無(wú)人機(jī)建模及VR技術(shù)在滅火救援?dāng)?shù)字化預(yù)案中的應(yīng)用研究

李恒

摘要：對(duì)利用無(wú)人機(jī)建模、全景圖技術(shù)和VR技術(shù)制作滅火救援?dāng)?shù)字化預(yù)案的方法進(jìn)行研究，并對(duì)VR技術(shù)制作數(shù)字化預(yù)案的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用進(jìn)行討論。

關(guān)鍵詞：滅火救援；數(shù)字化預(yù)案；VR技術(shù)；傾斜攝影三維建模

消防救援隊(duì)伍專業(yè)化、職業(yè)化的發(fā)展對(duì)基層消防救援站制作滅火救援預(yù)案的科學(xué)性提出了更高的要求，深化利用VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)制作數(shù)字化預(yù)案，有利于提升預(yù)案的直觀性、可操作性，方便學(xué)習(xí)使用。目前，基層消防救援隊(duì)伍多用全景相機(jī)拍攝建筑各部位全景圖，之后通過(guò)phpstudy軟件合成帶UI的exe文件方式制作全景圖預(yù)案，此方法方便查看建筑內(nèi)部重點(diǎn)部位情況，但也具有無(wú)法移動(dòng)視角、無(wú)法全方位體現(xiàn)單位整體情況、力量部署圖依舊是傳統(tǒng)方式制作插入、無(wú)法快速修改等缺點(diǎn)。距離真正的VR技術(shù)仍有一些差距。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影建模技術(shù)的迅速發(fā)展使得利用VR技術(shù)制作三維數(shù)字化預(yù)案成為可能，本文研究一種無(wú)人機(jī)建模結(jié)合全景圖的方法制作VR預(yù)案。通過(guò)無(wú)人機(jī)對(duì)消防安全重點(diǎn)單位進(jìn)行5個(gè)角度傾斜攝影，建立重點(diǎn)單位三維模型，三維模型可作為電子沙盤，在上面快速布置滅火救援力量，無(wú)人機(jī)無(wú)法拍攝到的室內(nèi)通過(guò)在模型上設(shè)置超鏈接的方式連接到全景圖，制作完成的三維預(yù)案可通過(guò)二維碼分享，利用手機(jī)、平板等電子設(shè)備查看。通過(guò)Unity3D或虛幻4等引擎，結(jié)合VR設(shè)備制作出的VR預(yù)案可使基層消防救援站指戰(zhàn)員在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景身臨其境地熟悉各滅火救援重點(diǎn)部位。

1 無(wú)人機(jī)建模及VR技術(shù)制作滅火救援?dāng)?shù)字化預(yù)案的方法

1.1? 通過(guò)無(wú)人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影并拍攝室內(nèi)全景圖

本文使用無(wú)人機(jī)為大疆精靈4Pro V2.0，利用Altizure或DJI Pilot等第三方無(wú)人機(jī)控制手機(jī)App進(jìn)行自動(dòng)傾斜攝影，以Altizure為例，進(jìn)入App后選擇自動(dòng)航拍，將建模區(qū)域框選，選擇飛行高度，使用需注意開啟坐標(biāo)糾偏，點(diǎn)擊右下角勾開始任務(wù)，無(wú)人機(jī)將自動(dòng)飛行拍照，飛完五條線路后完成拍攝（見圖1）。拍攝較大區(qū)域可中途保存任務(wù)。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影需注意以下幾點(diǎn)：①禁飛區(qū)需提前一周向空軍申請(qǐng)空域，并與當(dāng)?shù)刂伟膊块T及機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)做好溝通協(xié)調(diào)。②航線拍攝航向影像重疊度75%以上，旁向重疊度70%以上。③盡量選擇光照均勻時(shí)段進(jìn)行拍攝，重點(diǎn)部位可手動(dòng)補(bǔ)拍細(xì)節(jié)照片，提高建模精度。④照片切勿導(dǎo)入PS等圖像處理軟件中進(jìn)行任何修改。⑤拍攝前按照需求精度設(shè)定焦距和拍攝距離，可按以下公式計(jì)算：影像精度（m/像素）×焦距（mm）×圖像的最大尺寸（像素）=傳感器寬度（mm）×拍攝距離（m）⑥完成建筑外部拍攝后，通過(guò)全景相機(jī)進(jìn)行室內(nèi)重點(diǎn)部位全景圖拍攝。本文使用設(shè)備為得圖F4 PLUS。

1.2? 通過(guò)照片建立三維模型

將拍攝完的照片導(dǎo)入Agisoft Metashape（Photoscan）或Context Capture等軟件中生成三維模型。以Agisoft Metashape為例（見圖2）。

在工作流程中選擇添加照片，選中傾斜攝影拍攝的建筑照片進(jìn)行添加，選擇對(duì)齊照片，照片對(duì)齊后，可以看見每個(gè)照相點(diǎn)位置，可以刪除不要的照片，確定建模區(qū)域，之后依次選擇建立密集點(diǎn)云、生成網(wǎng)格、生成紋理，每運(yùn)行完一步后保存，選擇下一步流程運(yùn)行，在彈出的選項(xiàng)中選擇質(zhì)量，質(zhì)量越高建立的模型精度越高，消耗內(nèi)存越大，運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)。運(yùn)行完這幾步后三維模型生成完成，選中文件－導(dǎo)出選項(xiàng)可導(dǎo)出為obj或fbx等通用三維模型格式。運(yùn)行完成后的三維模型見圖3。

此軟件建模對(duì)電腦配置有極高要求，若電腦內(nèi)存較小，可使用Context Capture軟件分多個(gè)區(qū)塊運(yùn)行，或使用多臺(tái)電腦進(jìn)行集群運(yùn)算，使用Context Capture軟件需提前選擇生產(chǎn)模型格式。電腦配置較低的單位可將照片上傳至Altizure網(wǎng)站進(jìn)行建模，免費(fèi)用戶可建模照片數(shù)約為600張。

模型生成完畢后可導(dǎo)入Meshmixer軟件中對(duì)模型有錯(cuò)誤的部分進(jìn)行補(bǔ)洞、平整地面、貼圖修復(fù)和減面處理。

1.3? 通過(guò)三維模型和全景圖制作預(yù)案

將得圖相機(jī)拍攝的照片通過(guò)DetuStitch軟件一鍵拼接為全景圖，上傳至得圖官網(wǎng)（www.detu.com）制作可通過(guò)鏈接和二維碼分享的全景圖漫游，在全景圖漫游右下角選擇添加熱點(diǎn)（見圖4），之后選擇圖文展示（見圖5），可將預(yù)案需要的力量部署圖、水源分布圖、行車路線圖、單位內(nèi)消防設(shè)施等圖表插入到全景圖漫游中。

全景圖漫游制作完成后，制作三維預(yù)案，將三維模型導(dǎo)出為obj格式，會(huì)得到.obj（模型文件）、.mtl（模型材質(zhì)庫(kù)文件）、.jpg（模型紋理文件）三個(gè)文件，將這三個(gè)文件壓縮為zip格式上傳Altizure官網(wǎng)（www.altizure.cn）制作可通過(guò)鏈接和二維碼分享的三維預(yù)案。

點(diǎn)擊altizure網(wǎng)站頂部的創(chuàng)建項(xiàng)目選項(xiàng)（見圖6），選擇第三方模型，可上傳之前建立的建筑實(shí)景模型，也可根據(jù)需要上傳消防車、消防員、消火栓等預(yù)案中需要重點(diǎn)反映的自制模型。上傳完成后，待網(wǎng)頁(yè)處理完畢，再次選擇創(chuàng)建項(xiàng)目選項(xiàng)，選擇星球選項(xiàng)將三維模型創(chuàng)建為可編輯的預(yù)案。

還可以通過(guò)一些工具選項(xiàng)對(duì)模型的長(zhǎng)度、面積、體積、距離等信息進(jìn)行測(cè)量，可用于測(cè)量泥石流、山體滑坡、堰塞湖等災(zāi)害事故現(xiàn)場(chǎng)三維模型的塌方體積、蓄水量等信息。

三維模型只能反映單位外部信息，反映建筑內(nèi)部信息需插入內(nèi)部全景圖，選中畫筆－標(biāo)簽選項(xiàng)，在需要插入全景圖的部位插入標(biāo)簽后，點(diǎn)擊簡(jiǎn)介右邊方框，在彈出的編輯框中選擇內(nèi)嵌圖標(biāo)，將之前在得圖網(wǎng)制作的全景圖鏈接插入即可在三維模型中插入全景圖（見圖7）。

1.4? 通過(guò)Unity3D制作VR預(yù)案

VR技術(shù)可以給使用者帶來(lái)極大的沉浸感，戴上VR眼鏡就能使人感覺(jué)置身現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于教育、醫(yī)療培訓(xùn)、看房、景區(qū)漫游等行業(yè)。前文制作的單位三維模型，也可通過(guò)VR技術(shù)制作為可供人在其中漫游的預(yù)案。

在Agisoft Metashape中將模型導(dǎo)出為fbx格式。Unity3D右上角點(diǎn)擊新建選項(xiàng)，新建3D項(xiàng)目（路徑和名稱不能有中文），將建筑模型、消防車、消火栓等模型的fbx格式文件和jpg紋理文件復(fù)制到剛建立的Unity項(xiàng)目路徑文件夾，即可在Unity中導(dǎo)入模型（見圖8）。將建筑模型拖入場(chǎng)景中，將消防車、消火栓、供水線路模型拖入須放置的位置。

點(diǎn)擊上方Asset Store搜索SteamVR Plugin，導(dǎo)入后可使用VR插件，使用插件創(chuàng)建VR角色，編寫控制腳本，即可制作VR預(yù)案場(chǎng)景，戴上VR眼鏡即可查看（見圖9）。室內(nèi)全景圖和預(yù)案相關(guān)圖表也可導(dǎo)入通過(guò)制作菜單查看（見圖10）。

2 無(wú)人機(jī)建模及VR技術(shù)在滅火救援?dāng)?shù)字化預(yù)案中的應(yīng)用展望及優(yōu)缺點(diǎn)

轄區(qū)“六熟悉”是一項(xiàng)貫穿全年的工作，任務(wù)繁重且耗時(shí)。消防體制改革后，各項(xiàng)工作均向?qū)I(yè)化、職業(yè)化轉(zhuǎn)變，人員分崗位訓(xùn)練、不同崗位的比武競(jìng)賽成為常態(tài)，這些工作一定程度上壓縮了轄區(qū)“六熟悉”的時(shí)間，難以做到組織所有人對(duì)重點(diǎn)單位進(jìn)行熟悉，加之消防員有時(shí)退出或調(diào)動(dòng)，“六熟悉”的成果難以繼承和共享[1]。通過(guò)對(duì)轄區(qū)重點(diǎn)單位的建模及三維預(yù)案制作，可使熟悉成果可視化、數(shù)字化、立體化，便于在基層消防救援站繼承。制作好的三維預(yù)案可設(shè)置多個(gè)管理員共同維護(hù)，可通過(guò)二維碼快速分享到每一名指戰(zhàn)員手機(jī)上，方便快速查看，出警時(shí)可根據(jù)情況快速修改，快速測(cè)量各不規(guī)則部位的長(zhǎng)度、面積、體積等參數(shù)，為指揮決策提供輔助參考，克服傳統(tǒng)全景圖預(yù)案難以查看單位整體細(xì)節(jié)、修改難度大、不能分享至移動(dòng)設(shè)備的缺點(diǎn)。

Unity3D引擎制作的VR預(yù)案可使指戰(zhàn)員身臨其境地在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中熟悉單位重點(diǎn)部位、消火栓位置、力量部署、供水線路等信息，方便新來(lái)的指戰(zhàn)員快速熟悉轄區(qū)情況。下一步可通過(guò)編寫腳本和相關(guān)功能，實(shí)現(xiàn)在VR環(huán)境中進(jìn)行真實(shí)環(huán)境中難以設(shè)置情形的重點(diǎn)單位滅火救援演練。

此方法在基層消防救援站應(yīng)用存在以下缺點(diǎn)：一是制作周期長(zhǎng)。以松贊林寺為例，無(wú)人機(jī)航拍申請(qǐng)空域耗時(shí)7d，航拍耗時(shí)1d，建模耗時(shí)5d，制作三維和VR預(yù)案耗時(shí)2d，共耗時(shí)15d。二是存在一定技術(shù)需求，若軟件建出的模型存在瑕疵和精度問(wèn)題需手動(dòng)修改，需要一定建模知識(shí)，制作VR預(yù)案需要一定Unity3D和編程知識(shí)，須指定專人學(xué)習(xí)和制作。三是硬件要求極高，本文使用設(shè)備為戴爾precision 7740圖形工作站（I9-9980HK處理器，Quadro RTX4000顯卡，96G內(nèi)存），若硬件配置較低，會(huì)出現(xiàn)建模失敗或成倍增加建模時(shí)間的問(wèn)題。四是無(wú)人機(jī)航拍存在安全隱患，無(wú)人機(jī)航拍受天氣影響較大，突發(fā)暴雨時(shí)存在墜落傷人隱患，部分單位會(huì)棲息大量鴿子，鴿子有撞擊無(wú)人機(jī)的習(xí)性，起飛前須做好安全評(píng)估。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合消防救援工作實(shí)際，研究了一種無(wú)人機(jī)傾斜攝影建模結(jié)合全景圖制作三維及VR預(yù)案的方法，通過(guò)此方法可做出可視化、立體化、數(shù)字化的三維預(yù)案，成果便于共享、繼承，對(duì)于平時(shí)“六熟悉”，戰(zhàn)時(shí)輔助指揮決策具有一定意義，但基層隊(duì)伍應(yīng)用此方法也存在一定困難。隨著各軟件功能模塊的進(jìn)一步發(fā)展和更新，三維及VR數(shù)字化預(yù)案的制作方法將進(jìn)一步簡(jiǎn)單化、智能化，便于非專業(yè)人員使用，其他應(yīng)用也將更加豐富。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫春輝，成錫平.基于無(wú)人機(jī)的實(shí)景三維建模在消防中的應(yīng)用[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2018（4）：501-504.

Application of drone modeling and VR technology in fire fighting and rescue digital plan

Li Heng

（Diqing Tibetan Autonomous Prefecture Fire and Rescue Brigade， Yunnan Diqing 674400）

Abstract： The paper studies the methods of making digital fire fighting and rescue plans using drone modeling， panorama technology and VR technology， and discusses the advantages， disadvantages and applications of VR technology in making digital plans.

Keywords： fire fighting and rescue; digital plan; VR technology; 3D modeling of oblique photography