實(shí)景建模技術(shù)精度分析及工程應(yīng)用

趙恩堂，蘇章

（中建三局第一建設(shè)工程有限責(zé)任公司，武漢430040）

1 引言

通過傾斜攝影技術(shù)獲取的實(shí)景模型，在城市規(guī)劃、環(huán)境檢測、應(yīng)急救災(zāi)、工程建設(shè)等諸多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。實(shí)景建模技術(shù)綜合運(yùn)用圖像處理、視覺計(jì)算等技術(shù)從二維圖像中提取目標(biāo)的三維空間信息，通過多種手段的綜合應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的三維重建[1]。本研究通過定量分析，確定航高、主航向及航向間重疊度與實(shí)景模型精度的關(guān)系曲線。另外，將對實(shí)景建模技術(shù)在工程中的應(yīng)用做簡要介紹。

2 試驗(yàn)條件

2.1 測區(qū)情況

測區(qū)位置為武漢江夏區(qū)普洛斯工業(yè)園, 測區(qū)面積約70 000m2。在測區(qū)內(nèi)共采集21 個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)信息，其中4 個(gè)為控制點(diǎn)，其余17 個(gè)點(diǎn)作為用于數(shù)據(jù)對比的測量點(diǎn)。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)飛行平臺為大疆M600pro 六旋翼無人機(jī)。傾斜相機(jī)為大勢智慧雙魚傾斜相機(jī)3.0。控制點(diǎn)及測量點(diǎn)通過中海達(dá)V30 北斗版GNSS RTK 系統(tǒng)進(jìn)行量測。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)ContextCapture 軟件數(shù)據(jù)要求，新建工程并導(dǎo)入傾斜相機(jī)獲取的2 組影像文件，輸入控制點(diǎn)坐標(biāo)信息并在部分影像上標(biāo)記，進(jìn)行空三計(jì)算。完成空三計(jì)算，進(jìn)一步進(jìn)行模型計(jì)算及輸出。在實(shí)景模型上提取測量點(diǎn)坐標(biāo)信息，對比中海達(dá)V30 獲取的坐標(biāo)信息進(jìn)行對比分析。

3.1 無人機(jī)航高對模型精度的影響

無人機(jī)航高直接影響照片的地面分辨率，航高越高，分辨率越低，模型精度也會(huì)越差。本次試驗(yàn)共分別采用50m、75m、100m、125m、150m、200m、250m 航高進(jìn)行試驗(yàn)，以此研究航高與模型精度之間的關(guān)系曲線。主航向重疊度均為80%，航向間重疊度均采用70%。計(jì)算算各航高誤差均值，結(jié)果如表1 所示。

其中，ΔL為水平面偏差值，計(jì)算公式如下式所示：

3.2 照片重疊度對模型精度的影響

照片重疊度越高，模型計(jì)算精度應(yīng)該越高。為獲取照片重疊度與實(shí)景模型誤差的關(guān)系曲線，固定航高100m，航向間重疊度70%的情況下，對比主航線重疊度分別為50%、60%、70%、80%、90%情況下的實(shí)景模型精度。計(jì)算各主航向重疊度下的誤差均值，結(jié)果如表2 所示。

表1 各航高誤差偏差均值

3.3 控制點(diǎn)密度對模型精度的影響

增加控制點(diǎn)密度將提高實(shí)景模型的約束，模型的精度也越高。固定航高100m，主航向重疊度80%，航向間重疊度70%。對于控制點(diǎn)數(shù)量，分別采用4、6、8、10 個(gè)控制點(diǎn)信息。獲取各情況下的實(shí)景模型誤差情況，計(jì)算模型在不同控制點(diǎn)密度各控制點(diǎn)的誤差均值，結(jié)果如表3 所示。

表3 不同控制點(diǎn)密度各控制點(diǎn)的誤差均值

通過對各個(gè)因素進(jìn)行的實(shí)景事情建模精度研究，獲得了實(shí)景測量精度與各個(gè)要素之間的關(guān)系，為實(shí)景建模技術(shù)應(yīng)用提供量化控制標(biāo)準(zhǔn)。

主航向及航向間重疊度越高，實(shí)景測量精度越高。但相比其他因素，其對實(shí)景測量精度的影響最低，但增加重疊度會(huì)造成航拍影像的數(shù)量急劇增加，嚴(yán)重影響模型重建效率。在建模時(shí)，適合用于在航高已達(dá)到最低、控制點(diǎn)無法增加時(shí)，通過增加重疊度來提高實(shí)景模型的質(zhì)量。

無人機(jī)航高越高，實(shí)景測量精度越低，并且其對實(shí)景測量精度的影響最大。在樹木、建筑等遮擋物高度允許的前提下，盡量通過改變無人機(jī)航高對實(shí)景模型的精度進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。

控制點(diǎn)密度越高，實(shí)景測量精度越高?？刂泣c(diǎn)對實(shí)景測量精度控制是必不可少的限制條件，在實(shí)景模型高度精度方面，控制點(diǎn)的影響最大。在環(huán)境允許的條件下，盡量通過增加控制點(diǎn)的密度來提高實(shí)景模型的高程精度[2]。

表2 各主航向重疊度的誤差偏差均值

4 實(shí)景模型的工程應(yīng)用

4.1 工程進(jìn)度分析

在工程建設(shè)中，工程進(jìn)度控制是工程實(shí)施過程中非常重要的一個(gè)方面。借助實(shí)景模型和BIM 模型可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的工程進(jìn)度管理。通過航拍獲取工程實(shí)景模型，通過與BIM 模型的對比分析，可以快速獲取構(gòu)件級的工程進(jìn)度狀況，并結(jié)合BIM 模型的工程量信息，獲得已完成及未完成的工程量信息。

4.2 三維場地布置

傳統(tǒng)場地布置是通過CAD 圖紙或者三維BIM 模型進(jìn)行工程的場地布置。三維實(shí)景模型具有三維可視化的優(yōu)勢，可以結(jié)合BIM 構(gòu)件族庫進(jìn)行實(shí)景環(huán)境下的場地布置。由于實(shí)景模型為現(xiàn)場的真實(shí)反映，所得的方案更能反映現(xiàn)場實(shí)際，保證方案的可實(shí)施性。

4.3 交通分析模擬

將實(shí)景模型作為城市模型底層，對工程周邊環(huán)境進(jìn)行交通狀況分析，可以應(yīng)用于道路改擴(kuò)建工程中分析道路通行能力，或者在占道施工狀況下預(yù)測占道施工方案的可行性，為方案制訂提供一種可視化的分析方法。

5 結(jié)語

隨著城市信息化技術(shù)的不斷推進(jìn)，實(shí)景技術(shù)作為創(chuàng)建城市模型的一種方式，應(yīng)用范圍將會(huì)越來越廣。另外，在工程建設(shè)領(lǐng)域，其可以與BIM 技術(shù)進(jìn)行良好的融合應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。