孫永康，李 楊，閆 昶，孫 磊，石維康，楊建雙

(1.江蘇省地質(zhì)測(cè)繪院，江蘇 南京 211102；2.江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心，江蘇 南京 210013)

0 引言

近年以來(lái)房屋安全事故頻發(fā)，為深入貫徹習(xí)近平總書(shū)記關(guān)于安全生產(chǎn)工作的重要論述和重要指示批示精神，防范遏制重特大房屋建筑安全事故，房屋安全管理受到各界人士的關(guān)注。隨著無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的高速發(fā)展，實(shí)景三維已經(jīng)成為未來(lái)城市房屋安全管理的主流，同時(shí)也可為智慧城市建設(shè)、規(guī)劃、治理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

響水縣位于東經(jīng)119°29′～120°06′，北緯33°56′～34°33′。在鹽城、淮安、連云港三市交匯處。東臨黃海，與日本、韓國(guó)、朝鮮等國(guó)隔海相望。年平均氣溫為13.6 ℃，最高氣溫為38.7 ℃，最低氣溫為-17 ℃。年平均降水量為895.3 mL，年平均日照2 399.7 h。氣候溫和濕潤(rùn)，四季分明。全縣總面積1 473.8 km2，下轄8個(gè)鎮(zhèn)、3個(gè)工業(yè)園區(qū)，總?cè)丝?0萬(wàn)人。

響水縣城約37.68 km2(如圖1所示)，縣城通榆河以東、雙園路以北以工礦企業(yè)和部分居民小區(qū)為主，房屋高度普遍較低。部分建筑如濱江上海城等高層建筑高度超過(guò)80 m。在雙園路、黃海路、珠江路、金海路圍成的區(qū)域內(nèi)，既有企業(yè)房屋，也有部分較高的商業(yè)和居民樓房。在通榆河以西的測(cè)區(qū)范圍內(nèi)無(wú)高層建筑。以銀河路、金海路、黃河路為界限的以南地區(qū)，除葛莊十二組、港龍首府等小區(qū)有較高樓層外，其他區(qū)域均為較矮房屋。除去以上區(qū)域，測(cè)區(qū)內(nèi)其他區(qū)域均有高層建筑，特別是珠江路、金海路、銀河路、通榆河圍成的區(qū)域內(nèi)，高樓林立?？傮w上，大部分建筑物高度在60 m以內(nèi)，部分建筑高度超過(guò)80 m，但低于100 m。

2 技術(shù)路線

通過(guò)無(wú)人機(jī)進(jìn)行航空傾斜攝影獲得影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行空中三角測(cè)量，以此為基礎(chǔ)，按照國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制作三維實(shí)景建模成果[1]。

2.1 傾斜影像采集

2.1.1 傾斜影像采集準(zhǔn)備

本次采用了一架大疆M300 RTK多旋翼無(wú)人機(jī)搭載一套賽爾PSDK 102S傾斜數(shù)碼航攝儀執(zhí)行本次項(xiàng)目的航空攝影任務(wù)。根據(jù)縣城實(shí)際情況，對(duì)響水縣城區(qū)域分區(qū)后進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，主要確定航攝儀技術(shù)參數(shù)、地面分辨率、測(cè)區(qū)內(nèi)平均高程、重疊度等。

1)地面分辨率及相對(duì)航高。

數(shù)碼航空攝影的地面分辨率(GSD)取決于飛行高度，按照下列公式求得相應(yīng)GSD的飛行高度[2-5]：

其中，h為相對(duì)航高；f為下視鏡頭焦距；a為像元尺寸；GSD為地面分辨率。

2)航線布設(shè)方向。

根據(jù)分塊測(cè)區(qū)的范圍形狀，進(jìn)行航線方向設(shè)計(jì)。

3)航攝范圍覆蓋。

為了保證測(cè)區(qū)邊界三維建模，旁向范圍和航向范圍的設(shè)計(jì)均超出測(cè)區(qū)邊界距離不小于一個(gè)行高距離。

4)像片重疊度。

為保證建模質(zhì)量，本次采用航向重疊度85%，旁向重疊度75%的像片重疊度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[6-9]。

2.1.2 傾斜影像數(shù)據(jù)采集

在航線設(shè)計(jì)完成后，對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行傾斜攝影數(shù)據(jù)采集工作。數(shù)據(jù)采集完成后進(jìn)行航攝數(shù)據(jù)整理工作，本次使用賽爾航測(cè)管家軟件進(jìn)行影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)等航攝數(shù)據(jù)下載。

2.2 三維傾斜模型制作

2.2.1 三維建模工程創(chuàng)建

基于外業(yè)采集的傾斜模型數(shù)據(jù)，導(dǎo)入ContextCapture軟件中，進(jìn)行模型建設(shè)工程創(chuàng)建。

1)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與處理。

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作主要包括影像預(yù)處理、作業(yè)范圍確認(rèn)、相機(jī)參數(shù)確認(rèn)、POS數(shù)據(jù)整理等[10]。

2)創(chuàng)建工程。

根據(jù)分區(qū)范圍及預(yù)處理后的影像、POS成果創(chuàng)建工程。數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，需要對(duì)影像組進(jìn)行檢查，確保影像無(wú)丟失。

2.2.2 空中三角測(cè)量

傾斜影像空中三角測(cè)量是指解算相機(jī)參數(shù)、影像位置和姿態(tài)，以及加密點(diǎn)三維坐標(biāo)的過(guò)程?；贑ontextCapture軟件進(jìn)行空中三角測(cè)量的具體步驟如下：

1)空三提交。

在進(jìn)行像片檢查合格后，空三加密計(jì)算提交工作。

2)影像自動(dòng)匹配。

提交空中三角測(cè)量之后，軟件自動(dòng)進(jìn)行影像匹配和空三結(jié)果輸出。對(duì)于影像自動(dòng)匹配的結(jié)果，可以通過(guò)相應(yīng)的窗口進(jìn)行檢查。

3)空三解算。

軟件自動(dòng)進(jìn)行空三解算。

2.2.3 模型建設(shè)

在空中三角測(cè)量的基礎(chǔ)上，進(jìn)行模型建設(shè)。

1)模型參數(shù)設(shè)置。

根據(jù)模型建設(shè)需要設(shè)置相關(guān)模型參數(shù)。

2)三角網(wǎng)構(gòu)建。

基于空三加密成果進(jìn)行多視影像密集匹配，獲取高密度的三維點(diǎn)云，構(gòu)建三維TIN[11]。由于項(xiàng)目密集點(diǎn)云量較大，將項(xiàng)目切塊分割成若干瓦片進(jìn)行不同層次細(xì)節(jié)度下的TIN模型構(gòu)建，瓦片的大小設(shè)置為100 m×100 m。模型提交后，軟件自動(dòng)進(jìn)行密集匹配工作，并進(jìn)行三角網(wǎng)建設(shè)(如圖2所示)。

3)紋理映射。

三維模型紋理映射包括三維模型與紋理圖像的配準(zhǔn)和紋理貼附。軟件自行計(jì)算三維模型的每個(gè)三角形與影像中對(duì)應(yīng)區(qū)域之間的幾何關(guān)系，并找到每個(gè)三角形面在紋理影像中對(duì)應(yīng)的實(shí)際紋理區(qū)域，實(shí)現(xiàn)三維模型與紋理圖像的配準(zhǔn)。配準(zhǔn)的紋理圖像反投影到對(duì)應(yīng)的三角面片上，實(shí)現(xiàn)紋理貼附。軟件利用影像密集匹配的結(jié)果，由空三建立的影像之間的三角關(guān)系構(gòu)成三角網(wǎng)，再由三角網(wǎng)構(gòu)成白模(如圖3所示)[12]。

軟件從影像中計(jì)算對(duì)應(yīng)的紋理，并自動(dòng)將紋理映射到對(duì)應(yīng)的白模上，最終形成真實(shí)三維場(chǎng)景(見(jiàn)圖4)[13]。

4)模型輸出。

本次輸出傾斜模型為OSGB格式。

2.3 模型修正

在進(jìn)行城市實(shí)景三維建模過(guò)程中，由于地物本身的紋理、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及數(shù)據(jù)采集設(shè)備、建模軟件等因素。模型中會(huì)出現(xiàn)水面的空洞、建筑物的拉花、建筑粘連以及道路不整潔等現(xiàn)象。因此，在進(jìn)行模型建模后，利用DP Modeler軟件對(duì)懸浮物、漏洞、道路等進(jìn)行了模型修正工作[14-16]。

2.3.1 碎片、懸浮物刪除

在軟件Obj修飾模塊中，選擇需要碎片刪除的Tile，點(diǎn)擊碎片刪除按鈕，設(shè)置平面類型后刪除平面以下的碎片；選擇需要懸浮物刪除的Tile，點(diǎn)擊選取懸浮物，對(duì)自動(dòng)選擇的懸浮物進(jìn)行刪除。

2.3.2 漏洞修補(bǔ)

漏洞修補(bǔ)主要針對(duì)水面破洞和建筑玻璃幕墻空洞問(wèn)題。本次采用軟件的水面修補(bǔ)工具，進(jìn)行水面破洞、水面不平整、水面紋理等修復(fù)工作。建筑破洞修復(fù)工作將使用幾何修正中的融合處理方式進(jìn)行處理。

2.3.3 道路修飾

針對(duì)主要道路面的扭曲、漏洞、車輛變形、零散飄浮碎片以及橋梁隧道下變形等問(wèn)題，項(xiàng)目進(jìn)行了道路修飾工作。利用DP Modeler軟件采用高程值擬合的方式，在模型上選取三個(gè)以上分布均勻的點(diǎn)，進(jìn)行道路局部的整平操作，保證道路的連續(xù)性；對(duì)靜止的車輛壓平保留；對(duì)移動(dòng)的車輛產(chǎn)生的拖影等問(wèn)題，進(jìn)行了紋理編輯處理。

2.4 實(shí)景三維模型提交

在模型修正完成后，提供OSGB格式的實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)(如圖5所示)。該數(shù)據(jù)為后期配合房屋安全管理提供三維場(chǎng)景基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 實(shí)景三維應(yīng)用

3.1 基于實(shí)景三維模型的房屋建筑內(nèi)業(yè)判讀

通過(guò)已建成的實(shí)景三維模型，可避免因房屋無(wú)人在家、視角遮擋等不利排查工作進(jìn)行的客觀因素，做到內(nèi)業(yè)足不出戶進(jìn)行初步的排查工作，對(duì)房屋的位置坐標(biāo)、房屋結(jié)構(gòu)、房屋的層次、房屋危險(xiǎn)程度、房屋是否改變用途等實(shí)現(xiàn)實(shí)景排查，大大提高了數(shù)據(jù)采集的效率與準(zhǔn)確度(如圖6所示)。

3.2 基于人工智能的影像彩鋼瓦房自動(dòng)識(shí)別與提取

通過(guò)已建成的實(shí)景三維模型，進(jìn)行數(shù)字正射影像的制作。然后基于影像識(shí)別技術(shù)根據(jù)彩鋼瓦房屋面的特征，實(shí)現(xiàn)了對(duì)彩鋼瓦房屋面的快速批量提取(見(jiàn)圖7)，可以節(jié)約大量的排查人力物力。

3.3 基于實(shí)景三維模型動(dòng)態(tài)管理

通過(guò)已建成的實(shí)景三維模型，可進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，將屬性信息與三維模型相結(jié)合，掌握建筑物歷史變遷、權(quán)屬變更等重要信息。

4 結(jié)論

1)對(duì)大范圍區(qū)域采用分區(qū)航攝的方式進(jìn)行傾斜數(shù)據(jù)采集。對(duì)于范圍較大城市測(cè)區(qū)、區(qū)域差別較大等區(qū)域，采用分區(qū)航攝的方法，可以解決遙控器控制范圍有限、高樓遮擋鏈接信號(hào)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存儲(chǔ)量有限等問(wèn)題。

2)實(shí)景三維節(jié)約房屋安全管理成本、提高管理效率?；趯?shí)景三維的房屋安全管理，可節(jié)約大量的人力物力，避免視角遮擋、無(wú)法進(jìn)入等不利于管理的客觀因素，結(jié)合相關(guān)屬性信息為房屋安全管理工作信息化、動(dòng)態(tài)化、常態(tài)化提供數(shù)據(jù)支持，將安全管理工作以新技術(shù)手段和新管理方式落到實(shí)處、取得實(shí)效。

3)實(shí)景三維為智慧城市建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。實(shí)景三維的可視性、現(xiàn)勢(shì)性為智慧城市建設(shè)、城市安全管理、政府規(guī)劃設(shè)計(jì)等提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。