劉尚蔚， 李闖， 魏群

(華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450046)

傾斜攝影測(cè)量已廣泛應(yīng)用于水利工程中，它通過無人機(jī)搭載多軸傳感器同步獲取建筑物紋理信息，打破了傳統(tǒng)攝影測(cè)量只能從垂直方向獲取影像數(shù)據(jù)的局限，將水利工程各水工建筑物以及河道的三維空間信息緊密結(jié)合，共同構(gòu)建水利工程三維模型。水利工程具有結(jié)構(gòu)高大、形狀不規(guī)則以及紋理信息復(fù)雜的特點(diǎn)，航線規(guī)劃時(shí)不能完全覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)，單一數(shù)據(jù)源很難滿足三維重建的需求，重建模型易出現(xiàn)近地面數(shù)據(jù)丟失、局部模糊以及整體精度低的問題。為此，各領(lǐng)域的專家、學(xué)者針對(duì)精細(xì)化三維重建進(jìn)行了研究，如文獻(xiàn)[1-2]利用傾斜攝影技術(shù)與軟件二次開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字城市的建筑物重建，提高了建模效率和模型精度，視角靈活，但軟件操作煩瑣，短期難以掌握；文獻(xiàn)[3-5]利用傾斜攝影技術(shù)匹配融合激光掃描技術(shù)，將二者點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合后重建模型，改善了局部模糊的問題并提升了整體精度，雖避免了像控但點(diǎn)云數(shù)據(jù)冗余，后期處理復(fù)雜；文獻(xiàn)[6]將傾斜攝影實(shí)景真三維模型與傳統(tǒng)三維模型無縫結(jié)合，解決了復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)的三維重建問題，但人工建模效率低，模型真實(shí)感還原較差。對(duì)于上述方法的不足，本文提出一種結(jié)合傾斜攝影測(cè)量與近景攝影測(cè)量的空地一體三維重建方法，包括空地影像的同步采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)聯(lián)合處理和模型精度評(píng)價(jià)，達(dá)到了水利工程大范圍高精度三維重建的目的。

1 研究方法

“空”是指低空傾斜影像；“地”是指近景攝影影像；“空地一體”是指對(duì)同一測(cè)區(qū)采用低空傾斜攝影測(cè)量與地面近景攝影測(cè)量?jī)煞N方式采集數(shù)據(jù)，并按照特定的算法進(jìn)行融合處理[7]?？盏匾惑w三維重建綜合傾斜攝影測(cè)量對(duì)高層地物整體影像精確獲取，及近景攝影測(cè)量對(duì)局部近距離高分辨率影像獲取的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)區(qū)大范圍多方位的影像采集。數(shù)據(jù)處理采用ContextCapture三維實(shí)景建模軟件，首先利用其集群處理性能將多臺(tái)同構(gòu)或異構(gòu)的計(jì)算機(jī)連接成基于邏輯并行計(jì)算的計(jì)算機(jī)群[8]，然后導(dǎo)入空地影像數(shù)據(jù)，通過聯(lián)合空中三角測(cè)量獲取影像外方位元素，進(jìn)而生成密集點(diǎn)云并構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)(Triangulated Irregular Network，TIN)，最后通過紋理切片映射生成高精度三維模型。集群環(huán)境的設(shè)置提高了建模效率，充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)的性能?？盏匾惑w三維重建的技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 空地一體三維重建流程圖

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 像控點(diǎn)布設(shè)

在常規(guī)傾斜攝影測(cè)量中，對(duì)含有定位定姿(Position and Orientation System，POS)信息的影像可進(jìn)行免像控高精度空中三角測(cè)量解算。本方法包含空地影像數(shù)據(jù)，免像控易出現(xiàn)空中三角測(cè)量分層現(xiàn)象，且像控點(diǎn)信息作為聯(lián)合空中三角測(cè)量的關(guān)鍵，直接決定三維重建的效率和精度。為進(jìn)行高效高精度聯(lián)合空中三角測(cè)量，結(jié)合朱進(jìn)等人對(duì)“控制點(diǎn)布設(shè)對(duì)空中三角測(cè)量精度影響”的研究[9]，綜合水利工程地形以及建筑物分布，提出了區(qū)域網(wǎng)四周分組布點(diǎn)，周邊及中心線均勻布點(diǎn)的方案。像控點(diǎn)布設(shè)在測(cè)區(qū)有明顯特征的點(diǎn)位上并做標(biāo)記，用RTK量測(cè)標(biāo)記中心的三維坐標(biāo)，具體布點(diǎn)方案和像控點(diǎn)標(biāo)記如圖2所示。

圖2 像控點(diǎn)布設(shè)方案

2.2 傾斜影像采集

針對(duì)水利工程高程落差大以及施工中壩身紋理復(fù)雜的特點(diǎn)，在常規(guī)傾斜攝影測(cè)量的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，以多種方式聯(lián)合作業(yè)采集“高密度、高精度、多方位”傾斜影像，包括整體航線法、局部疊加法和定點(diǎn)環(huán)繞法。整體航線法通過常規(guī)傾斜攝影測(cè)量對(duì)測(cè)區(qū)整體進(jìn)行影像采集，傾斜攝影系統(tǒng)選用大疆M600 Pro無人機(jī)搭載紅鵬AP2600兩鏡頭傾斜相機(jī)完成，方案編制時(shí)根據(jù)《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》的要求計(jì)算合理的航高、航向間隔和旁向間隔[10]。局部疊加法是在整體航線法的基礎(chǔ)上，對(duì)大壩主體區(qū)域進(jìn)行的加密飛行，與整體航線法相比，無人機(jī)飛行高度低、采集影像精度高，是對(duì)常規(guī)傾斜影像的橫向疊加。定點(diǎn)環(huán)繞法選用旋翼單鏡頭無人機(jī)，通過改變?cè)婆_(tái)的角度拍攝不同方位的傾斜影像，對(duì)大壩定點(diǎn)環(huán)繞拍攝獲取壩體周圍的影像數(shù)據(jù)。

2.3 近景影像采集

傾斜攝影測(cè)量受航高或傾斜角度的局限無法對(duì)近地面結(jié)構(gòu)不規(guī)則、紋理復(fù)雜的建筑物進(jìn)行完整的信息獲取，因而通過近景攝影測(cè)量獲取影像補(bǔ)充數(shù)據(jù)源。傳統(tǒng)近景攝影系統(tǒng)常使用單反相機(jī)、vRTK等設(shè)備，采集效率低且數(shù)據(jù)單一。本方法采用團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的奧斯派克廣義成像系統(tǒng)，由攝影成像系統(tǒng)奧斯派克廣義成像儀和手機(jī)應(yīng)用程序Auspic_GIS(Generalized Imaging System)組成，兩者利用數(shù)據(jù)線連接傳輸指令。首先根據(jù)目標(biāo)物體規(guī)劃線路和設(shè)站，計(jì)算儀器攝距和旋轉(zhuǎn)角度，將參數(shù)輸入儀器，同時(shí)打開Auspic_GIS程序進(jìn)行全自動(dòng)影像獲取。拍照時(shí)確保采集的傾斜影像與近景影像有一定的重疊度，將相機(jī)設(shè)置為定焦模式。本方法獲取的近景影像包含完整的可交換圖像文件格式(Exchangeable Image File Format，EXIF)信息，便于對(duì)影像進(jìn)行多種運(yùn)算，故無需重復(fù)布設(shè)像控點(diǎn)。

3 空地一體三維重建

3.1 聯(lián)合空中三角測(cè)量

空中三角測(cè)量是對(duì)影像間拓?fù)鋷缀侮P(guān)系進(jìn)行重建的過程，本質(zhì)是量測(cè)影像間的連接點(diǎn)，還原出影像的外方位元素。數(shù)據(jù)源聯(lián)合空中三角測(cè)量是空地一體三維重建的關(guān)鍵。首先在軟件平臺(tái)導(dǎo)入傾斜影像，遞交給空中三角測(cè)量模塊并提取大量特征點(diǎn)，利用像對(duì)選擇匹配不同影像間相同特征點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程，進(jìn)而確定影像的空間位置和姿態(tài)；空中三角測(cè)量模塊加密無誤后，添加像控點(diǎn)文件并再次提交空中三角測(cè)量模塊，利用像控點(diǎn)信息進(jìn)行光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差，平差后反算出影像間的空間變換模型，還原傾斜影像的外方位元素；上述空中三角測(cè)量模塊加密完成后，選擇定向好的兩張不同影像通過刺點(diǎn)方式提取特征點(diǎn)坐標(biāo)[11]，確保每個(gè)特征點(diǎn)都能出現(xiàn)在4張以上不同近景攝影像片上，然后導(dǎo)入近景影像，添加通過刺點(diǎn)方式采集的特征點(diǎn)作為像控點(diǎn)完成近景影像空中三角測(cè)量解算，融合兩次空中三角測(cè)量解算成果，再次遞交空中三角測(cè)量模塊，完成空地影像聯(lián)合空中三角測(cè)量。由于獲取影像均含POS信息，也可將影像分組導(dǎo)入軟件直接進(jìn)行空中三角測(cè)量，但空中三角測(cè)量的結(jié)果易出現(xiàn)分層現(xiàn)象，空地融合效果差。聯(lián)合空中三角測(cè)量的過程及解算結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

圖3 聯(lián)合空中三角測(cè)量的流程圖

圖4 聯(lián)合空中三角測(cè)量的解算結(jié)果

3.2 模型構(gòu)建

聯(lián)合空中三角測(cè)量解算完成后，基于影像的內(nèi)、外方位元素獲取多視影像的同名點(diǎn)坐標(biāo)[12]，通過影像密集匹配生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)；然后，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取深度圖并計(jì)算TIN模型，此時(shí)的模型是無紋理的白膜；最后，根據(jù)白膜的空間結(jié)構(gòu)從不同視點(diǎn)的多幅影像中選取最優(yōu)紋理圖貼合在白膜上，完成紋理映射，得到三維實(shí)景模型。三維實(shí)景模型可導(dǎo)入第三方軟件中進(jìn)行模型修飾和單體化的處理，得到建筑物的精細(xì)化模型。

與未添加近景影像的實(shí)景模型相比，添加了近景影像的實(shí)景模型(圖5)的紋理質(zhì)量有了很大提升。

圖5 模型細(xì)節(jié)對(duì)比

3.3 模型精度檢驗(yàn)

模型構(gòu)建完成后，為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途仁欠駶M足要求，像控點(diǎn)布設(shè)方式和數(shù)量是否合理，需進(jìn)行模型精度檢驗(yàn)。模型精度檢驗(yàn)包括平面精度檢驗(yàn)和高程精度檢驗(yàn)。首先，在模型中找出野外實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)的標(biāo)記；然后，用軟件量測(cè)檢查點(diǎn)的坐標(biāo)，并將其作為模型坐標(biāo)，將野外實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)的坐標(biāo)作為實(shí)測(cè)坐標(biāo)；最后，計(jì)算模型坐標(biāo)與實(shí)測(cè)坐標(biāo)的差值作為X、Y、Z方向上的真誤差，并由以下公式計(jì)算中誤差:

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：X實(shí)、Y實(shí)、Z實(shí)為檢查點(diǎn)的實(shí)測(cè)坐標(biāo)值；X模、Y模、Z模為檢查點(diǎn)的模型坐標(biāo)值；σXY為點(diǎn)的平面中誤差；σX、σY分別為點(diǎn)在X、Y方向上的中誤差；σZ為點(diǎn)在高程上的中誤差。

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

某水利工程地處中低山區(qū)，屬峽谷地貌，攔河大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，壩高145 m，正常蓄水位643 m，總庫容7.1億m3。測(cè)區(qū)以攔河大壩為中心，呈條帶狀，南北長(zhǎng)約1 242 m，東西寬約442 m，有效航測(cè)面積約1.34 km2。

4.2 工程模型構(gòu)建

外業(yè)影像采集分空中傾斜影像采集和地面近景影像采集。傾斜影像通過整體航線法、局部疊加法、定點(diǎn)環(huán)繞法3種方式進(jìn)行采集。前兩種方式的傾斜攝影系統(tǒng)選用大疆M600 Pro無人機(jī)搭載紅鵬AP2600兩鏡頭傾斜相機(jī)完成，后一種傾斜攝影系統(tǒng)選用旋翼單鏡頭無人機(jī)大疆精靈4 Pro完成，具體航攝參數(shù)見表1。近景影像選用近景攝影系統(tǒng)廣義成像儀完成，共采集像片314張。

表1 傾斜影像航攝參數(shù)

內(nèi)業(yè)處理使用ContextCapture軟件。首先在局域網(wǎng)上搭建集群環(huán)境；然后將獲取的像片分組導(dǎo)入軟件中，通過聯(lián)合空中三角測(cè)量模塊生成該水利工程整體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)(圖6)；再基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建三維不規(guī)則三角網(wǎng)(圖7)，并對(duì)三維不規(guī)則三角網(wǎng)進(jìn)行平滑和簡(jiǎn)化，生成白膜(圖8)；最后通過紋理映射得到高精度的實(shí)景三維模型(圖9)。

圖6 密集點(diǎn)云

圖7 三維不規(guī)則三角網(wǎng)

圖8 三維白膜

圖9 三維實(shí)景模型

三維模型的精度統(tǒng)計(jì)見表2。依據(jù)公式(1)—(4)計(jì)算得：三維模型在X方向的中誤差為0.022 m，在Y方向的中誤差為0.027 m，平面中誤差為0.025 m，在Z方向的中誤差為0.035 m。

表2 三維模型精度統(tǒng)計(jì) m

根據(jù)《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》[10]中的規(guī)定，本文構(gòu)建的三維模型的平面精度和高程精度達(dá)到Ⅰ級(jí)產(chǎn)品的精度要求。

4.3 模型應(yīng)用

1)作為信息數(shù)據(jù)的載體。將空地一體三維重建方法引入水利工程建設(shè)智能化管理中，獲取水利工程高分辨率的三維實(shí)景模型，為工程信息存儲(chǔ)、分析、展示和后期應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[13]?；谀Ｐ瓦M(jìn)行面積、體積度量計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)碾壓混凝土拱壩工程信息的高效獲取、精確分析和可視化表達(dá)，并以此模型作為信息載體構(gòu)建建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)數(shù)據(jù)信息庫。

2)工程前期提供參考。在施工前期，通過空地一體化技術(shù)大范圍掃描現(xiàn)場(chǎng)，得到地形的三維可視化模型，以此為基礎(chǔ)制作相匹配的數(shù)字高程模型并派生出等高線、坡度圖等信息，通過配套軟件對(duì)地形進(jìn)行分析，計(jì)算地基的土石方量，并與設(shè)計(jì)階段的土石方量校核，為土石方量的精確計(jì)算提供必要的依據(jù)，為人、料、機(jī)準(zhǔn)備和土方調(diào)配方案提供合理的參考。

3)直觀的數(shù)據(jù)支持?？盏匾惑w三維重建在大范圍、高精度的情況下感知復(fù)雜場(chǎng)景，獲取空地影像，利用軟件制作密集匹配點(diǎn)云和三維實(shí)景模型，基于模型生成測(cè)區(qū)的數(shù)字正射影像圖，通過定期建模記錄混凝土拱壩澆筑、碾壓的施工過程，為管理人員提供更為直觀的數(shù)據(jù)支撐。

4)工程前期模擬真實(shí)場(chǎng)景。前期借助無人機(jī)航拍獲取地形的低空攝影數(shù)據(jù)，利用建模軟件構(gòu)建地形的傾斜攝影模型，轉(zhuǎn)換傾斜攝影模型格式使之與BIM三維模型格式相匹配，將BIM三維模型疊加至傾斜攝影模型上構(gòu)建完整的水利工程三維場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)水利工程的虛擬仿真。

5 結(jié)語

水利工程常建于高山峽谷縱橫、地形復(fù)雜的地區(qū)，無人機(jī)航測(cè)的誤差來源多，相較于其他工程對(duì)三維模型有更高的精度要求。本文提出的面向水利工程的集成傾斜攝影測(cè)量與近景攝影測(cè)量的空地一體三維重建方法，變單一數(shù)據(jù)源為多源，從橫縱兩向?qū)υ紨?shù)據(jù)進(jìn)行疊加，獲取水利工程全方位的紋理和幾何信息；后期基于集群技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合空中三角測(cè)量，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的性能，且空中三角測(cè)量融合效果較好，三維重建模型精度高，側(cè)面紋理豐富。