無(wú)人機(jī)實(shí)景三維建模在水利BIM中的應(yīng)用

王永生，盧小平，朱　慧，焦金龍

(1. 河南理工大學(xué)礦山空間信息技術(shù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 焦作 454003； 2. 河南省遙感測(cè)繪院，河南 鄭州 450003; 3. 河南省金地遙感測(cè)繪技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450003)

前坪水庫(kù)位于淮河流域沙潁河支流北汝河上游，河南省汝陽(yáng)縣的前坪村，是以防洪為主，結(jié)合灌溉、供水，兼顧發(fā)電的大型水庫(kù)，水庫(kù)總庫(kù)容5.84億m3，控制流域面積1325 km2。前坪水庫(kù)工程是河南省重點(diǎn)水利工程，同時(shí)也是我國(guó)“十三五”期間重點(diǎn)建設(shè)的172項(xiàng)重大水利工程之一?，F(xiàn)代社會(huì)中，遙感技術(shù)已成為人類(lèi)獲取地理環(huán)境及其變化信息的必備高科技手段[1]。本文綜合利用多類(lèi)型無(wú)人機(jī)搭載不同傳感器進(jìn)行航空攝影，采集水庫(kù)主體庫(kù)區(qū)及局部重點(diǎn)施工區(qū)影像數(shù)據(jù)，制作水庫(kù)實(shí)景三維地理信息模型，并與設(shè)計(jì)模型聯(lián)合應(yīng)用，提高展示效果，輔助工程建設(shè)管理，從BIM服務(wù)入手為水庫(kù)設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行提供全生命周期服務(wù)。

1　無(wú)人機(jī)低空遙感

1.1　無(wú)人機(jī)平臺(tái)

根據(jù)前坪水庫(kù)建設(shè)工程對(duì)三維模型精度需求劃分不同的作業(yè)區(qū)域，主體庫(kù)區(qū)建立實(shí)景三維粗模，局部大壩及附屬設(shè)施等重點(diǎn)施工區(qū)建立實(shí)景三維精模。由于庫(kù)區(qū)地處豫西伏牛山區(qū)，地形較為復(fù)雜，適合采用無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量方法進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取和三維建模。本文選用長(zhǎng)航時(shí)固定翼油動(dòng)無(wú)人機(jī)和電動(dòng)六旋翼傾斜攝影無(wú)人機(jī)作為空間數(shù)據(jù)獲取平臺(tái)，采用聯(lián)合作業(yè)建模的工作模式。無(wú)人機(jī)平臺(tái)及搭載見(jiàn)表1。

1.2　無(wú)人機(jī)航空攝影

為滿(mǎn)足制作DOM要求，固定翼無(wú)人機(jī)航飛航向、旁向重疊度分別設(shè)計(jì)為70%、40%；同時(shí)針對(duì)重點(diǎn)施工區(qū)域，采用電動(dòng)多旋翼無(wú)人航飛用于實(shí)景建模，為保障后處理影像匹配精度及三維場(chǎng)景真實(shí)還原效果，在地形高差允許范圍內(nèi)，采用降低飛行高度或使用短焦鏡頭等手段，獲取地物側(cè)面高清紋理。表2為航攝指標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)。

無(wú)論是檔案數(shù)字化建設(shè)、現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用，還是檔案服務(wù)平臺(tái)的搭建，都需要高校檔案館從頂層設(shè)計(jì)著手，通過(guò)規(guī)范檔案工作流程、建立檔案利用服務(wù)工作平臺(tái)。目前有許多高校檔案館雖然開(kāi)設(shè)了很多服務(wù)渠道，如高校檔案網(wǎng)站、微信公眾號(hào)、移動(dòng)手機(jī)APP、高校檔案管理系統(tǒng)等，但由于缺乏整體布局，沒(méi)有建立與各項(xiàng)服務(wù)渠道、服務(wù)方式相適應(yīng)的工作流程和規(guī)范，線上、線下優(yōu)勢(shì)得不到同步，使高校檔案利用服務(wù)工作流程難以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，花費(fèi)了大量的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，沒(méi)有起到好的效果。

表1　無(wú)人機(jī)平臺(tái)及搭載

表2　無(wú)人機(jī)航攝設(shè)計(jì)

1.3　像控點(diǎn)布設(shè)

前坪水庫(kù)主體庫(kù)區(qū)控制校核線呈不規(guī)則帶狀，以河道貫穿中線的地形特征，本文采用“內(nèi)部沿河道中線布設(shè)、外圍邊角控制”均勻布點(diǎn)方案，共布設(shè)像控點(diǎn)位40個(gè)，檢查點(diǎn)6個(gè)；重點(diǎn)施工區(qū)形狀為矩形區(qū)域，采用四角兩邊法區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)，布設(shè)控制點(diǎn)位19個(gè)，檢查點(diǎn)6個(gè)。布設(shè)的控制點(diǎn)如圖1所示。

圖1　像控點(diǎn)布設(shè)接合圖

2　水庫(kù)實(shí)景三維建模

以固定翼無(wú)人機(jī)單鏡頭獲取的正攝影像與多旋翼無(wú)人機(jī)五鏡頭傾斜影像為數(shù)據(jù)源，采用影像匹配彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)技術(shù)和三維網(wǎng)格優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)三維重建、紋理映射、連接點(diǎn)重構(gòu)紋理和重建約束，快速建立了高精度水庫(kù)實(shí)景三維模型，并成功應(yīng)用于水利BIM[2-6]。

(1) 由于衛(wèi)星定位原始數(shù)據(jù)為WGS-84坐標(biāo)系，因此在數(shù)據(jù)導(dǎo)入前需要進(jìn)行平面和高程坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，以解決POS和像控點(diǎn)坐標(biāo)不一致的問(wèn)題。

2.1　三維建模技術(shù)流程

(3) 模型編輯處理。如對(duì)刪除碎片、水面修補(bǔ)等進(jìn)行修改操作，將*.3mx格式瓦片轉(zhuǎn)換成*.obj格式導(dǎo)入第三方軟件(如Geomagic、3ds Max等)進(jìn)

圖2　庫(kù)區(qū)全自動(dòng)實(shí)景真三維制作

由圖2可知，通過(guò)對(duì)庫(kù)區(qū)高重疊度影像進(jìn)行處理，獲取大量連接點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上建立精細(xì)TIN模型及三維白模，采用映射的方式將高清影像紋理映射到三維白模表面，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維的自動(dòng)生產(chǎn)。

2.2　技術(shù)難點(diǎn)解決方案

在三維建模過(guò)程中，采用的軟件雖然自動(dòng)化程度較高，但仍然存在POS和像控點(diǎn)坐標(biāo)不一致、外方位元素未知等技術(shù)難點(diǎn)。為保證模型的精度，本文采用以下具體的人工干預(yù)步驟：

值得注意的是，教師課后要及時(shí)批閱學(xué)生習(xí)作并反饋，除關(guān)注單詞拼寫(xiě)或語(yǔ)法錯(cuò)誤外，應(yīng)更多關(guān)注語(yǔ)篇的邏輯結(jié)構(gòu)、語(yǔ)言表達(dá)方式等；可采用分期面批的形式，用激勵(lì)性評(píng)價(jià)，鼓勵(lì)學(xué)生大膽表達(dá)；同時(shí)，要提出修改建議，讓學(xué)生清楚自己寫(xiě)作的優(yōu)劣，不斷取得進(jìn)步；最后，布置學(xué)生制作班級(jí)寫(xiě)作板報(bào)，把優(yōu)秀作品張貼到學(xué)習(xí)園地里，進(jìn)行展示或交流，或發(fā)送到QQ群、微信群里，與家人、好友共賞，提高學(xué)生寫(xiě)作的興趣和積極性。

(2) 影像空間位置和姿態(tài)信息附加。為使POS數(shù)據(jù)中的點(diǎn)名與相應(yīng)影像名稱(chēng)完全一致，利用Excel表格模板將影像名稱(chēng)和POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入。

將原始影像整理成果、POS數(shù)據(jù)等導(dǎo)入Smart3DCapture軟件，經(jīng)像片刺點(diǎn)、幾何處理、自動(dòng)匹配空三、構(gòu)建TIN模型、貼紋理、構(gòu)建三維模型等步驟，實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維建模。整個(gè)過(guò)程自動(dòng)化程度高，正射影像和傾斜影像全自動(dòng)聯(lián)合空三，并為建(構(gòu))筑物創(chuàng)建高密度的不規(guī)則三角網(wǎng)，并自動(dòng)貼紋理，具體如圖2所示。

在可比性方面，首先要求相同或類(lèi)似的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)或事件在不同的政府結(jié)算單位進(jìn)行，根據(jù)統(tǒng)一的政策，按照政府要求，確保會(huì)計(jì)信息具有可比性，以提高部門(mén)和會(huì)計(jì)單位之間的可比性信息。其次，相同或類(lèi)似的事業(yè)單位或業(yè)務(wù)問(wèn)題需要相同的政府部門(mén)進(jìn)行處理。發(fā)生在不同的會(huì)計(jì)計(jì)算期間時(shí)，應(yīng)該是一致的會(huì)計(jì)政策，不會(huì)進(jìn)行徹底的改變，大大提高了不同時(shí)期機(jī)構(gòu)結(jié)算信息的可比性。

足球課堂的主要任務(wù)是完成足球教學(xué)目標(biāo)。良好的足球課堂秩序?yàn)橐还?jié)課的順利進(jìn)行，目標(biāo)的達(dá)成打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。短短的四十分鐘，要想完成課的目標(biāo)，需要教師充分的課前準(zhǔn)備，精心的設(shè)計(jì)，并建立良好的足球課堂秩序，使學(xué)生形成良好的行為習(xí)慣，提高足球教學(xué)效果。

利用無(wú)人機(jī)低空遙感對(duì)前坪水庫(kù)進(jìn)行實(shí)景三維模型，尤其是三維精細(xì)模型在水利工程BIM得到了成功應(yīng)用，將實(shí)景模型與虛擬模型疊加融合應(yīng)用于水利工程建設(shè)管理全生命周期，可以使水利工程投資分析、設(shè)計(jì)、施工、管理等更加科學(xué)精準(zhǔn)[8-10]，如圖4—圖6所示。

2.3　建模精度及分析

三維建模精度是通過(guò)量測(cè)模型上檢查點(diǎn)的三維坐標(biāo)與外業(yè)實(shí)測(cè)值進(jìn)行比對(duì)，并作為檢測(cè)指標(biāo)[7]。經(jīng)實(shí)際檢測(cè)，水庫(kù)主體庫(kù)區(qū)三維粗模平面中誤差為±0.5～1.0 m，高程誤差為±1.0～2.0 m。重點(diǎn)施工區(qū)傾斜攝影三維精模檢測(cè)點(diǎn)分布如圖3所示，精度統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表3。

圖3　重點(diǎn)施工區(qū)檢測(cè)點(diǎn)分布(圖中的圓圈)

m

由表3可以看出，重點(diǎn)施工區(qū)三維建模精度可以滿(mǎn)足水庫(kù)建設(shè)需求，但由于主體庫(kù)區(qū)航飛面積大、控制點(diǎn)布設(shè)相對(duì)較少，無(wú)人搭載的非量測(cè)相機(jī)畸變差相對(duì)較大，而且重點(diǎn)施工區(qū)地形高差大，即航飛獲取的影像色彩偏灰暗，使得點(diǎn)云匹配效果相對(duì)較差，從而造成部分水面匹配存在漏洞、水面和山體相交區(qū)域有存在模型異常等現(xiàn)象，需要采用人工編輯和修補(bǔ)。

3　工程應(yīng)用

行修改，修改后的模型以*.obj格式導(dǎo)入Smart3D進(jìn)行更新處理或重新建模，生成*.3mx格式的三維模型。

圖4　模型疊加-輔助大壩、橋梁設(shè)計(jì)與施工分析

圖5　泄洪洞、輸水洞等施工管理

圖6　精準(zhǔn)潰壩模擬、庫(kù)區(qū)移民評(píng)估

利用實(shí)景模型的高精度及現(xiàn)勢(shì)性，結(jié)合工程的開(kāi)挖地址模型，還可精確計(jì)算出工程量及工程投資，與工程監(jiān)理確認(rèn)的工程量及工程投資進(jìn)行對(duì)比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工程質(zhì)量和進(jìn)度的精細(xì)化管理。實(shí)景模型與設(shè)計(jì)模型聯(lián)合應(yīng)用，既能展示工程建設(shè)完成后的效果，又能更加直觀真實(shí)地展示工程進(jìn)展情況，將無(wú)人機(jī)實(shí)景三維建模技術(shù)應(yīng)用于水利BIM具有重要的實(shí)際意義。

飛行時(shí)間測(cè)距是通過(guò)測(cè)定UWB脈沖信號(hào)從UWB標(biāo)簽到UWB基站的信號(hào)往返時(shí)間從而確定其距離的，這種方法解決常規(guī)時(shí)間到達(dá)（Time of Arrival，TOA）以及時(shí)間到達(dá)差（Time Difference of Arrival，TDOA）方法中需要UWB標(biāo)簽與基站保持時(shí)間同步的問(wèn)題。該測(cè)距原理是標(biāo)簽先向基站發(fā)送測(cè)距序列，其中可包含要求應(yīng)答等信息，基站經(jīng)過(guò)一個(gè)固定延時(shí)之后轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)[12]，標(biāo)簽接收后計(jì)算一次來(lái)回程時(shí)間，標(biāo)簽到基站i距離di可用式（1）表示：

4　結(jié)　語(yǔ)

[5] 駱朝亮,楊晶.高清三維實(shí)景在數(shù)字城管中的創(chuàng)新應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào),2014(3):139-140.

參考文獻(xiàn)：

[1] 李德仁,李明.無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)的研究進(jìn)展與應(yīng)用前景[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2014，39(5):505-513.

脂肪含量在8.12～15.35g/100g之間，平均含量為10.73g/100g，不同部位的平均含量高低依次為胸腹部肉含量14.45g/100g、前腿肉含量10.99g/100g、最長(zhǎng)肌肉含量10.31g/100g、后腿肉含量10.21g/100g、頸肩肉含量10.01g/100g。

[3] 孫玉平,范亞兵,郝睿,等.基于傾斜攝影技術(shù)構(gòu)建實(shí)景三維產(chǎn)品的應(yīng)用開(kāi)發(fā)研究[J].測(cè)繪與空間地理信息,2015(11):152-154.

[4] 黃健,王繼.多視角影像自動(dòng)化實(shí)景三維建模的生產(chǎn)與應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào),2016(4):75-78.

本文采用無(wú)人機(jī)單鏡頭大重疊攝影與多角度傾斜攝影聯(lián)合作業(yè)模式，以河南汝陽(yáng)前坪水庫(kù)為試驗(yàn)區(qū)，實(shí)現(xiàn)了水庫(kù)區(qū)域?qū)嵕叭S粗模和精模的快速生產(chǎn)，以及粗模和精模一體化的技術(shù)流程。試驗(yàn)結(jié)果表明：無(wú)人機(jī)實(shí)景三維建模成果能夠滿(mǎn)足水利BIM應(yīng)用及工程投資分析、工程設(shè)計(jì)、施工與安全質(zhì)量管理、庫(kù)區(qū)移民等需求。

[2] 曲林,馮洋,支玲美,等.基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)的實(shí)景三維建模研究[J].測(cè)繪與空間地理信息,2015(3):38-39.

[6] 周杰.基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)構(gòu)建實(shí)景三維模型的方法研究[J].價(jià)值工程,2016,35(25):232-235.

[7] 譚金石,黃正忠.基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的實(shí)景三維建模及精度評(píng)估[J].現(xiàn)代測(cè)繪,2015(5):21-24.

磚子點(diǎn)點(diǎn)頭，說(shuō)你女兒這是替你苦錢(qián)呢，好，你忙。磚子抬腿剛要走，李金枝甩過(guò)了欲言又止的話(huà)頭：磚子哥，師姐她……

[8] 王建強(qiáng),鐘春惺,江麗鈞,等.基于多視航空影像的城市三維建模方法[J].測(cè)繪科學(xué),2014，39(3):70-74.

[9] 張峰,桑奪坤.徠卡RCD30傾斜相機(jī)在城市實(shí)景三維模型制作中的方法研究及其應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào),2017(2):153-154.

[10]李明,張衛(wèi)龍,范丁元.城市三維重建中的自動(dòng)紋理優(yōu)化方法[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2017，46(3):338-345.

where vais the movement velocity of the actuator;g is the amplitude attenuation ratio,taking as 0.89125 at 10 Hz.

[11]劉軍,許志華,劉小陽(yáng),等.基于無(wú)人機(jī)遙感影像拓?fù)浞治龅娜S重建[J].測(cè)繪工程,2014，23(8):32-35.

[12]孫少楠,張慧君.BIM技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用研究[J].工程管理學(xué)報(bào),2016,30(2):103-108.