實(shí)景三維建模技術(shù)在房屋承災(zāi)體調(diào)查中的應(yīng)用

王瑩瑩 崔小芳

引言

近些年，我國(guó)飽受自然災(zāi)害的侵襲，人民生命財(cái)產(chǎn)安全頻頻受到威脅。2018年10月10日召開的中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第三次會(huì)議，提出要針對(duì)關(guān)鍵領(lǐng)域和薄弱環(huán)節(jié)，部署實(shí)施災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查和重點(diǎn)隱患排查等9項(xiàng)重點(diǎn)工程。第一次自然災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)普查就是全面提高國(guó)家自然災(zāi)害防治能力的重要基礎(chǔ)性工作之一。

2019年四川涼山州木里縣發(fā)生森林火災(zāi)，造成27名森林消防隊(duì)員和3名地方干部群眾犧牲；2008年汶川特大地震造成69227人遇難，17923人失蹤，直接經(jīng)濟(jì)損失8451億元；1998年發(fā)生在長(zhǎng)江、嫩江、松花江等江河流域的特大洪水，受災(zāi)面積達(dá)3.18億畝地，受災(zāi)人口2.23億，倒塌房屋685萬(wàn)間，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1660億元。頻頻發(fā)生的自然災(zāi)害對(duì)人民的生活造成很大的影響，給國(guó)家?guī)?lái)不可估計(jì)的損失。房屋建筑是與人民生命財(cái)產(chǎn)安全關(guān)系最為密切的承災(zāi)體(圖1），因此自然災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)普查房屋承災(zāi)體工作勢(shì)在必行。

圖1 汶川大地震中倒塌的房屋

全國(guó)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查房屋承災(zāi)體調(diào)查工作

針對(duì)我國(guó)目前房屋建筑存量底數(shù)不清、抗震設(shè)防整體狀況不明的情況，開展全國(guó)自然災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)普查房屋承災(zāi)體調(diào)查工作，形成相對(duì)完備的房屋承災(zāi)體數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)房屋承災(zāi)體隱患評(píng)估和綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，為政府合理規(guī)避災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，全面提高房屋承災(zāi)體抗災(zāi)減災(zāi)能力，有效保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)的房屋承災(zāi)體調(diào)查信息收集方法在人力、物力、時(shí)間上耗費(fèi)大且數(shù)據(jù)質(zhì)量無(wú)法保證。目前農(nóng)村房屋分散，且存在比較多的空心村或者僅留下老人在家，陌生人敲門警戒心比較強(qiáng)，有的會(huì)大門緊閉，調(diào)查效率低，工作難度大。無(wú)人機(jī)航測(cè)可以實(shí)現(xiàn)大范圍房屋建筑采集，后期不僅可以得到三維模型，而且具備精確的坐標(biāo)信息和豐富的紋理信息。所以提出將實(shí)景三維建模技術(shù)與房屋承災(zāi)體調(diào)查工作相結(jié)合，充分利用實(shí)景三維建模技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，確保房屋承災(zāi)體調(diào)查工作按時(shí)保質(zhì)完成。

傳統(tǒng)調(diào)查方法與問(wèn)題

自然資源災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)普查房屋承災(zāi)體調(diào)查工作按照國(guó)家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，在含有全國(guó)房屋建筑空間位置和矢量數(shù)據(jù)的工作底圖上，依托鄉(xiāng)鎮(zhèn)基層力量，通過(guò)第三方技術(shù)培訓(xùn)，在軟件系統(tǒng)上開展房屋建筑信息調(diào)查，軟件系統(tǒng)界面見(jiàn)圖2，調(diào)查內(nèi)容包括基本信息、建筑信息、抗震設(shè)防信息、使用情況四部分，這四部分的細(xì)化內(nèi)容見(jiàn)表1。

圖2 全國(guó)房屋建筑和市政設(shè)施調(diào)查系統(tǒng)圖

表1 房屋承災(zāi)體調(diào)查系統(tǒng)細(xì)化數(shù)據(jù)表

這些細(xì)化數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性會(huì)直接影響系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)于每個(gè)房屋的抗震設(shè)防等級(jí)和承受自然災(zāi)害能力的后續(xù)計(jì)算，若數(shù)據(jù)質(zhì)量無(wú)法保證真實(shí)正確會(huì)導(dǎo)致本項(xiàng)工作失去意義。對(duì)未來(lái)部署各種自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施極為不利。

總的來(lái)看傳統(tǒng)調(diào)查方法存在以下問(wèn)題和難點(diǎn)。

一是鄉(xiāng)鎮(zhèn)基層調(diào)查人員工作能力參差不齊，對(duì)于電子產(chǎn)品運(yùn)用、技術(shù)掌握的熟練程度和理解水平也有差異，即使是集中培訓(xùn)配合單獨(dú)教學(xué)，提供的數(shù)據(jù)質(zhì)量也天差地別，使得數(shù)據(jù)質(zhì)量難以保證，調(diào)查從業(yè)者的人為因素給數(shù)據(jù)質(zhì)量帶來(lái)很大的不確定性。

二是調(diào)查工作量大面廣，情況復(fù)雜。有些區(qū)域的房屋建筑物需要進(jìn)行新增，鄉(xiāng)鎮(zhèn)基層調(diào)查人員在操作移動(dòng)端時(shí)圖斑勾勒與實(shí)地不一致；有的鄉(xiāng)鎮(zhèn)基層調(diào)查人員工作專業(yè)度不夠，系統(tǒng)信息未按照規(guī)范填寫，出現(xiàn)漏寫、錯(cuò)寫、不規(guī)范的情況；有的街道相對(duì)較窄、常年無(wú)人居住的情況下，圖斑數(shù)量無(wú)法確定、照片的拍攝質(zhì)量無(wú)法保證。

三是數(shù)據(jù)校核難度大。在檢核階段，需要把問(wèn)題反饋給鄉(xiāng)鎮(zhèn)整改，由于鄉(xiāng)鎮(zhèn)基層調(diào)查人員直接面對(duì)群眾，人員數(shù)量少，工作任務(wù)多，無(wú)法及時(shí)進(jìn)行整改，導(dǎo)致工作推進(jìn)難度大，工期得不到保證。

實(shí)景三維建模技術(shù)及應(yīng)用

實(shí)景三維建模技術(shù)操作方法比較靈活，可以按照工作范圍的大小對(duì)施工工藝和施工機(jī)械進(jìn)行選擇。它的工作原理是由無(wú)人機(jī)搭載著多方位相機(jī)從多個(gè)角度采集影像數(shù)據(jù)(圖3、圖4），獲取要素的紋理數(shù)據(jù)和定位信息，然后通過(guò)軟件轉(zhuǎn)化成可視、可分析的信息，再根據(jù)需要進(jìn)行信息提取，因其精度高、還原度高、可視化、效率高、操作方便受到各行業(yè)的青睞。

圖3 無(wú)人機(jī)機(jī)器

圖4 無(wú)人機(jī)飛行使用的相機(jī)

一、技術(shù)優(yōu)勢(shì)

和傳統(tǒng)調(diào)查作業(yè)相比，實(shí)景三維建模技術(shù)具有數(shù)據(jù)采集精度高、多角度、可視化、自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)。

實(shí)景三維建模技術(shù)通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載高精度的定位設(shè)備采集傾斜影像，以及地面控制點(diǎn)的輔助，經(jīng)軟件計(jì)算自動(dòng)生成模型，模型數(shù)據(jù)在制作過(guò)程中其平面和高程誤差可控制在5cm之內(nèi)，在計(jì)算機(jī)的三維模型界面對(duì)全景實(shí)景圖像進(jìn)行深度處理可直接在圖像上量測(cè)高度、寬度、坡度和面積，達(dá)到大比例尺地圖的精度要求。

實(shí)景三維建模技術(shù)運(yùn)用的無(wú)人機(jī)可搭載各種類型的相機(jī)，在處理拍攝數(shù)據(jù)時(shí)能夠根據(jù)航拍傾斜影像，自動(dòng)生成高分辨的、帶有逼真紋理貼圖的三維模型。這種模型是100%的真實(shí)現(xiàn)狀，可以縮小、放大及360°旋轉(zhuǎn)，效果逼真，反映出場(chǎng)地起伏、原有道路、原有基坑、原有建筑、原有景觀綠化及已有水電接駁設(shè)施等信息，帶給人身臨其境之感，能還原真實(shí)世界的完整面貌，實(shí)現(xiàn)全要素覆蓋的可視化效果。

目前市場(chǎng)上輔助無(wú)人機(jī)完成相片采集的軟件有DJI GO, Litchi, Pix4Dcapture等可供挑選，制作實(shí)景三維建模的軟件有很多，比如Smart3D，3DSM PRO, 3DMAX，Autodesk Photo scan Editor,David等，軟件對(duì)于建模技術(shù)人員要求不高，基于清晰度好的相片，通過(guò)垂直與傾斜影像的全自動(dòng)聯(lián)合空三加密，即可全自動(dòng)化紋理映射，并構(gòu)建三維模型。

二、應(yīng)用分析

房屋承災(zāi)體調(diào)查工作的目標(biāo)對(duì)象是所有的房屋建筑，包括城鎮(zhèn)房屋和農(nóng)村房屋。我國(guó)房屋建筑具有數(shù)量底數(shù)大，分布地域廣的特點(diǎn)，實(shí)景三維建模技術(shù)能夠完美地契合這些特點(diǎn)；利用無(wú)人機(jī)飛行可以高效、快速地獲取房屋建筑的空間信息和實(shí)景數(shù)據(jù)，大大提高工作效率，節(jié)約成本。實(shí)景三維建模技術(shù)在房屋承災(zāi)體調(diào)查工作具體流程見(jiàn)圖5。

圖5 實(shí)景三維建模技術(shù)在房屋承災(zāi)體調(diào)查工作的流程圖

1.數(shù)據(jù)獲取

數(shù)據(jù)采集首先需要設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)的飛行航線。通過(guò)RTK對(duì)野外控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核，核查它的坐標(biāo)是否準(zhǔn)確，為無(wú)人機(jī)飛行航線的區(qū)域范圍提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)飛行影像的接邊處理比較復(fù)雜，因此無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)航線會(huì)適當(dāng)外擴(kuò)，航飛區(qū)域內(nèi)航線有20%重疊。無(wú)人機(jī)拍攝宜結(jié)合風(fēng)力、云層和光照強(qiáng)度等因素，選取合適的天氣。光線柔和、無(wú)風(fēng)、能見(jiàn)度高的條件下拍攝的影像分辨率會(huì)比較高，大風(fēng)會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)飛行偏離航線；光線太強(qiáng)影響相機(jī)的曝光率增大，光線太暗的時(shí)候需要邊飛行邊調(diào)節(jié)相機(jī)參數(shù)。在同一航線及相鄰航線內(nèi)的飛行高度差應(yīng)不大于20m，與設(shè)計(jì)航線的高度差應(yīng)不大于50m(圖6）。

圖6 無(wú)人機(jī)飛行的航線設(shè)計(jì)

此外還需要根據(jù)房屋建筑的密集程度調(diào)節(jié)無(wú)人機(jī)的飛行高度和飛行速度。房屋比較密集時(shí)可以控制無(wú)人機(jī)進(jìn)行低空低速飛行，保證每一個(gè)房屋的角落紋理都可以被采集到；房屋比較分散時(shí)，在保證精度的前提下，可適當(dāng)提高飛行速度和飛行高度。當(dāng)房屋高低差比較大時(shí)需要分高度、分區(qū)域進(jìn)行航線設(shè)計(jì)和飛行采集。

2.建模

首先要進(jìn)行坐標(biāo)校準(zhǔn)，將無(wú)人機(jī)獲取的數(shù)據(jù)導(dǎo)入3DMAX建模軟件，運(yùn)用軟件自動(dòng)生成能夠準(zhǔn)確表現(xiàn)房屋細(xì)部結(jié)構(gòu)、比例、面數(shù)最優(yōu)的實(shí)景模型。制作過(guò)程中，軟件可以對(duì)模型進(jìn)行自動(dòng)紋理貼圖。貼圖完成后人工輔助檢查模型是否存在貼圖錯(cuò)誤、扭曲、色彩差異、采集漏洞等情況，經(jīng)過(guò)編輯修改得到最終實(shí)景三維建模成果。實(shí)景三維建模技術(shù)的工作流程見(jiàn)圖7。

圖7 實(shí)景三維建模技術(shù)流程圖

房屋建筑的紋理是否完整和真實(shí)直接影響對(duì)房屋建筑物信息數(shù)據(jù)填寫的判斷。對(duì)于飛行區(qū)域被樹木遮擋的建筑底商等情況，需要利用人工補(bǔ)拍的數(shù)據(jù)，通過(guò)模型修飾對(duì)相關(guān)紋理進(jìn)行替換，并做整體化處理，重點(diǎn)建筑要注意細(xì)節(jié)表現(xiàn)到位(圖8）。

圖8 房屋3DMAX模型

3.成果

無(wú)人機(jī)飛行時(shí)會(huì)全面覆蓋該區(qū)域的房屋建筑，房屋承災(zāi)體比較密集的情況下采集的成果見(jiàn)圖9(a），大門緊閉、無(wú)人在家的情況下采集的成果見(jiàn)圖9(b）。實(shí)景三維建模技術(shù)還原的真實(shí)度高，精度、分辨率、清晰度、自動(dòng)化程度都達(dá)到很高的水平，數(shù)據(jù)信息可視化方便交流。通過(guò)實(shí)景三維建模技術(shù)處理后的成果可以直觀了解房屋承災(zāi)體的結(jié)構(gòu)類型、層數(shù)，通過(guò)軟件工具可以查詢房屋高度和面積，獲得房屋外輪廓線，截取滿足國(guó)家系統(tǒng)平臺(tái)要求的房屋正面全景照。

圖9 實(shí)景三維建模技術(shù)采集的房屋承災(zāi)體照片

調(diào)查人員或檢核人員通過(guò)模型成果分片區(qū)逐個(gè)對(duì)照國(guó)家系統(tǒng)平臺(tái)上的圖斑檢查信息，可以減少圖斑缺漏信息的情況，根據(jù)模型成果進(jìn)行信息更正、圖斑形狀修改，即使天氣條件不好的情況，調(diào)查人員或檢核人員也可根據(jù)現(xiàn)有資料和模型成果進(jìn)行系統(tǒng)平臺(tái)的信息錄入和檢核，提高工作效率，避免延誤工期。

結(jié)論

實(shí)景三維建模技術(shù)創(chuàng)造的數(shù)據(jù)能長(zhǎng)久以電子版本保存，可進(jìn)行反復(fù)查詢。建模的成果可彌補(bǔ)傳統(tǒng)工作方法的不足，解決因?yàn)榉课莸呐臄z間距得不到合規(guī)的照片、家中無(wú)人無(wú)法調(diào)查等問(wèn)題，從而減少因天氣不好窩工、數(shù)據(jù)判別錯(cuò)誤外業(yè)返工 ，實(shí)現(xiàn)工期可控的目標(biāo)。通過(guò)實(shí)景三維建模技術(shù)成果資料完善國(guó)家系統(tǒng)平臺(tái)信息，不僅保證數(shù)據(jù)的可靠性，還可以使數(shù)據(jù)的判別有理可依，有據(jù)可查。

采用實(shí)景三維建模技術(shù)進(jìn)行自然災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)普查房屋承災(zāi)體調(diào)查工作的方法可以達(dá)到減少鄉(xiāng)鎮(zhèn)人員工作量、保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、可視化備查、工期可控“四贏”的局面。鄉(xiāng)鎮(zhèn)工作人員直接面向群眾負(fù)責(zé)的事情范圍廣事情多，房屋承災(zāi)體調(diào)查工作又需要大量的時(shí)間來(lái)對(duì)待，因此如何減少他們的工作量同時(shí)保證數(shù)據(jù)的正確性才是根本。實(shí)景三維建模技術(shù)的成果不僅可以解決此問(wèn)題，而且數(shù)據(jù)信息可視化，方便提取為后續(xù)工作提供基礎(chǔ)?；鶎犹峤粶?zhǔn)確的數(shù)據(jù)資料減少了檢核單位的反饋和審核階段的返工工作，有利于政府部門對(duì)本區(qū)域的房屋建筑數(shù)據(jù)掌握。

綜上所述，根據(jù)全國(guó)自然災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)普查房屋承災(zāi)體調(diào)查工作實(shí)際情況，結(jié)合實(shí)景三維建模技術(shù)的特點(diǎn)，提出基于實(shí)景三維建模技術(shù)的房屋承災(zāi)體調(diào)查工作應(yīng)用，結(jié)果表明該方法提供的信息可以使軟件系統(tǒng)平臺(tái)數(shù)據(jù)正確率提高，減少野外工作環(huán)節(jié)和檢核整改環(huán)節(jié)的人力、物力、時(shí)間投入，提高工作推進(jìn)效率，加快工作進(jìn)度，使得軟件系統(tǒng)平臺(tái)圖斑數(shù)據(jù)的一致性、完整性和規(guī)范性符合國(guó)家要求，為建立完善自然災(zāi)害房屋承災(zāi)體風(fēng)險(xiǎn)隱患和減災(zāi)能力數(shù)據(jù)庫(kù)以及國(guó)家、各省房屋承災(zāi)體災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)信息基礎(chǔ)系統(tǒng)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)支撐。