸數(shù)據(jù)，獲取難、險地形(索道項目)工程數(shù)據(jù)等功能，成本低，工程應(yīng)用前景廣闊。