面向水利工程的空地一體三維重建方法研究

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)劃時不能完全覆蓋整個測區(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，模型真實感還原較差。對于上述方法的不足，本文提出一種結(jié)合傾斜攝影測量與近景攝影測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價，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”是指對同一測區(qū)采用低空傾斜攝影測量與地面近景攝影測量兩種方式采集數(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量對高層地物整體影像精確獲取，及近景攝影測量對局部近距離高分辨率影像獲取的優(yōu)勢，實現(xiàn)對測區(qū)大范圍多方位的影像采集。數(shù)據(jù)處理采用ContextCapture三維實景建模軟件，首先利用其集群處理性能將多臺同構(gòu)或異構(gòu)的計算機(jī)連接成基于邏輯并行計算的計算機(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)揮了計算機(jī)的性能。空地一體三維重建的技術(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)傾斜攝影測量中，對含有定位定姿(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)空中三角測量分層現(xiàn)象，且像控點(diǎn)信息作為聯(lián)合空中三角測量的關(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)合空中三角測量，結(jié)合朱進(jìn)等人對“控制點(diǎn)布設(shè)對空中三角測量精度影響”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)在測區(qū)有明顯特征的點(diǎn)位上并做標(biāo)記，用RTK量測標(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)傾斜攝影測量對測區(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)，通過改變云臺的角度拍攝不同方位的傾斜影像，對大壩定點(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

傾斜攝影測量受航高或傾斜角度的局限無法對近地面結(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，計算儀器攝距和旋轉(zhuǎn)角度，將參數(shù)輸入儀器，同時打開Auspic_GIS程序進(jìn)行全自動影像獲取。拍照時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)合空中三角測量

空中三角測量是對影像間拓?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)合空中三角測量是空地一體三維重建的關(guān)鍵。首先在軟件平臺導(dǎo)入傾斜影像，遞交給空中三角測量模塊并提取大量特征點(diǎn)，利用像對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量解算，融合兩次空中三角測量解算成果，再次遞交空中三角測量模塊，完成空地影像聯(lián)合空中三角測量。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)行空中三角測量，但空中三角測量的結(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)合空中三角測量的流程圖

圖4 聯(lián)合空中三角測量的解算結(jié)果

3.2 模型構(gòu)建

聯(lián)合空中三角測量解算完成后，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)提取深度圖并計算TIN模型，此時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，得到三維實景模型。三維實景模型可導(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景模型相比，添加了近景影像的實景模型(圖5)的紋理質(zhì)量有了很大提升。

圖5 模型細(xì)節(jié)對比

3.3 模型精度檢驗

模型構(gòu)建完成后，為檢驗?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。模型精度檢驗包括平面精度檢驗和高程精度檢驗。首先，在模型中找出野外實測檢查點(diǎn)的標(biāo)記；然后，用軟件量測檢查點(diǎn)的坐標(biāo)，并將其作為模型坐標(biāo)，將野外實測檢查點(diǎn)的坐標(biāo)作為實測坐標(biāo)；最后，計算模型坐標(biāo)與實測坐標(biāo)的差值作為X、Y、Z方向上的真誤差，并由以下公式計算中誤差:

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：X實、Y實、Z實為檢查點(diǎn)的實測坐標(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。測區(qū)以攔河大壩為中心，呈條帶狀，南北長約1 242 m，東西寬約442 m，有效航測面積約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)，并對三維不規(guī)則三角網(wǎng)進(jìn)行平滑和簡化，生成白膜(圖8)；最后通過紋理映射得到高精度的實景三維模型(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 三維實景模型

三維模型的精度統(tǒng)計見表2。依據(jù)公式(1)—(4)計算得：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 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景模型，為工程信息存儲、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、體積度量計算，實現(xiàn)對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，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，通過配套軟件對地形進(jìn)行分析，計算地基的土石方量，并與設(shè)計階段的土石方量校核，為土石方量的精確計算提供必要的依據(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。空地一體三維重建在大范圍、高精度的情況下感知復(fù)雜場景，獲取空地影像，利用軟件制作密集匹配點(diǎn)云和三維實景模型，基于模型生成測區(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)工程前期模擬真實場景。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景，實現(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)航測的誤差來源多，相較于其他工程對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量與近景攝影測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)合空中三角測量，充分發(fā)揮計算機(jī)的性能，且空中三角測量融合效果較好，三維重建模型精度高，側(cè)面紋理豐富。