基于無人機(jī)的三維消防輔助救援系統(tǒng)構(gòu)建

李 鵬

（內(nèi)蒙古烏海市消防救援支隊(duì)海南區(qū)消防救援大隊(duì)，內(nèi)蒙古 烏海 016000）

0 引言

隨著城市的發(fā)展，人員向中心城區(qū)集聚，將建設(shè)的高大居住建筑和商業(yè)建筑解決了居民的居住和交易問題，但也給消防安全帶來巨大的挑戰(zhàn)[1]。一方面這些建筑物中人員密集，火災(zāi)發(fā)生后導(dǎo)致的救援難度增大，另一方面火災(zāi)引發(fā)的財(cái)產(chǎn)損失和人口傷亡給人的身心健康帶來傷害[2]。火災(zāi)監(jiān)測和預(yù)防是降低火災(zāi)災(zāi)害程度的有效方法，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)具有靈活性強(qiáng)、適合復(fù)雜環(huán)境高空監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以融合建筑三維信息技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，為消防輔助救援提供性的解決方案，同時(shí)也賦予了無人機(jī)傾斜攝影的測量、偵察、監(jiān)測和信息化的新應(yīng)用內(nèi)涵。該研究基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的三維消防輔助救援系統(tǒng)為無人機(jī)在消防領(lǐng)域中的推廣應(yīng)用提供了十分重要的理論基礎(chǔ)。

1 基于無人機(jī)傾斜攝影的傾角數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)

為了獲取不同影像角度、影像覆蓋范圍和影像分辨率的圖像，無人機(jī)傾斜攝影在采集影像圖片時(shí)，需要將航攝儀設(shè)置一定的鏡頭傾斜角和巡航高度，如徠卡RCD30 航攝儀，其巡航時(shí)鏡頭傾斜角為35°[3]。無人機(jī)傾斜攝影儀鏡頭的角度變化對構(gòu)建三維實(shí)景圖像模型產(chǎn)生一定的影響，表現(xiàn)為攝影成果圖像特征提取、模型紋理清晰度和模型匹配精度等[4]。在三維消防實(shí)景圖像模型構(gòu)建中，需要利用無人機(jī)傾斜攝影獲得的2 種影像數(shù)據(jù)，分別是下視影像和傾斜影像。前者主要是獲得地形地物的表面影像信息，其分辨率為傳統(tǒng)意義上的分辨率，而后者主要獲得地形地物的側(cè)面影像數(shù)據(jù)，其分辨率為傾斜水平分辨率和傾斜垂直分辨率[5-6]。

為了使影像數(shù)據(jù)與實(shí)際模型更好地匹配，在無人機(jī)傾斜攝影中應(yīng)保證一定程度的影像重疊，提高影像分辨率，同時(shí)影像的最大分辨率和最小分辨率的比值應(yīng)小于2.0。無人機(jī)傾斜攝影的下視分辨率可以按公式（1）進(jìn)行計(jì)算。

式中：GSD為無人機(jī)傾斜攝影的下視分辨率；H為無人機(jī)相機(jī)鏡頭巡航高度；f為相機(jī)鏡頭的焦距；a為相機(jī)鏡頭視場角的一半。

傾斜影像分辨率的求解數(shù)學(xué)模型如圖1 所示，圖中of為相機(jī)的主光軸，be為像元，EF為像物，K為相機(jī)主光軸和像物EF延長線的角點(diǎn)，航攝儀傾角為θ。根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系以及中心投影原理，可以推導(dǎo)得到無人機(jī)傾斜攝影的傾斜水平分辨率AB，如公式（2）、公式（3）所示[7]。

圖1 無人機(jī)傾斜攝影傾斜水平分辨率和傾斜垂直分辨率的計(jì)算原理

同樣地，可對無人機(jī)傾斜攝影的傾斜垂直分辨率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如公式（4）、公式（5）所示。

2 基于無人機(jī)傾斜攝影的三維消防實(shí)景模型構(gòu)建

在構(gòu)建三維消防實(shí)景模型前，需要獲取消防建筑物的航空影像數(shù)據(jù)。該研究以烏海市海南區(qū)某獨(dú)棟大樓作為試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，采用無人機(jī)傾斜攝影設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，建筑物高度為8 層，高度約23 m，建筑物周邊較為空曠，適宜作為試驗(yàn)場區(qū)，建筑結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，對無人機(jī)傾斜攝影三維消防建模試驗(yàn)具有一定的適宜性[8]。無人機(jī)傾斜攝影設(shè)備為大疆DJI-Phantom-4Pro 無人機(jī)，搭載多個(gè)相機(jī)鏡頭攝影儀對建筑物進(jìn)行多角度的拍攝，相機(jī)類型為DJIFC6319，相機(jī)傳感器為Sony Exmor R2 英寸 CMOS，焦距為8.5348mm，像素元為5472×3648pixel，像幅尺寸/CCD 尺寸為12.8333×8.5556 mm，像元大小為2.34527 um，航向視場角為±26.2234°，攝影范圍為120m×90m。

在拍攝的過程中，沿著建筑物周邊共布置6 個(gè)像控點(diǎn)，像控點(diǎn)坐標(biāo)通過RTK 進(jìn)行采集，無人機(jī)設(shè)備設(shè)定縱橫向5個(gè)巡航入選進(jìn)行拍攝，巡航高度為55 m，沿著建筑物垂直面外擴(kuò)進(jìn)行拍攝，外擴(kuò)的距離為30m，平均面航向重疊度為82%，拍攝高度分為3 個(gè)等級，分別為距離地面6 m、距離地面12 m、距離地面18 m 和距離地面55 m，共獲取無人機(jī)傾斜攝影影像1090 張，其中東西方向185 張，南北方向268 張，西東方向160 張，北南方向262 張，下視拍攝215張。采集圖像通過Smart3D 和PhotoScan 軟件進(jìn)行三維消防建筑實(shí)景建模。通過PhotoScan 軟件強(qiáng)大的空三能力，對無人機(jī)傾斜攝影原始圖像進(jìn)行空三加密，并導(dǎo)入Smart3D 軟件中進(jìn)行自動化三維建模，利用密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建TIN 三角網(wǎng)、生成建筑物的紋理和3D 虛擬模型，并通過軟件自帶的S3CComposer 工具編輯索引，完成建筑實(shí)景與三維模型的相互融合，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 基于無人機(jī)傾斜攝影的三維點(diǎn)云模型與實(shí)景融合構(gòu)建

為了驗(yàn)證構(gòu)建的三維實(shí)景模型的精細(xì)化程度，對建模過程中的紋理映射進(jìn)行研究，分別采用傳統(tǒng)的圖像紋理模型構(gòu)建、點(diǎn)云融合紋理模型構(gòu)建以及實(shí)景融合紋理模型構(gòu)建3 種方法，得到的三維實(shí)景模型如圖3 所示。從圖3（a）中可以看出，采用傳統(tǒng)的圖像紋理模型構(gòu)建，圖中橢圓形中存在明顯的紋理數(shù)據(jù)空洞，而在模型房檐遮擋部位，則存在數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)模糊現(xiàn)象，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的圖像紋理模型在較薄結(jié)構(gòu)實(shí)體和有遮擋物存在的區(qū)域，密集匹配的點(diǎn)云較少，運(yùn)算時(shí)容易存在紋理映射缺失，TIN 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)稀疏，導(dǎo)致空洞出現(xiàn)；從圖3（b）中可以看出，與傳統(tǒng)的圖像紋理模型構(gòu)建相比，點(diǎn)云融紋理模型構(gòu)建使空洞現(xiàn)象和細(xì)節(jié)拉花現(xiàn)象得到顯著改善，如圖中橢圓形和矩形位置，模型中的細(xì)部紋理也更清晰，這是因?yàn)椴捎命c(diǎn)云融合數(shù)據(jù)時(shí)，統(tǒng)一的空三加密點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠得到有效加密，對點(diǎn)云稀疏位置可以得到紋理映射；從圖3（c）中可以看出，基于實(shí)景融合的紋理模型構(gòu)建，橢圓形中的數(shù)據(jù)空洞現(xiàn)象得到明顯改善，但是仍沒有解決在模型房檐遮擋部位的細(xì)節(jié)模糊問題，這是因?yàn)閷?shí)景融合同樣具有較好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)加密功能，對近地影響TIN 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)能夠與紋理建立較為完整的映射函數(shù)。

圖3 不同融合方法得到的三維建筑實(shí)景模型紋理

3 融合多傳感器信息的無人機(jī)三維消防輔助救援系統(tǒng)應(yīng)用效果

在無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)建立的三維實(shí)景建筑模型的基礎(chǔ)上，采用無人機(jī)飛行平臺搭載多種傳感器提取火災(zāi)因子，以建立建筑物火災(zāi)信息和消防救援輔助系統(tǒng)，搭載的傳感器主要有二氧化碳傳感器、一氧化碳傳感器、煙霧傳感器、溫度傳感器等[9]。由于實(shí)際尺寸的建筑物中進(jìn)行火災(zāi)測試，具有危險(xiǎn)性大、測試成本高的缺點(diǎn)，該文基于建立的三維實(shí)景建筑模型的基礎(chǔ)上，通過交互式PACT 設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)而FDS 計(jì)算程序，研究火災(zāi)中消防輔助救援無人機(jī)測試的煙霧濃度和溫度的效果。溫度測試結(jié)果見表1。從表1 中可以看出，搭載溫度傳感器的無人機(jī)能夠較為可靠地測試到建筑物發(fā)生火災(zāi)時(shí)溫度的變化，在停留的180 s 中，距離墻體5 m 的溫度呈現(xiàn)劇烈變化，溫度最大值達(dá)到57.8 ℃，而距離墻體10m時(shí)，溫度變化程度相對較小，溫度最大值為35.4 ℃。

表1 不同墻面距離處的溫度測試結(jié)果

煙霧濃度測試結(jié)果見表2。從表2 中可以看出，搭載煙霧濃度傳感器的無人機(jī)能夠較為可靠地測試到建筑物發(fā)生火災(zāi)時(shí)煙霧濃度的變化，在停留的180 s 中，距離墻體5 m 的煙霧濃度呈現(xiàn)劇烈變化，煙霧濃度最大值達(dá)到967.84×10-4%，而距離墻體10 m 時(shí)，溫度變化程度相對較緩，煙霧濃度最大值達(dá)到695.25×10-4%。

表2 不同墻面距離處的煙霧濃度測試結(jié)果

4 結(jié)論

該文以烏海市海南區(qū)某獨(dú)棟大樓為研究對象，通過數(shù)學(xué)理論分析、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集以及仿真分析的方法，研究三維建筑消防實(shí)景模型的建立方法、模型精細(xì)化程度，得到以下3個(gè)結(jié)論：1）基于無人機(jī)傾斜攝影的傾角數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)的傾斜水平分辨率和傾斜垂直分辨率、下視影像分辨率，為三維消防實(shí)景模型的建立提供了分辨率計(jì)算基礎(chǔ)。2）與傳統(tǒng)的圖像紋理模型和實(shí)景融合紋理模型相比，點(diǎn)云融合紋理模型的精細(xì)化程度更高，模型中的空洞現(xiàn)象和細(xì)節(jié)拉花現(xiàn)象得到顯著改善。3）搭載煙霧濃度傳感器和溫度傳感器的無人機(jī)能夠較為可靠地測試到建筑物發(fā)生火災(zāi)時(shí)煙霧濃度的變化，融合多傳感器信息的三維消防實(shí)景模型可為消防救援提供可靠的溫度和煙霧濃度等參數(shù)。