單雨星

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司,北京102600)

0 引言

安全是人們關(guān)注的第一要點,近年山區(qū)滑坡事件頻頻發(fā)生。如何防治山區(qū)滑坡亦成為重要話題。本文以北京某山區(qū)項目為例,來闡述實景三維模型在防治山區(qū)滑坡中的重要作用。

近年來,隨著傾斜攝影技術(shù)的飛速發(fā)展,如何構(gòu)建真實的三維場景,減少大量的人力物力,成為熱門話題,實景三維模型應(yīng)運而出。由于其具有完整、真實以及高精度的空間信息數(shù)據(jù),實景三維模型數(shù)據(jù)已成為測繪地理信息領(lǐng)域較為重要的戰(zhàn)略性資源,基于實景三維模型的地理信息應(yīng)用也越來越受重視。無人機因其高效可靠、高速靈活、低成本、高精度等優(yōu)點[1],采用無人機進行傾斜攝影測量是目前傾斜攝影測量的發(fā)展趨勢,已應(yīng)用于數(shù)字城市建模[2]、城市環(huán)境監(jiān)測[3-4]、變電站數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測[5]、無人機搭載雷達[6]和城市更新基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查[7]等?；趦A斜攝影的實景三維模型數(shù)據(jù)的生產(chǎn)方式憑借其采集周期短、制作成本低、真實感強等特點已成為當(dāng)前實景三維模型領(lǐng)域最重要的數(shù)據(jù)形式[8]。本項目通過語義獲取中心(ContextCapture Center) 軟件完成山區(qū)實景三維模型的生產(chǎn),闡述了在構(gòu)建山區(qū)實景三維模型時遇到的問題及解決辦法,以及實景三維模型的應(yīng)用。

1 傾斜攝影技術(shù)

傾斜攝影技術(shù)目前已可以實現(xiàn)多個鏡頭獲取影像,彌補了傳統(tǒng)單鏡頭單角度獲取影像的不便之處。單鏡頭獲取影像只可獲取垂直方向的地物地貌特征,對地物地貌的側(cè)面紋理則稍有欠缺,但目前傾斜攝影技術(shù)已可在同一飛行平臺的搭載下,同時安裝多個相機,實現(xiàn)同一位置,不同姿態(tài),獲取地物地貌的垂直與側(cè)面紋理信息。目前實景三維模型多是采用該種辦法,進行模型的搭建。

傾斜攝影測量技術(shù)是將垂直影像與傾斜影像整合到一個工程文件中,而該工程文件能實現(xiàn)該地區(qū)的地物地貌的多視向、多維度的觀察,從而實現(xiàn)二維影像的圖片數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為依托軟件展示的真實“三維”數(shù)據(jù),使得“非現(xiàn)場”量測和分析在傾斜影像上得以實現(xiàn)[9]。

本項目采用飛馬D200無人飛機對測區(qū)進行航攝,本項目所在地點為山區(qū),高程落差較大,航攝范圍較大。在無人機進行航攝時,應(yīng)充分考慮到測區(qū)范圍以及測區(qū)的高程落差,需結(jié)合山區(qū)最高點及最低點高程進行航線設(shè)計。本項目采用的是底視鏡頭為25 mm的相機焦距,傾斜鏡頭為35 mm的相機焦距,按照航攝基準(zhǔn)面優(yōu)于0.05 m進行航線設(shè)計。本項目航攝基準(zhǔn)面取航攝區(qū)平均海拔點高程,最大限度保證山區(qū)航攝像片分辨率,以獲得更清晰的原始影像。本項目航攝時設(shè)置參數(shù)為航向重疊度優(yōu)于80%,旁向重疊度優(yōu)于70%;航攝時充分考慮區(qū)域內(nèi)地形點落差問題,保證航飛安全高度的同時也保證山區(qū)最高點和最低點的像片清晰程度以保證建模精細(xì)程度;航攝時嚴(yán)格控制每條航線內(nèi)的基線長度,以確保飛機速度能夠滿足相機曝光間隔要求。

本項目影像質(zhì)量特別強調(diào)影像清晰,反差適中,顏色飽和,色彩鮮明,色調(diào)一致,相同地物的色彩基調(diào)基本一致。有較豐富的層次,能辨別與地面分辨率相適應(yīng)的細(xì)小地物影像,能夠建立清晰的立體模型。影像上不應(yīng)有云、雪、煙、大面積反光、污點、曝光過度等缺陷。

2 實景三維模型建模

本項目主要基于ContextCapture Center軟件完成實景三維模型的生產(chǎn)。該軟件支持多源數(shù)據(jù)融合建模,生成高精度的實景三維模型[10]。本項目通過對多張連續(xù)航攝影像進行處理,得到obj、osgb等多種格式數(shù)據(jù)。在CC_S3CCompose模塊下生成索引文件,即可在ContextCapture Viewer模塊將相關(guān)的實景三維模型場景展示出來,從而實現(xiàn)“非現(xiàn)場”量測和分析等操作。

實景三維模型基于ContextCapture Center軟件完成實景三維模型的生產(chǎn)技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 實景三維模型的生產(chǎn)技術(shù)流程圖

(1)數(shù)據(jù)獲取,利用無人機搭載傾斜相機獲取五鏡頭影像。

(2)數(shù)據(jù)預(yù)處理,包括影像重命名、影像調(diào)色等。對影像進行整理并重命名,檢查影像質(zhì)量,航攝完成后可得到每張航攝影像的外方位元素數(shù)據(jù),包含三個線元素及三個角元素,即Longitude(經(jīng)度)、Latitude(緯度)、Height(高程)、Omega(旁向偏角)、Phi(航向偏角)、Kappa(像片旋角)元素,整理后用于空三計算。外方位元素可通過定位定姿系統(tǒng)(position and orientation system,POS)測定。POS記錄信息與影像成果對應(yīng)一致,無缺漏和不匹配現(xiàn)象。檢查相機文件是否齊全,相機檢校文件應(yīng)包含焦距、像主點偏心、相機畸變參數(shù)等。

(3)基于ContextCapture Center軟件,進行空中三角測量、密集匹配點云、構(gòu)建德勞奈(Delaunay)三角網(wǎng)、自動紋理映射和實景三維建模等[11]。此時得到的實景三維模型需通過第三方軟件對模型進行修飾,得到最終的實景三維模型成果。

空中三角測量,根據(jù)傾斜影像對應(yīng)的POS信息可以確定單張航片在空中的位置及相對位置關(guān)系,建立核線幾何條件約束下的航帶間影像點位置關(guān)系,采用逐級匹配策略自動進行像點連接,并進行無約束平差計算,剔除粗差較大像點后,添加實測像控點坐標(biāo)進行約束平差計算,形成空三加密成果。在空三解算的基礎(chǔ)上,進行實測像控點選刺,每個控制點應(yīng)保證在不同的鏡頭上都進行關(guān)聯(lián),然后對像控點進行進一步解算,可得到質(zhì)量報告?？罩腥菧y量時應(yīng)對控制點進行精度檢查,確?？刂泣c數(shù)據(jù)的正確性;對平差計算結(jié)果進行檢查,確?？罩腥菧y量結(jié)果滿足實景三維模型的制作要求。

密集匹配點云,基于ContextCapture Center軟件,采用高精度的影像匹配算法,自動匹配出所有影像中的同名點,并從影像中抽取更多的特征點構(gòu)成密集點云,從而更細(xì)致準(zhǔn)確的表達地物細(xì)節(jié)。

構(gòu)建Delaunay三角網(wǎng),基于密集匹配點云數(shù)據(jù)構(gòu)建Delaunay三角網(wǎng),Delaunay三角網(wǎng)具有的空圓特性和最大最小角特性保證其不會出現(xiàn)過于狹長的三角形,從而構(gòu)成的無限逼近物體真實輪廓的模型。

自動紋理映射和實景三維模型建模,從每個三角網(wǎng)的坐標(biāo)和方位最一致的照片中獲取紋理信息并映射至三角網(wǎng)白模進行紋理貼圖。三角網(wǎng)格在構(gòu)建模型時,具有高效、快速等特點,所以能夠?qū)Υ竺娣e場景進行形態(tài)模擬,構(gòu)建近似于實景的三維模型,從而完成傾斜攝影三維立體重建工作。

(4)實景三維模型整飾。通過自動建模軟件獲取的數(shù)據(jù)雖然能夠滿足基本的建模要求,但對于一些重點區(qū)域,在模型細(xì)節(jié)及精度上仍然不能滿足需求。結(jié)合本項目實際情況,山區(qū)樹木較多且地形復(fù)雜,較易產(chǎn)生不規(guī)則漏洞、漂浮物、模型變形、紋理錯誤等問題,為解決上述問題,在本項目中對三維建模數(shù)據(jù)采用DP Modeler、模方(ModelFun)軟件進行進一步的檢查和精細(xì)化修正處理。

(5)實景三維模型精度檢查?；贑ontext-Capture Viewer模塊,展示實景三維模型,提取實景三維模型上的對應(yīng)的控制點坐標(biāo),與實際獲取的控制點坐標(biāo)進行精度驗證。

3 實景三維模型的應(yīng)用

3.1 為平臺搭建提供實時數(shù)據(jù)

本項目生成的實景三維模型,用于構(gòu)建平臺搭建。使用該平臺瀏覽相關(guān)山區(qū)數(shù)據(jù)時,可直觀瀏覽山區(qū)的地物地貌特征,實現(xiàn)“非現(xiàn)場”量測和分析等操作。

3.2 為現(xiàn)場調(diào)查人員提供便利

本項目主要是用于防護治理山區(qū)滑坡工作,因而現(xiàn)場地物地貌的調(diào)繪尤為重要,調(diào)查人員可通過實景三維模型了解當(dāng)?shù)貙嶋H情況,做好初步安排計劃及設(shè)計思路等。

3.3 實時數(shù)據(jù)的留存

相對比傳統(tǒng)二維像片,實景三維模型數(shù)據(jù)更加直觀清晰,且在不借助其他數(shù)據(jù)的同時,已經(jīng)可以獲得較多的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息,在后期數(shù)據(jù)查閱時,更加便捷易懂。

3.4 可視化匯報

傳統(tǒng)二維設(shè)計在展示復(fù)雜節(jié)點防護治理方案時,僅限于效果圖、現(xiàn)場照片等途徑,實景三維模型借助于軟件可全方位展示出所需地點的虛擬現(xiàn)實場景,更加直觀的、全面的展示設(shè)計方案,清晰表達出設(shè)計意圖。

4 技術(shù)難點

在生產(chǎn)過程中,會遇到各種方面的原因,在此就列舉一下本項目在生產(chǎn)三維模型時遇到的各種問題,以及當(dāng)時的解決辦法。

4.1 模型無法重建及分層

在三維模型生產(chǎn)過程中,遇到空三計算后部分影像無法重建模型或生成的模型分層等情況,如圖2模型分層所示。

圖2 模型分層

造成這種情況的原因,可能是因為航飛時,相機參數(shù)設(shè)置不對造成的;也可能是因為部分原始影像位置、姿態(tài)不好造成的;亦可能是工程建立參數(shù)設(shè)置不對造成的。

因而,遇到這種情況,首先檢查航飛時,相機參數(shù)是否正確;再次檢查工程設(shè)置是否出錯,在工程未出錯情況下調(diào)整空三策略,開展多次空三計算使數(shù)據(jù)匹配度更加精確。對于存在模型數(shù)據(jù)分層情況的位置,對其增加連接點重新建模可以解決部分問題,其次可在不影響模型紋理的情況下,將位置、姿態(tài)不好的航攝像片選出并剔除,對于處理后仍然模型分層的區(qū)域,采用重新航飛的方法進行解決,成果如圖3修改后模型所示。

圖3 修改后模型

4.2 模型存在懸浮物、漏洞、色差

進行實景三維模型建模時,原始航攝數(shù)據(jù)和空中三角測量質(zhì)量會直接影響模型幾何精度和美觀程度,而由于受到飛機姿態(tài)不規(guī)范、拍攝盲區(qū)、和同名點匹配錯誤等影響,所生產(chǎn)的實景三維模型會在建筑物、地面等場景出現(xiàn)模型空洞,特別是在模型的邊緣區(qū)域,導(dǎo)致實景三維模型中會存在無三角網(wǎng)的空洞區(qū)域,如水面等。空三加密過程,像片及POS成果的質(zhì)量問題會導(dǎo)致出現(xiàn)同名點匹配錯誤,進行紋理信息映射時,對于尺寸較小的現(xiàn)狀地物也會有紋理信息丟失,導(dǎo)致形成漂浮物,如圖4修改前懸浮物圖所示。

圖4 修改前懸浮物圖

遇到這種情況時,本項目采取的措施為:在生成.osgb格式數(shù)據(jù)的同時,獲取同一位置的obj格式數(shù)據(jù),在第三方模型修改軟件中對每一塊模型進行結(jié)構(gòu)修改,在影像處理軟件中對存在問題的模型紋理進行調(diào)整,再通過ContentCapture Center軟件對.osgb格式數(shù)據(jù)進行更新,在結(jié)構(gòu)更新的過程中,紋理會自動匹配貼圖,保證了最終模型效果。對于色差明顯的局部進行勻光勻色處理,使其達到模型整體自然過渡的效果,成果如圖5修改后懸浮物圖。

4.3 模型紋理弱

生成的實景三維模模型出現(xiàn)模型紋理弱的情況時,首先分析紋理弱的原因,本項目模型紋理弱的原因主要為:無人機航攝時受到季節(jié)、天氣、無人機本身參數(shù)設(shè)置的影響較大。如在冬季無人機航攝時,大風(fēng)天氣無人機無法起飛;微風(fēng)時,無人機機身晃動,導(dǎo)致航攝像片無法使用;落雪時,無法看清地物;冬季透光率不好,導(dǎo)致背陰面的紋理不好等;夏季航攝時,部分地質(zhì)災(zāi)害點被植被遮蓋等。無人機本身參數(shù)設(shè)置出錯,造成航攝影像清晰度不達標(biāo)等。生產(chǎn)的模型如圖6紋理不好模型圖所示。

圖6 紋理不好模型圖

在這種情況下,首先對這種影像進行進一步預(yù)處理,如調(diào)色、明暗處理等方案,在空三計算時,修改設(shè)置參數(shù)等,對于處理后仍然模型紋理弱的區(qū)域,采用重新航飛的方法進行解決,成果如圖7重飛航片后模型圖所示。

圖7 重飛航片后模型圖

4.4 不同時間段模型接邊

需在不同時間段進行航飛工作,因天氣、季節(jié)、植被等一系列影響因素,會導(dǎo)致同一區(qū)域不同時間段航攝像片所生成的模型顏色、地物地貌皆有不同的情況出現(xiàn),因模型須在同一個場景下展示,因而做好不同時間段模型接邊尤為重要,圖8正常瓦片重疊度的模型圖為未做好不同時間段模型接邊時的模型效果。

圖8 正常瓦片重疊度的模型圖

在這種情況下,應(yīng)盡可能選取同樣天氣狀況下進行補飛,避免出現(xiàn)較大的接邊色差;對于接邊位置植被種類不同、植被高度不同引起的模型空洞,可考慮增大模型重疊度進行一定程度的規(guī)避,成果為圖9增大瓦片重疊度后的模型圖。

圖9 增大瓦片重疊度后的模型圖

5 結(jié)束語

在本次山區(qū)項目進行模型重建遇到多種問題,例如模型無法重建及分層問題,模型存在懸浮物、漏洞、色差等問題,模型紋理弱問題以及不同時間段模型接邊問題。但是針對落差大,復(fù)雜周邊環(huán)境的山區(qū),實景三維模型在山區(qū)滑坡防護治理時,起到了一定的作用。例如本次北京某山區(qū)中,實景三維模型為平臺搭建提供實時數(shù)據(jù)、為現(xiàn)場調(diào)查人員提供便利,更能做到實時數(shù)據(jù)的留存、可視化匯報等。在本次項目中依舊存在著自己的局限性,例如本項目依靠龐大的電腦集群的支撐,對電腦的性能配置要求也較高等。