三維實(shí)景建模在水利工程中的應(yīng)用

萬(wàn) 凱，王 碩，李 炳

（濟(jì)南市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

實(shí)施智慧水利的基礎(chǔ)是構(gòu)建實(shí)景三維模型。三維實(shí)景建模是一種運(yùn)用數(shù)碼相機(jī)對(duì)現(xiàn)有場(chǎng)景進(jìn)行多角度環(huán)視拍攝，然后進(jìn)行后期縫合的一種三維虛擬展示技術(shù)。

山東省水利工程眾多，水工建筑物種類全面，結(jié)合本次研究的目的，選定濟(jì)南市趙王閘作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

1 趙王閘概述

趙王閘位于濟(jì)南市歷城區(qū)小清河北岸孟家村以西，2013年8月建成，雙開(kāi)孔敞開(kāi)式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，平板鋼閘門，卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，閘門尺寸4.25m×3.8m，閘底板高程18.04m。趙王閘占地面積0.4hm2，周邊地勢(shì)平坦，閘區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能夠代表一般的水閘結(jié)構(gòu)形式，適合作為本次的建模對(duì)象。

主要任務(wù)目的是驗(yàn)證整個(gè)建模流程的可用性，然后推廣到復(fù)雜大場(chǎng)景中，利用塊區(qū)組裝生產(chǎn)大范圍的自然地貌實(shí)景模型，通過(guò)增加像控點(diǎn)對(duì)位置對(duì)象進(jìn)行約束，提高建模精度。

2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

2.1 無(wú)人機(jī)航拍設(shè)備

本次航拍使用4prortk無(wú)人機(jī)，相對(duì)傳統(tǒng)的固定翼飛行器有更高的安全系數(shù)和作業(yè)靈活度，具有高精度GNSs系統(tǒng)，采用DRTK實(shí)時(shí)差分定位技術(shù)，提供厘米級(jí)定位系統(tǒng)，能夠保證航線精度和飛行姿態(tài)穩(wěn)定，減少飛行高度變化對(duì)影像間比例尺的影響，進(jìn)行免像控作業(yè)精度可達(dá)厘米級(jí)。系統(tǒng)提供衛(wèi)星原始觀測(cè)值與相機(jī)曝光文件，支持PPK后處理，不受限于通信鏈路與網(wǎng)絡(luò)覆蓋，作業(yè)更加靈活高效。相機(jī)組件為1inc2000萬(wàn)像素CMOS傳感器。機(jī)械快門可以在高速飛行拍攝時(shí)消除果凍效應(yīng)，有效避免畫(huà)面失真?；償?shù)據(jù)存儲(chǔ)于每張照片的元數(shù)據(jù)中，可以使用后期處理軟件進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整。

2.2 規(guī)劃航線

使用無(wú)人機(jī)自帶地面站軟件，新建飛行任務(wù)，選擇傾斜攝影并在衛(wèi)星地圖上規(guī)劃布置飛行軌跡，設(shè)置飛行高度36m、相機(jī)俯仰角度45度、旁向重疊度70%以及航向重疊度80%后，然后程序自動(dòng)計(jì)算出飛行速度3.5m/s，并且布設(shè)5條航，全方位多角度拍攝測(cè)區(qū)。

為保證重疊度，本次拍攝區(qū)域的實(shí)際拍攝面積6609.45m2，總航線長(zhǎng)度3425m，總航點(diǎn)64個(gè)，拍攝照片552張，執(zhí)行任務(wù)時(shí)間21.8min。

2.3 檢查數(shù)據(jù)完整性

對(duì)無(wú)人機(jī)航拍生產(chǎn)的數(shù)據(jù)分別從質(zhì)量上和數(shù)量上進(jìn)行初步檢查，對(duì)航拍不能覆蓋到的閘區(qū)細(xì)部進(jìn)行手動(dòng)補(bǔ)充拍攝，對(duì)逆光曝光不足的照片調(diào)整曝光到合適值。為了提高建模速度，在保證建模精度的前提下，可以適當(dāng)降低照片分辨率，這里批量修改照片分辨率到75%，質(zhì)量90%，從而使數(shù)據(jù)量大大降低，處理效率提升明顯。

3 模型重建

3.1 硬件平臺(tái)及軟件平臺(tái)

三維實(shí)景建模對(duì)計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力要求高，尤其是圖形處理器GPU的處理速度，另外內(nèi)存大小也直接影響模型重建的作業(yè)時(shí)間。計(jì)算機(jī)工作站采用Corei7-8750H@2.20GHz中央處理器，顯卡GeForceGTX1060（6GB），內(nèi)存64GB（DDR42666MHz），固態(tài)硬盤(pán) MZVLW256HEHP，HM370芯片組，操作系統(tǒng)Windows10專業(yè)版64位（DirectX12）。

軟件的選擇決定模型生成的質(zhì)量。通過(guò)實(shí)踐比較，發(fā)現(xiàn)ContextCapture能更好地適應(yīng)水利工程建筑物三維實(shí)景建模的特點(diǎn)，在處理水面、扭面等特殊表面上有更大的優(yōu)勢(shì)。

3.2 ContextCapture實(shí)景建模

1）POS信息設(shè)置。將無(wú)人機(jī)拍攝的5條航線傾斜影像和后期手動(dòng)補(bǔ)拍細(xì)部結(jié)構(gòu)總共609張圖片放置于同一個(gè)文件夾下備用，運(yùn)行ContextCaptureMaster套件新建工程，設(shè)置工程路徑，盡量避免中文字符。導(dǎo)入圖片，檢查完善影像組信息，設(shè)置采樣率，檢查照片完成性，導(dǎo)入pos。編輯pos信息文件時(shí)，確保圖片文件名跟坐標(biāo)數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)，保存為txt文件，文件名及路徑避免使用中文字符，然后在下一頁(yè)設(shè)置每個(gè)字段的對(duì)應(yīng)項(xiàng)目。

2）運(yùn)算成模。完成pos信息設(shè)置后提交空中三角測(cè)量，經(jīng)過(guò)半小時(shí)運(yùn)算，得到152945個(gè)自動(dòng)連接點(diǎn)，與光線的距離rms為0.015m，可用測(cè)量數(shù)為2907個(gè)，采用wgs84坐標(biāo)系。為了減少模型重建運(yùn)算時(shí)間，以及考慮到最終生成模型文件的大小，需要進(jìn)行必要的裁切，保留主要部位，去除周邊無(wú)用場(chǎng)景，提高模型生產(chǎn)效率。

經(jīng)過(guò)2個(gè)半小時(shí)的運(yùn)算，模型重建完成，生成模型文件為OSGB格式，可以方便上傳到云端進(jìn)行分享，或者導(dǎo)入第三方3d軟件進(jìn)行編輯。

3）參數(shù)修正。由于水面等光滑反光表面出現(xiàn)大面積空洞塌陷，需要使用其他第三方3d軟件進(jìn)行修補(bǔ)。在重建輔助里添加曲面約束，人為添加水域位置信息，最好在外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)用RTK測(cè)繪出水面線，因在做外業(yè)時(shí)無(wú)法進(jìn)入閘區(qū)內(nèi)部進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，只能在衛(wèi)星地圖上描線，獲得大致的水面范圍，范圍可以適當(dāng)畫(huà)大一點(diǎn)，保證跟模型能夠產(chǎn)生交錯(cuò)，這一步至關(guān)重要。設(shè)置到位后，提交新的生產(chǎn)項(xiàng)目，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的計(jì)算過(guò)程，最終成功生成了水面自然閉合，曲面過(guò)度平滑的閘區(qū)三維實(shí)景模型，見(jiàn)圖1。

圖1生成后的模型

4 結(jié)論

通過(guò)選取具有代表性的水工建筑物趙王閘進(jìn)行三維實(shí)景建模實(shí)驗(yàn)，探索出了一套建模流程。對(duì)于出現(xiàn)的水面塌陷不完整問(wèn)題，也通過(guò)添加曲面約束等方式得以解決，做到一次成型。在保證外業(yè)影像采集質(zhì)量的前提下大大提高內(nèi)業(yè)效率，同時(shí)，很大程度上降低傳統(tǒng)建模作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度和模型建設(shè)成本。

后期也可以在此基礎(chǔ)上建立數(shù)理化管理系統(tǒng)，提升水利工程建筑物智能化程度。