海洋工程設(shè)施三維實(shí)景建模技術(shù)研究及其應(yīng)用

李建鋒

摘 要 大型工程建設(shè)項(xiàng)目中普遍采用了三維建模技術(shù)，隨著數(shù)字工廠、工程改造、容積計(jì)量和古文物保護(hù)等的市場規(guī)模的不斷擴(kuò)大，三維激光掃描和實(shí)景建模技術(shù)在陸地應(yīng)用得到了極大的發(fā)展和提高。實(shí)景建模技術(shù)作為后起之秀，在海洋工程設(shè)施的應(yīng)用比較少，本文著重對(duì)比研究分析三維激光掃描和三維實(shí)景建模技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，研究如何使用實(shí)景三維建模技術(shù)與其他三維建模技術(shù)的結(jié)合來提高海洋工程設(shè)施的三維建模效率。

關(guān)鍵詞 三維建模;三維實(shí)景建模;三維激光掃描;海洋工程設(shè)施

隨著三維實(shí)景建模技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。傳統(tǒng)建模方法主要是正向建模法，該方法主要依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和廠家資料來完成建模工作。逆向建模法作為另一種重建方法，主要是通過三維激光掃描以及三維實(shí)景技術(shù)對(duì)已有的實(shí)體進(jìn)行數(shù)字化測量，然后依據(jù)測量數(shù)據(jù)重建數(shù)字模型。本文主要通過對(duì)比正向建模和逆向建模方法的優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)研究如何使用實(shí)景三維建模技術(shù)與其他三維建模技術(shù)的結(jié)合來提高海洋工程設(shè)施的三維建模效率。

1傳統(tǒng)建模方法的缺點(diǎn)

在運(yùn)用傳統(tǒng)建模方法完成建模的過程中，建模人員主要依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和廠家資料作為建模參考依據(jù)，并依靠相應(yīng)的建模軟件實(shí)現(xiàn)建模工作，同時(shí)結(jié)合工作中形成的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用基礎(chǔ)的三維幾何體，構(gòu)建模型，經(jīng)過多次反復(fù)的調(diào)整，形成最終的成果模型。運(yùn)用此種建模方法，存在許多問題：

（1）需要耗費(fèi)較長的時(shí)間，工作量巨大。在建模過程中，工作人員需要先大量的對(duì)平面圖進(jìn)行識(shí)別，讀取建模所需數(shù)據(jù)，隨后依據(jù)設(shè)計(jì)資料完成對(duì)應(yīng)建模。在這一過程中存在著龐大的工作量，需要花費(fèi)相當(dāng)多的時(shí)間。

（2）對(duì)參與建模的工作人員具有較高的要求。建模人員在建模中主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷與調(diào)整，這種經(jīng)驗(yàn)的積累需要在日積月累的實(shí)踐過程中才能實(shí)現(xiàn)。需要工作人員在實(shí)踐中不斷摸索、總結(jié)，反復(fù)嘗試、訓(xùn)練。

（3）可能存在一些需要被建模的目標(biāo)并沒有圖紙作為載體，建模人員無從知曉實(shí)物，僅僅只能依靠描述和圖片，發(fā)揮主觀判斷進(jìn)行建模工作，這就很可能引起建模的失真。

以上三點(diǎn)不足之處，阻礙了傳統(tǒng)建模方法在海洋工程設(shè)施的應(yīng)用，尤其是在役設(shè)施，因此我們需要在工作中不斷創(chuàng)新，尋求新的建模方法[1]。

2三維激光掃描技術(shù)的缺點(diǎn)

為了克服傳統(tǒng)建模的不足之處，逆向建模技術(shù)出現(xiàn)，它能夠根據(jù)實(shí)體的建筑物或構(gòu)筑物的實(shí)體，運(yùn)用一定的設(shè)備與工具進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，隨后在3D的環(huán)境下進(jìn)一步運(yùn)用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建出模型。三維激光掃描技術(shù)就是逆向建模技術(shù)的一種，它能一定程度上解決了缺少資料物體模型的重建難題，在滿足模型高精度、真實(shí)感的要求下，提高了建模效率，但是依然存在著一些不足之處：

（1）激光掃描對(duì)掃描的實(shí)物有一定的要求，有一些實(shí)物難以進(jìn)行掃描，就無法通過該方法實(shí)現(xiàn)建模。如：玻璃、水等具有透明性的實(shí)物。

（2）激光掃描對(duì)實(shí)物的尺寸大小有一定的要求，面對(duì)無法布置標(biāo)志點(diǎn)和架設(shè)儀器的體積巨大的實(shí)物，三維激光掃描便難以實(shí)現(xiàn)。

（3）激光掃描需要在距離物體一定距離架設(shè)儀器，需要儀器支點(diǎn)，對(duì)于海上設(shè)備設(shè)施的外部掃描無法實(shí)現(xiàn)[2]。

3三維實(shí)景建模技術(shù)的優(yōu)勢

三維實(shí)景建模是逆向建模的另一種方法，它是以圖像為基礎(chǔ)，對(duì)圖像實(shí)行三維重建，簡單來說，它是拍攝照片的逆向過程，從二維圖像轉(zhuǎn)化為三維建模，所見即所得。該方法能夠以數(shù)碼相機(jī)為拍攝的主要工具，結(jié)合對(duì)圖片的相關(guān)處理，于圖像中提取三維空間所需的相關(guān)數(shù)據(jù)，并依靠這些數(shù)據(jù)完成對(duì)目標(biāo)的三維重構(gòu)。該技術(shù)具有極大的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

（1）極大削減了工作量。運(yùn)用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行拍攝，能夠非常迅速地收集到三維建模所需要的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過進(jìn)一步處理，能快速完成三維重建。

（2）相對(duì)而言降低了對(duì)建模工作人員的技術(shù)要求。工作人員僅僅只需掌握拍攝以及數(shù)據(jù)處理的相關(guān)技巧就能夠完成建模工作。

（3）所受限制較少。運(yùn)用該方法完成建模工作，既不會(huì)受到實(shí)物大小的限制，也不會(huì)受到實(shí)物狀態(tài)的限制。

（4）成本較低，無須高昂的相關(guān)設(shè)備。工作人員所需的主要工具就是數(shù)碼相機(jī)，若遇到較大的實(shí)物目標(biāo)，如海洋工程設(shè)施的外部輪廓，可改用無人機(jī)設(shè)備。

以上優(yōu)勢，克服其他建模技術(shù)的不足之處，發(fā)展和推廣實(shí)景建模技術(shù)，不僅僅使得空間信息從二維延伸到三維，更重要的是會(huì)給測繪領(lǐng)域帶來變革[3]。

4三維實(shí)景建模技術(shù)結(jié)合激光掃描技術(shù)在海洋工程設(shè)施三維建模中的應(yīng)用

本文以單鏡頭航攝為例來闡述三維實(shí)景建模技術(shù)結(jié)合三維激光掃描技術(shù)在海洋工程設(shè)施三維建模工作中應(yīng)用。

總體技術(shù)路線主要包含兩部分內(nèi)容。其一是收集海洋工程設(shè)施現(xiàn)有相關(guān)資料并對(duì)其進(jìn)行航空拍攝，其二是對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)一步進(jìn)行處理。

4.1 數(shù)據(jù)采集階段

在數(shù)據(jù)的采集階段，首先使用無人機(jī)多視角航空攝影技術(shù)對(duì)海洋工程設(shè)施進(jìn)行多角度高分辨率影像獲取。獲取得到的航空影像數(shù)據(jù)不但包含高精度GNSS位置信息，同時(shí)所搭載的航攝儀經(jīng)過專業(yè)的幾何參數(shù)檢校，能夠提供準(zhǔn)確的內(nèi)方位元素，為后期構(gòu)建嚴(yán)密的數(shù)學(xué)關(guān)系提供保障。對(duì)海洋工程設(shè)施外部目標(biāo)區(qū)使用多旋翼無人機(jī)搭載專業(yè)航攝儀，采用大重疊飛行方式，以保證三維成果的質(zhì)量。

對(duì)海洋工程設(shè)施內(nèi)部空間，通過三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。例如對(duì)大范圍空曠內(nèi)部區(qū)域，可采用靜態(tài)激光掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù);對(duì)復(fù)雜內(nèi)部環(huán)境，可采用基于SLAM的三維移動(dòng)掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù);對(duì)于難以采集的密閉區(qū)域，可改用手持式三維掃描儀進(jìn)行補(bǔ)充掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過該技術(shù)獲取的高密度、毫米級(jí)精度的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并能在三維成果中直接進(jìn)行模型的測量與管理。

4.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理階段

數(shù)據(jù)預(yù)處理包括影像數(shù)據(jù)預(yù)處理和點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理。對(duì)影像數(shù)據(jù)的預(yù)處理：對(duì)每架次飛行獲取的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)、認(rèn)真地檢查和預(yù)處理，不斷調(diào)整，最終獲取所需數(shù)據(jù)。所有成果進(jìn)行自身質(zhì)量檢查合格后整理歸檔，得到最終航攝成果。在無人機(jī)攝影采集的影像中，影像預(yù)處理中的勻光勻色的調(diào)校及處理速度是影響影像效果的關(guān)鍵因素。對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理就是對(duì)激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行合并、分割、降噪處理等[4]。

4.3 模型創(chuàng)建

（1）海上設(shè)施外輪廓基于無人機(jī)數(shù)據(jù)的三維實(shí)景建模

目前能用于創(chuàng)建實(shí)景模型的軟件不少，例如ContextCapture軟件。傾斜影像數(shù)據(jù)的空中三角測量可采用實(shí)景建模軟件進(jìn)行，具體方法為：

1）將相機(jī)中的照片導(dǎo)入，并提取外方位元素以及相關(guān)的檢驗(yàn)文件，據(jù)此攝像區(qū)空三工程相關(guān)的文件被構(gòu)建出，同時(shí)，依據(jù)外方位的數(shù)據(jù)能夠確定攝區(qū)像的主點(diǎn)方位。

2）將攝區(qū)外業(yè)像控點(diǎn)量導(dǎo)入空三工程。每個(gè)控制點(diǎn)在每個(gè)鏡頭上要刺一個(gè)點(diǎn)位及以上，以此確保控制點(diǎn)測量的準(zhǔn)確度，并根據(jù)刺點(diǎn)點(diǎn)位的信息，將控制點(diǎn)量錄入軟件模塊中。

3）在實(shí)景建模軟件中進(jìn)行空中三角測量計(jì)算設(shè)置，所有傾斜攝區(qū)影像及量測的像控點(diǎn)均需參與運(yùn)算，最終得到攝區(qū)空中三角測量成果。

4）創(chuàng)建實(shí)景三維模型及輸出：以前面測量的空三成果作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)創(chuàng)建模型，并輸出最終的實(shí)景三維模型。

5）三維模型成果展示：三維實(shí)景建模軟件可以輸出多種不同格式的三維模型成果，可直接對(duì)接國內(nèi)外主流GIS平臺(tái)及設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件。

（2）海上設(shè)施內(nèi)部建模與空天一地化處理

海洋工程設(shè)施內(nèi)部設(shè)備建模由激光掃描設(shè)備獲取的彩色點(diǎn)云成果，直接進(jìn)行三維網(wǎng)格的構(gòu)建，得到具有真實(shí)色彩的設(shè)備三維模型。

①導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)。實(shí)景建模軟件支持多格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入。②創(chuàng)建三維模型：攝區(qū)模型制作的計(jì)算任務(wù)量非常大，為了提高數(shù)據(jù)處理的速度，可以將攝區(qū)分割成若干個(gè)小塊模型進(jìn)行處理[5]。

5結(jié)束語

在海洋工程設(shè)施三維建模中，例如針對(duì)海洋終端周邊環(huán)境、地貌等方面的建模，如采用人工測量結(jié)合傳統(tǒng)的建模方式是相當(dāng)困難的，而且需要花費(fèi)大量的人力和物力。如采用傾斜攝影技術(shù)結(jié)合三維激光掃描技術(shù)，在項(xiàng)目前期就能快速采集到海洋終端的相關(guān)建模數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)快速建立精細(xì)的地表三維模型，有效提高海洋終端的三維建模效率，為項(xiàng)目前期決策提供重要參考。本文闡述的三維實(shí)景建模技術(shù)中采用的是多旋翼無人機(jī)搭載單鏡頭的航攝儀，在無人機(jī)拍攝中也可使用雙攝像技術(shù)，這樣獲得的影像數(shù)據(jù)效率會(huì)更高。

參考文獻(xiàn)

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