空地一體三維建模方法在洞窟開發(fā)中的應(yīng)用

沈 佳，聶長虹，徐云和，張 偉，朱婷婷，孫 駿，包滕龍，胡年艷

（1.速度時空信息科技股份有限公司，江蘇 南京 210000）

隨著城市的發(fā)展建設(shè)，防空洞“天然冷庫”的優(yōu)勢使其受到廣泛關(guān)注，大量的防空洞被改造成避暑旅游景點、商場、博物館等設(shè)施。洞窟內(nèi)外一體化三維模型在其改造過程中發(fā)揮著極其重要的作用。

目前，無人機傾斜攝影測量和三維激光點云掃描是兩種比較典型的三維建模方式，可分別用于建立洞窟內(nèi)部和外部三維模型。無人機傾斜攝影測量技術(shù)能在大面積區(qū)域、地形復(fù)雜區(qū)域和突發(fā)自然災(zāi)害區(qū)域快速獲取高分辨率影像[1]，具有操作容易、數(shù)據(jù)采集靈活、時效性高、云下飛行等優(yōu)點，在數(shù)字城市建設(shè)、橋梁檢測、滑坡調(diào)查、地形圖測繪等方面具有廣泛應(yīng)用[2]，但受飛機作業(yè)模式的限制，無法獲取地物內(nèi)部的數(shù)據(jù)信息。地面三維激光掃描可突破傳統(tǒng)測量方法單點測量的局限性，具有非接觸式、高效率、高精度獲取物體表面三維點云數(shù)據(jù)的優(yōu)勢[3-5]。同時，掃描儀設(shè)站靈活性大，可深入洞窟內(nèi)部，獲取洞窟內(nèi)部表面點云數(shù)據(jù)，可在古建筑物保護[6]、形變監(jiān)測等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用；但由于儀器本身的局限性以及目標高度對觀測視角的限制，地面激光掃描儀很難獲取目標上部的數(shù)據(jù)信息。綜上所述，有必要開展多源數(shù)據(jù)融合建模技術(shù)研究，在充分發(fā)揮單一技術(shù)建模優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，利用其他技術(shù)彌補自身不足[7]。因此，本文將無人機傾斜攝影測量技術(shù)與地面三維激光掃描技術(shù)進行整合，通過空地融合的方式建立洞窟與山體一體化三維模型。

1 研究區(qū)概況與研究方法

本文首先利用無人機攝影測量技術(shù)獲取地表高分辨率影像數(shù)據(jù)，并經(jīng)過空三加密、控制網(wǎng)平差等內(nèi)業(yè)處理獲取山體外部三維模型；再根據(jù)洞窟內(nèi)部的地形特點，布設(shè)掃描儀測站，獲取點云數(shù)據(jù)和紋理圖像數(shù)據(jù)；然后根據(jù)掃描站和靶標坐標，經(jīng)過點云配準、坐標系轉(zhuǎn)換、點云拼接等內(nèi)業(yè)處理獲取洞窟內(nèi)部三維模型；最后利用ArcGIS Pro軟件，以傳統(tǒng)測量成果為基準，整合洞窟內(nèi)外點云數(shù)據(jù)，生成洞窟內(nèi)外一體化三維模型。

1.1 研究區(qū)概況

本文選取的研究區(qū)位于安徽省六安市裕安區(qū)，地處大別山北部邊緣，是以丘陵為主的低山地貌。研究區(qū)內(nèi)包含多個非直線式洞窟，且洞窟內(nèi)無任何設(shè)備設(shè)施，處于封堵狀態(tài)。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

1）傳統(tǒng)測繪數(shù)據(jù)采集。在每個洞窟的出入口設(shè)置兩個圖根點，利用GPS-RTK對圖根點進行測量，利用全站儀進行洞內(nèi)導(dǎo)線引測，共測得40個洞口圖根控制點、58個洞內(nèi)導(dǎo)線點數(shù)據(jù)。

2）無人機航測數(shù)據(jù)采集。本文利用多旋翼無人機航測系統(tǒng)進行洞窟外山體數(shù)據(jù)的采集。根據(jù)測區(qū)范圍，將其分為5個區(qū)塊進行航測；以實地踏勘的方式確定各條洞窟分布位置，并據(jù)此設(shè)置航攝基準面、航高、航線、影像重疊度、航攝時間等基本信息，完成數(shù)據(jù)采集。

3）地面三維激光掃描。本文利用FARO Focus 3D X130產(chǎn)品[8]采集各條洞窟內(nèi)部詳細數(shù)據(jù)。洞窟內(nèi)巷道采用基于標靶球、標靶紙拼接的方式進行掃描，附屬房間采用小群集點云拼接的方式進行掃描。根據(jù)不同的掃描方式，調(diào)整掃描參數(shù)，掃描巷道時，站點間距設(shè)置為5～12 m，在站點前后4～8 m位置各均勻擺放4個不同高度的標靶球；巷道附屬房間以點云拼接的方式進行掃描，無需擺放標靶球，掃描速度快、架站靈活。

1.3 空間數(shù)據(jù)處理

洞窟內(nèi)外空間數(shù)據(jù)處理包括無人機傾斜攝影測量和三維建模、地面激光點云掃描和三維建模、洞窟內(nèi)外一體化三維建模、標定周界等過程。具體技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 技術(shù)流程圖

1）無人機傾斜攝影測量和三維建模。本文采用專業(yè)航測無人機獲得五鏡頭的多視影像，并通過網(wǎng)絡(luò)RTK獲取曝光點的高精度三維坐標，經(jīng)坐標系轉(zhuǎn)換、自動空三加密后，即可開始模型生產(chǎn)，可比傳統(tǒng)方式節(jié)省1/3的內(nèi)業(yè)工作量。

2）地面激光點云掃描和三維建模。利用FARO掃描儀獲得地面激光點云數(shù)據(jù)，在Scene軟件中，經(jīng)過點云數(shù)據(jù)配準、坐標系轉(zhuǎn)換、降噪與抽稀、圖像數(shù)據(jù)處理和點云拼接等步驟，再導(dǎo)入3ds Max軟件中進行紋理貼圖等操作，建立洞窟內(nèi)部三維模型。根據(jù)控制點標靶、特征地物點、洞內(nèi)外導(dǎo)線點進行點云數(shù)據(jù)配準，并建立統(tǒng)一的坐標系。點云拼接時，對于巷道內(nèi)點云，需打開拆分視圖對標靶球進行一一對應(yīng)，房間內(nèi)點云需基于俯視圖進行初次拼接；然后將各房間點云小群集與球拼巷道群集進行掛接，得到防空洞內(nèi)部整體點云數(shù)據(jù)。激光點云三維模型如圖3所示。

圖2 傾斜攝影測量三維模型

圖3 激光點云三維模型

3）洞窟內(nèi)外一體化三維建模。ArcGIS Pro支持3ds Max軟件導(dǎo)出的3ds格式文件以及傾斜模型的slpk格式（osgb文件轉(zhuǎn)換）。將基于傾斜攝影建模獲得的洞窟外部山體三維模型與激光掃描建模獲取的洞窟內(nèi)部三維模型一同加載到ArcGIS Pro圖層中，根據(jù)傳統(tǒng)測量數(shù)據(jù)、傾斜模型對洞窟內(nèi)部3ds格式的三維模型進行精確配準，獲得洞窟內(nèi)外一體化三維模型，如圖4所示。

圖4 洞窟內(nèi)外一體化三維模型

4）標定周界。因洞窟在山體內(nèi)部，山體表面無法看出洞窟的位置和大致走向。本文借助三維模型成果圖，在山體表面標定各條洞窟的周界，便于后期旅游規(guī)劃、游戲開發(fā)、真人探險以及在洞窟內(nèi)對地形的探索。本文利用ArcGIS Pro軟件融合后的洞窟內(nèi)外一體化三維模型，標繪各條洞窟洞口平面位置（圖5），局部放大后可查看任意洞窟在山體的詳細位置。其中一個洞窟在山體內(nèi)部的位置與走向如圖6所示。

圖5 各條洞窟洞口位置分布圖

圖6 某一洞窟在山體內(nèi)部位置、走向與洞口位置分布圖

1.4 精度評定

1）傾斜模型精度驗證。為驗證傾斜模型的精度，本文將實測三維坐標與模型拾取的特征點三維坐標進行比較，采用同精度檢測方法抽取驗證97個點，結(jié)果如表1所示，平面中誤差為±9.1 cm，高程中誤差為±7.7 cm，模 型 誤 差 為±11.9 cm。根 據(jù)CH/T 9015-2012《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》中對三維模型表達的精度要求，上述結(jié)果滿足丘陵地形1∶500比例尺三維模型精度要求。

表1 模型三維精度統(tǒng)計/cm

2）點云拼接精度評定。本文中洞窟巷道內(nèi)采用標靶球拼接的方式進行點云拼接，房間內(nèi)采用特征地物點拼接的方式進行點云拼接，最后進行洞窟巷道內(nèi)點云數(shù)據(jù)與房間內(nèi)點云數(shù)據(jù)的拼接，因此需對3個步驟中所有拼接部分進行精度評定，采用同精度檢測方法，點位剔除1個粗差，結(jié)果如表2所示，內(nèi)符合精度平面中誤差為8.67 cm，高程中誤差為12.33 cm，點位中誤差為11.42 cm；外符合精度的平面中誤差、高程中誤差、點位中誤差分別為12.2 cm、11.98 cm和16.9 cm。依 據(jù)CH/T 3020-2018《實景三維地理信息數(shù)據(jù)激光雷達測量技術(shù)規(guī)程》的點云數(shù)據(jù)配準規(guī)定，本次點云數(shù)據(jù)拼接精度滿足要求。

表2 點云拼接精度統(tǒng)計/cm

2 應(yīng)用領(lǐng)域介紹

一體化三維模型在多源數(shù)據(jù)融合與直觀展示、城市規(guī)劃與管理等方面具有重要的基礎(chǔ)性作用。本文以洞窟一體化三維模型為基礎(chǔ)，以洞窟旅游開發(fā)為例，闡述了三維模型在景區(qū)建設(shè)與管理等方面的作用。

1）融合多源數(shù)據(jù)。一體化三維模型可為多源數(shù)據(jù)（基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、權(quán)屬數(shù)據(jù)、現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)和多媒體數(shù)據(jù)等）的融合提供載體，模型上即可實現(xiàn)量測長度、計算面積、計算坡度坡向、查詢權(quán)屬信息等功能，為景區(qū)規(guī)劃提供全面的數(shù)據(jù)支持，極大地減少了外業(yè)工作量。

2）整體規(guī)劃。一體化三維模型能對洞窟內(nèi)外環(huán)境進行全面展示，規(guī)劃人員可依據(jù)三維模型直觀感受洞窟內(nèi)外部基本情況并進行全面規(guī)劃。例如，在旅游路線規(guī)劃方面，可根據(jù)通過三維模型得到的山體地形、地貌和植被覆蓋等數(shù)據(jù)制定初步線路，并結(jié)合實地勘探做出調(diào)整，選擇最合適的線路。由此可知，以一體化三維模型為基礎(chǔ)進行景區(qū)規(guī)劃，可在保障設(shè)計合理性的同時，有效提升工作效率。

3）實景展示與交互體驗。景區(qū)開發(fā)完成后，可通過實景三維模型向游客展示景區(qū)環(huán)境、房屋、道路以及各洞窟內(nèi)部游覽項目；游客可通過相關(guān)鏈接自主設(shè)計規(guī)劃路線，高效游玩景區(qū)，提高游客的體驗感和景區(qū)的競爭力。

4）景區(qū)三維管理。以一體化三維模型為基礎(chǔ)，疊加景區(qū)的資產(chǎn)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)和監(jiān)控等應(yīng)急設(shè)施數(shù)據(jù)，構(gòu)建三維管理平臺，可極大地方便景區(qū)的日常管理，提高管理效率。例如，在資產(chǎn)管理方面，可對景區(qū)的建筑物、設(shè)備、文物和陳列品等固定資產(chǎn)進行可視化管理；在基礎(chǔ)設(shè)施管理方面，可實現(xiàn)景區(qū)地下管線瀏覽、查詢、定位等功能；在應(yīng)急管理方面，可將監(jiān)控等應(yīng)急設(shè)施鏈接至三維管理平臺，實現(xiàn)重點區(qū)域的實時監(jiān)控，保障游客安全。

3 結(jié)語

本文在闡述無人機傾斜攝影測量技術(shù)生產(chǎn)航攝三維模型、地面激光掃描作業(yè)生產(chǎn)三維點云模型的基礎(chǔ)上，進一步嘗試將二者進行融合配準，開展了洞窟內(nèi)外一體化建模的新應(yīng)用，同時探尋了空地融合一體化建模方法在洞窟整體規(guī)劃、實景展示與交互體驗、景區(qū)三維管理等方面的新角色。地面三維激光掃描技術(shù)可在洞窟狹窄、內(nèi)部黑暗等多種惡劣觀測條件下進行外業(yè)掃描，大面積快速獲取洞窟內(nèi)部的表面三維坐標數(shù)據(jù)，最大程度地解決無人機傾斜攝影技術(shù)樹木遮擋、洞窟內(nèi)部掃描盲區(qū)、相機拍攝角度不理想、黑暗中無法采集紋理等缺點。二者融合構(gòu)建的洞窟內(nèi)外一體化三維模型，將不斷提高三維建模的能力，為洞窟、防空洞等開發(fā)應(yīng)用提供更加精準、直觀的三維分析數(shù)據(jù)，為旅游開發(fā)、應(yīng)急避難工作帶來從二維到三維的革命性跨越。