基于多視角三維建模技術在存煤方量計算中的應用

黃婷婷

（福州陸海工程咨詢有限公司 福建福州 350000）

1 引言

近年來，隨著無人機和傳感技術的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)的獲取手段及成果的表現(xiàn)形式多樣性和專業(yè)化。目前傳統(tǒng)的作業(yè)方法無法真實表達復雜環(huán)境的地形地貌。因此三維實景模型逐漸成為構建城市建設、貨物存放等方面發(fā)揮著非常重要的作用[1]。貨物的存放作為物流的一項重要工作環(huán)節(jié)，越來越重視，傳統(tǒng)的煤場存儲量計算，先用推土機對每堆進行整形，人為地推成近似梯形，再進行人工量測。此種方法盤煤工作量非常大，測量誤差也較大。主要是因為人工盤煤形狀非常不精準，煤形的水平面傾斜。采用GNSS 測量造成與實際存煤量的誤差。如果利用無人機與三維建模技術只需采集小量平高點，即可生產(chǎn)高精度DSM 數(shù)據(jù)和三維模型數(shù)據(jù)。本次以華能國際電力股份有限公司福州電廠2019 年第一季度中轉港庫存煤方量測繪項目為實驗。通過無人機多視角攝影生產(chǎn)三維實景成果來解決現(xiàn)場測繪問題。

2 多視角三維建模技術的流程和關鍵技術

無人機多視角影像三維建模流程分為資料收集、現(xiàn)場踏勘、圖上航線設計、外業(yè)像控點布設、像控點采集、外業(yè)航飛、影像預處理、內業(yè)空中三角測量加密、內業(yè)數(shù)據(jù)采集、生成點云形式的DSM、紋理貼圖生成模型（圖1）。

圖1 無人機三維建模流程圖

多視角攝影測量，不僅有傳統(tǒng)下視影像，還有大角度的傾斜影像，傳統(tǒng)的攝影測量方式難以解決影像的畸變和遮擋問題。多視角攝影測量利用各角度航飛POS 提供的定位數(shù)據(jù)，采取從粗到細的金字塔匹配方式在每級影像上進行特征點匹配并提取連接點，再進行光束法平差。通過像控點測量，建立區(qū)域性的誤差方程，聯(lián)合平差，解算出較精確的外方位元素和同名點。

多視角影像密集匹配是三維建模中的關鍵技術。多視影像冗余嚴重，精確且快速找到同名點，生產(chǎn)高精度DSM 是其中的重點[2]。在具體匹配中，采取單一的方式是不夠的。通常會采取多種方式結合，考慮若干影響因子，外加一些外界限制條件進行匹配。

3 多視角三維建模技術在存煤方量中的應用實例

3.1 數(shù)據(jù)采集硬件及數(shù)據(jù)處理軟件

本次外業(yè)采用六旋翼微型無人機對原始場地地形進行三維數(shù)據(jù)采集，使用無人機航測處理軟件Smart3d 進行內業(yè)航測數(shù)據(jù)處理生產(chǎn)三維模型，再使用Smart3d 軟件測量體積功能進行的方量的計算。然后生成存放量明細圖。

3.2 多視角影像采集和數(shù)據(jù)的預處理

飛行外業(yè)采集從相關經(jīng)驗來看，由于本測區(qū)地勢比較平坦，地物落差較小為了保證影像的重疊度及的模型效果。同時基于像控點約束，滿足高精度要求與效率，傾斜影像采用不同航高影像數(shù)據(jù)。采用地面分辨率2cm，相對航高150m 的影像數(shù)據(jù)與地面分辨率為4cm，相對航高200m 的影像數(shù)據(jù)進行對比。且為保障三維模型的生成效果，其航向、旁向重疊度都選用80%，經(jīng)過影像數(shù)據(jù)預處理。數(shù)據(jù)預處理主要是對原始影像的挑剔，影像去噪、影像增強等，對于檢校過的相機進行畸變參數(shù)改正，對于沒檢校的相機可用其他軟件進行畸變參數(shù)檢定[3]。也可以使用Smart3d 進行自由平差，輸出未畸變影像，對影像過暗的情況進行勻光處理，使得后期輸出影像色調基本一致。

3.3 影像自動連接點提取和像控點量測

Smart3d 的自動連接點提取是根據(jù)各影像的POS 數(shù)據(jù)，進行光束法自由平差，自動連接點提取為影像匹配中的特征匹配，尋找同名點，完成自由平差，則導入像控點進行像控點量測，選擇與像控點一致的坐標系，進行位置預測。經(jīng)過自由平差后的影像即可預測像控點位置，選擇較為清楚部分影像進行刺點，完成后再進行一次平差，恢復影像準備外方位元素[4]。通過不同航高影像數(shù)據(jù)生產(chǎn)地面模型DEM。連接點的統(tǒng)計（見表1）。

表1 連接點統(tǒng)計

從表格的數(shù)據(jù)整體分析發(fā)現(xiàn)，隨著航高的增加地面點集合中突變點于已知相控點的差值有明顯增加，經(jīng)兩次對比不同航高的突變點的數(shù)量基本持平只是偏差絕對值相對增加。充分說明航高不同數(shù)據(jù)精度成像影響較大。建議在保證安全的情況下，飛行高度較低有助于提高影像的精度。

3.4 分瓦片完成建模獲取三維模型

Smart3d 在完成連接點自動提取和像控點量測后，計算機即可對建模區(qū)域分瓦片進行三維建模。建模中會生成密集點云且完成紋理貼圖。分辨率較高的影像建議使用多臺電腦集群方式同時工作。三維建模過程中可以輸出多種形式的測繪成果。各種格式的三維模型mesh,密集點云POINT CLOUDS,實景三維模型（圖2）。

圖2 煤堆實景三維模型

3.5 使用RTK 測量技術進行模型精度驗算

在場內用RTK 隨機采集10 個點，采集點精度（見表2）。

表2 外業(yè)檢查點高程與三維模型拾取高程比較

根據(jù)規(guī)范要求高程容許中誤差為±15cm，計算中誤差為0.029cm。（點數(shù)＜20 個時，計算均差為中誤差）高程精度滿足相應要求。

3.6 三維圖上直接計算存煤量與RTK 實測存煤量的比較

三維圖模型圖上直接量取計算地表模型DEM，地表模型DEM 的主要表現(xiàn)形式是不規(guī)則三角網(wǎng)TIN。存方量的計算主要利用TIN 進行，因此就需要把場地存放后地表DEM 生成TIN 和場地存放前生成TIN 疊加所形成交線[5]。通過計算交線區(qū)內所包圍形成的封閉的體積大小。就可以計算出場地存放量。本次在Smart3d 軟件三維模型圖上直接點擊“測量”下設體積選項，可以根據(jù)現(xiàn)場場地情況，直接在三維圖上用特定方法輸入規(guī)劃區(qū)域的坐標，依次連接圈出需要計算存方量的區(qū)域，標示時可將三維視圖窗口放大，選擇傾斜，使點位與現(xiàn)場相符，位置點選完成后，形成封閉圖像，三維圖測量窗口顯示圖形周長，面積，平均高程處的存量。

三維圖計算存量與RTK 實測存量對比（見表3）。

表3 三維圖計算存量與RTK 實測存量對比

從表3 中的精度比較結果顯示，采用無人機航測得到方量計算可以滿足存煤方量測繪要求。存方量偏差率少于2%。

3.7 傳統(tǒng)煤場存儲量計算與無人機傾斜攝影三維建模技術存儲量計算成本和效率對比分析

本次實驗中RTK 測量方式的人工作業(yè)時間長為4 小時，無人機傾斜攝影外業(yè)人工約為1 小時，差距很明顯，但是如果測區(qū)范圍較大，分布較散，人工作業(yè)時間與無人機傾斜攝影會有明顯的差距。無人機傾斜攝影由于外業(yè)作業(yè)時間短，相對參與人員較少。待在生產(chǎn)現(xiàn)場的人次時間較少，同時人員也不需要靠近在生產(chǎn)現(xiàn)場的危險區(qū)域，安全性最高。RTK 測量方式需要外業(yè)人員多，需要待在生產(chǎn)現(xiàn)場的人次多，同時人員必須進入生產(chǎn)現(xiàn)場的危險區(qū)域采集特征點，安全性較低。綜上述可對兩種方式從精確性、時效性、安全性、經(jīng)濟性四個方面進行比較（見表4）。

表4 兩種測量方式測量存儲量特征對比

由此綜合可見，無人機傾斜攝影方式較適合煤場存儲量測算。

4 結束語

本文采用無人機傾斜攝影構建實景三維，通過建模軟件建立煤堆三維模型，實現(xiàn)三維模型與實景三維模型的無縫對接；使用的技術流程可用應用到場地貨物存放、工程設計、工程施工、土方計算、地形測繪等為工程項目提供更準確和更有說服力的依據(jù)，進而保證成果的質量和效率。但三維建模技術還在其發(fā)展過程中仍存在一定的限制因素，模型局部和細節(jié)缺陷使得傾斜攝影測量三維模型難以滿足應用要求，特別在地表不平及地形復雜的情況下有一定的局限性，需要我們不斷加強對該方面的探索和研究，致力于不斷提升三維建模技術在場地存放、工程設計、工程施工、土方計算、地形測繪等方面應用的工作效率。