水利樞紐工程實景三維模型單體化研究及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)發(fā)布

葉文芳，沈清華，孫 雨，鄧神寶，王進(jìn)科

(中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510610)

無人機傾斜攝影技術(shù)已廣泛應(yīng)用于流域三維地理信息數(shù)據(jù)采集中，在智慧流域的建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用[1-2]。傾斜攝影模型由連續(xù)的不規(guī)則三角網(wǎng)(Triangulated Irregular Network，TIN)構(gòu)成的一體化模型，要實現(xiàn)對流域的精細(xì)化、智能化管理，需要對水利場景要素進(jìn)行單體化，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭瑟毩⒕庉?、附著屬性及做GIS操作的單體。目前國內(nèi)外眾多學(xué)者對單體化的實現(xiàn)方法進(jìn)行了探討，主流方法可分為人工單體化、切割單體化、ID單體化和動態(tài)單體化4種[3-4]。

人工單體化是基于第三方軟件在實景三維基礎(chǔ)上進(jìn)行手動建模，對構(gòu)筑物模型的細(xì)節(jié)處理、紋理修飾、命名規(guī)則都有較高要求，尤其是復(fù)雜建筑的重構(gòu)，不僅作業(yè)量大、作業(yè)效率低，而且高度依賴于人工干預(yù)[5-7]；ID單體化是對目標(biāo)對象模型的三角面片做ID值存儲，通過對唯一ID值的查詢以實現(xiàn)對單體的獨立選中及實體屬性綁定，但是存儲空間有限，且需要對實體模型對象做預(yù)處理。吳為民等實現(xiàn)了一種自動ID單體化方法，但無法對垂直方向重疊的地物做單體化[8]。切割單體化是在原始模型上做物理切割并提取出目標(biāo)模型，不僅會破壞模型的多層次細(xì)節(jié)(Levels of Detail，LOD)，而且還存在作業(yè)效率低、模型效果差、邊緣切割不準(zhǔn)確、鋸齒感明顯等問題，且分離出目標(biāo)模型后原始模型會形成黑色空洞[9-10]。

動態(tài)單體化方法，又名邏輯單體化。是在目標(biāo)模型上做矢量底圖的動態(tài)疊加及渲染，通過矢量面的屬性掛接以實現(xiàn)模型單體的獨立選中及查詢。Skyline、SuperMap等軟件都推出了動態(tài)單體化及二次開發(fā)的功能，具有單體化效率高、GIS應(yīng)用性強、展示效果佳、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用性好等優(yōu)勢[11-14]。

綜上，動態(tài)單體化方法對傾斜攝影成果在水利場景的應(yīng)用具有重要意義，本文采用SuperMap軟件平臺，對大藤峽水利樞紐的三維實景模型進(jìn)行單體化及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)部署，實現(xiàn)對水利場景設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)查詢及管理，提升和拓展了實景模型數(shù)據(jù)的使用價值，為智慧水利的三維實體管理提供了一種實現(xiàn)思路。

1 研究思路及技術(shù)路線

水利樞紐場景的實景模型動態(tài)單體化實現(xiàn)路線主要如下：依照航空攝影測量內(nèi)外業(yè)相關(guān)規(guī)范，通過無人機搭載相機及慣性測量單元(Inertial measurement unit，IMU)對測區(qū)進(jìn)行航空攝影影像采集，并對測區(qū)做高精度控制點網(wǎng)的布設(shè)。然后對影像進(jìn)行自由網(wǎng)空三及控制網(wǎng)空三，求得影像的空間位置和姿態(tài)。使用建模軟件進(jìn)行三維實景建模，在模型基礎(chǔ)上采用人工方式進(jìn)行精細(xì)化處理，修復(fù)水面、構(gòu)筑物、樞紐部件等水利場景重點地物，然后在SuperMap iDesktop 10i軟件對三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行單體化處理，實現(xiàn)獨立地物的單獨查詢和精細(xì)化管理，通過SuperMap iServer軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)環(huán)境部署及單體化后的三維場景網(wǎng)絡(luò)服務(wù)發(fā)布，最后采用SuperMap iClient 3D for WebGL進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)開發(fā)。

總體實現(xiàn)方法可分為以下步驟：無人機傾斜攝影建模、三維實景模型精細(xì)化處理、桌面端動態(tài)單體化實現(xiàn)和單體化場景網(wǎng)絡(luò)服務(wù)發(fā)布。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 總體技術(shù)路線

2 水利樞紐三維實景模型精細(xì)化構(gòu)建

2.1 傾斜攝影測量

根據(jù)水利樞紐工程建設(shè)特點，水利樞紐航攝測區(qū)可分為壩址重點施工區(qū)域，壩址、庫區(qū)、抬田工程、防護(hù)設(shè)施等大面積航攝區(qū)域及移民安置點、庫區(qū)零星泵站、零星護(hù)岸工程等點狀區(qū)域。對于壩址重點施工區(qū)，施工期間構(gòu)筑物變化快、監(jiān)測需求高，對地物采集精度要求高，為滿足高質(zhì)量高精度的傾斜攝影建模需求，宜采用五鏡頭傾斜攝影測量。采用五鏡頭分別從前、后、左、右、下5個方向?qū)Φ匚锏妮喞凹y理進(jìn)行采集，采集效率高、影像重疊度大，能實現(xiàn)對測區(qū)模型的高精度三維重建。

2.2 三維模型構(gòu)建

對采集的影像做批量勻光勻色，將測區(qū)范圍內(nèi)的五鏡頭航攝影像導(dǎo)入影像智能建模系統(tǒng)Mirauge3D進(jìn)行自由網(wǎng)空三，實現(xiàn)對影像的幾何校正、同名點匹配、及聯(lián)合平差，求得影像的空間位置和姿態(tài)，然后導(dǎo)入控制點文件進(jìn)行刺點、平差，消除影像畸變，獲取加密點的大地坐標(biāo)和影像的精確外方位元素，控制點均值誤差及平方根誤差均在限差范圍內(nèi)即可導(dǎo)出.xml格式的空三成果交換文件，.xml文件中包含有相機參數(shù)、影像外方位元素、連接點、像控點等坐標(biāo)項目重建所需的信息。在實景建模軟件Context Capture中構(gòu)建TIN網(wǎng)、紋理映射，最終生成OSGB格式的三維實景模型。

2.3 模型精細(xì)化處理

受拍攝角度以及水面反射導(dǎo)致的連接點少的影響，流域兩岸及水利樞紐等具有大面積水域的地理模型存在水面空洞、扭曲、隆起等問題，部分標(biāo)志性建筑出現(xiàn)拉花、形狀及紋理變形。在單體化前需要對水域、建筑、水利設(shè)施等重點區(qū)域進(jìn)行修復(fù)，對殘缺、隆起變形的水域進(jìn)行補洞、平整處理及勻色。

受到航攝采集角度的限制，貼地低矮建筑、建筑字牌、受遮擋的水利樞紐部件如吊機等重要地物的紋理細(xì)節(jié)采集不足，導(dǎo)致實景三維模型存在局部扭曲變形失真、結(jié)構(gòu)破損、紋理缺失問題，因此需要對水利場景的重要部件進(jìn)行補充和修復(fù)，對懸浮物及模型底部碎片進(jìn)行刪除。

3 實景三維模型單體化

3.1 單體化方法對比

傾斜三維實景模型是連續(xù)三角面網(wǎng)構(gòu)成的表皮模型，不能獨立分離出圍堰、大壩、水電站、發(fā)電廠等水利設(shè)施及道路、植被等地物，也不能實現(xiàn)對單獨地物的選中、管理和查詢等GIS操作。為實現(xiàn)地物的獨立分類及屬性信息掛接，需要對實景模型進(jìn)行單體化。單體化技術(shù)分為物理單體化和矢量單體化兩大類，其中物理單體化可分為人工單體化和切割單體化，矢量單體化可分為ID單體化和動態(tài)單體化。以上方法的比較見表1。

表1 單體化方法比較

3.2 三維模型動態(tài)單體化

3.2.1傾斜數(shù)據(jù)預(yù)處理

(1)使用SuperMap iDesktop 10i桌面端軟件，生成測區(qū)傾斜攝影三維模型的配置文件。根據(jù)metedata.xml中存儲的EPSG編碼以及模型坐標(biāo)原點確定模型的中心位置及坐標(biāo)系，生成SCP格式的三維切片緩存文件，可通過加載三維切片緩存快速加載三維實景模型。

(2)新建工作空間并添加球面場景，在圖層管理器中添加三維切片緩存圖層，然后導(dǎo)入SCP配置文件，即可將三維實景模型緩存添加到球面場景中，實現(xiàn)三維模型的可視化。

3.2.2桌面端動態(tài)單體化

(1)二維矢量數(shù)據(jù)精確提取。新建與實景模型坐標(biāo)系一致的文件型數(shù)據(jù)源，在數(shù)據(jù)源中新建二維面數(shù)據(jù)集。添加正射影像至場景中，根據(jù)影像中建筑的角點繪制完全貼合模型的二維面，設(shè)置為貼對象顯示以包裹三維模型。

(2)二維矢量面屬性編輯及信息錄入。在數(shù)據(jù)集的屬性表中添加字段，增加底部高、層高、建筑屬性等樞紐設(shè)施屬性字段，并進(jìn)行信息錄入。通過對二維矢量面的屬性掛接，可實現(xiàn)對目標(biāo)要素的單獨選中、查詢功能。

(3)設(shè)置三維顯示風(fēng)格。對矢量面圖層的對象選擇風(fēng)格、拉伸設(shè)置、底部高程、拉伸高度等進(jìn)行設(shè)置，實現(xiàn)地物選中的高亮表示。

(4)將單體化后的三維場景進(jìn)行壓縮單體化，三維模型數(shù)據(jù)添加到新的工作空間中并保存場景，然后保存工作空間。后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)布。

3.2.3三維服務(wù)發(fā)布及開發(fā)

(1)SuperMap iServer環(huán)境部署，將單體化工作空間發(fā)布為三維服務(wù)及數(shù)據(jù)服務(wù)，通過網(wǎng)頁可實現(xiàn)三維實景模型的查看和服務(wù)調(diào)用。

(2)通過SuperMap iClient3D for WebGL網(wǎng)頁編程，實現(xiàn)對大藤峽水利樞紐的動態(tài)單體化查詢。

4 試驗及應(yīng)用

大藤峽水利樞紐工程是11個重大水利數(shù)字孿生工程中唯一在建工程，建成后將在航運、發(fā)電、防洪、灌溉等領(lǐng)域發(fā)揮重大作用。通過對工程的壩址重點施工區(qū)、重點防護(hù)區(qū)、移民安置點、庫區(qū)零星泵站等區(qū)域的周期性無人機航攝數(shù)據(jù)采集，積累了海量的三維實景模型[15]。選取大藤峽水利樞紐工程重點施工區(qū)作為試驗區(qū)，共計7.55km2，范圍如圖所示。

大藤峽水利樞紐壩址重點施工區(qū)，施工期間構(gòu)筑物變化快、監(jiān)測需求高，對地物采集精度要求高，為滿足高質(zhì)量高精度的傾斜攝影建模需求，宜采用五鏡頭傾斜攝影測量。

4.1 數(shù)據(jù)采集

采用DJI-M600P電動六旋翼無人機作為飛行平臺，搭載睿鉑Riy-G3五鏡頭相機。Riy-G3相機下視25mm焦距、側(cè)視35mm焦距，相機總像素達(dá)1.2億像素。對壩址重點施工區(qū)域進(jìn)行傾斜航攝數(shù)據(jù)采集，航向和旁向重疊度分別為75%，相對航高120～200m，獲取影像共計10125張。為實現(xiàn)測區(qū)的高精度建模，對重點施工區(qū)加密控制點，控制點布設(shè)采用均勻布點方案，按相鄰點間距300m進(jìn)行布設(shè)。

4.2 精細(xì)化建模結(jié)果

使用Context Capture軟件對測區(qū)進(jìn)行三維實景建模，模型如圖2所示。

圖2 重點施工區(qū)三維實景模型

對三維實景模型做精細(xì)化重建。在第三方軟件勾勒出封閉的水域范圍線后導(dǎo)入DP-Modeler軟件，對OSGB格式的三維模型做水面修飾和紋理修改，聯(lián)合第三方圖像編輯軟件對整體水面的紋理做勻光勻色。使用橋接、補洞、墻線拉直、擬合到平面、mesh自動貼圖、mesh紋理修改等工具將吊機、字牌、建筑等重點部件修補完整。精細(xì)化模型如圖3—5所示。

圖3 水域修復(fù)

圖4 重點建筑貼面修復(fù)

圖5 水工部件結(jié)構(gòu)修復(fù)

4.3 網(wǎng)頁端動態(tài)單體化結(jié)果

(1)SuperMap iDesktopX桌面端實現(xiàn)三維場景加載和二維矢量數(shù)據(jù)精確提取，通過大藤峽水利場景數(shù)據(jù)庫建設(shè)和設(shè)置三維顯示風(fēng)格，實現(xiàn)桌面端的動態(tài)單體化，如圖6所示。

圖6 大藤峽水利場景單體化二維矢量面

(2)SuperMap iServer環(huán)境部署，將工作空間發(fā)布為三維服務(wù)，通過網(wǎng)頁可實現(xiàn)三維實景模型的查看和服務(wù)調(diào)用，如圖7—9所示。

圖7 大藤峽水利場景桌面端動態(tài)單體化

5 結(jié)語

本文基于實景三維模型精細(xì)化處理及動態(tài)單體化方法，以水利樞紐設(shè)施為目標(biāo)要素，實現(xiàn)了基于傾斜攝影實景三維模型的大藤峽水利樞紐場景精細(xì)化、單體化及網(wǎng)頁場景部署，通過WebGL實現(xiàn)三維模型動態(tài)單體化、水利設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)查詢、數(shù)據(jù)管理、更新及維護(hù)，發(fā)揮了傾斜三維模型在智慧流域管理中的作用與價值，為水利樞紐數(shù)字孿生建設(shè)提供數(shù)據(jù)與技術(shù)支持。在項目建設(shè)中，傾斜模型單體化網(wǎng)頁查詢及調(diào)用技術(shù)仍有很多待探索之處，后續(xù)將進(jìn)一步對其進(jìn)行研究。

圖8 大藤峽水利樞紐三維實景模型疊加在線二維地圖

圖9 大藤峽水利場景網(wǎng)頁端動態(tài)單體化查詢