城市戰(zhàn)場無人機(jī)傾斜攝影三維建模應(yīng)用

張利龍 殷學(xué)豐 周宇羲

關(guān)鍵詞：城市戰(zhàn)場；無人機(jī)；傾斜攝影；三維建模

無人機(jī)傾斜攝影憑借先進(jìn)的定位技術(shù)、豐富的影像信息和精準(zhǔn)的地理信息，可實(shí)現(xiàn)快速、低成本、高效的空間測繪和三維建模，廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、搶險救災(zāi)、資源勘察等多個領(lǐng)域。美陸軍利用先進(jìn)的戰(zhàn)場無人機(jī)測繪技術(shù)，能夠在戰(zhàn)場上掃描、制作全動態(tài)視頻并繪制三維模型地圖，創(chuàng)建實(shí)時的城市戰(zhàn)場三維模型，具備較高的分辨率，以滿足單兵和較小作戰(zhàn)對城市戰(zhàn)場的測繪需求。

1 城市戰(zhàn)場面臨的挑戰(zhàn)

城市作為經(jīng)濟(jì)科技中心必將成為未來戰(zhàn)爭的重要戰(zhàn)略打擊目標(biāo)，特別是超大城市的龐大規(guī)模和沿海城市河流、水灣、港口等綜合復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境，需要具備登陸作戰(zhàn)、街道戰(zhàn)、垂直突擊戰(zhàn)等綜合作戰(zhàn)能力，構(gòu)成了城市戰(zhàn)的重要挑戰(zhàn)。自古以來，各軍事家都避免直接在城市展開戰(zhàn)斗。公元前500年，孫子就說過“其下攻城”，稱用兵的下策是攻打城池。第二次世界大戰(zhàn)以后，各軍事學(xué)說都建議避開或繞過城市，避免在城市開戰(zhàn)。然而經(jīng)濟(jì)科技發(fā)達(dá)城市必將成為未來戰(zhàn)爭的重點(diǎn)打擊對象，應(yīng)緊前謀劃做好一系列作戰(zhàn)準(zhǔn)備。從俄烏沖突中可以看出，幾乎所有知名的保衛(wèi)戰(zhàn)和攻堅(jiān)戰(zhàn)都是在城市或者圍繞著城市進(jìn)行，這意味著城市作戰(zhàn)在未來戰(zhàn)爭當(dāng)中將具有非常重要的戰(zhàn)略意義。

當(dāng)前城市戰(zhàn)場的新形勢和軍事信息化背景下，城市精準(zhǔn)定位打擊和特戰(zhàn)反恐、人質(zhì)解救等作戰(zhàn)行動，傳統(tǒng)二維地形圖的空間地理展現(xiàn)不夠直觀立體，而實(shí)體沙盤缺乏可視化分析、全景式展現(xiàn)、人機(jī)交互等功能，也不便于戰(zhàn)場環(huán)境更新。利用城市三維地形圖，通過海量數(shù)據(jù)可視化和作戰(zhàn)行動要素分析，有利于輔助城市作戰(zhàn)指揮決策，構(gòu)建虛擬仿真訓(xùn)練場景。然而城市地域規(guī)模大、地形復(fù)雜，采用人工測繪建模、紋理制作等系列流程，需要耗費(fèi)很大的人力、物力和時間成本，特別是在突發(fā)作戰(zhàn)場景需要時效性的情形下，需要一種快速、便捷的三維建模手段，來滿足當(dāng)下面臨的三維地形圖構(gòu)建需要。

2 三維建模技術(shù)及流程

無人機(jī)傾斜攝影通過搭載攝像頭獲取四個方位傾斜和正射影像數(shù)據(jù)，如圖1所示。數(shù)據(jù)包含POS數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)、無人機(jī)飛行姿態(tài)、速度等信息，通過融合解析各方位數(shù)據(jù)信息，結(jié)合控制點(diǎn)坐標(biāo)，自動完成空中三角測量，生成三維重建模型，適合建筑物較多、街道復(fù)雜的城市場景。

2.1 航攝參數(shù)

為了對基準(zhǔn)地形建模，首先將目標(biāo)飛行區(qū)域網(wǎng)格化，即根據(jù)一定精度劃分為投影等間距的曲面網(wǎng)格， 使得飛行區(qū)域內(nèi)的地形在水平面上的投影切分為若干個小正方形單元[1]。根據(jù)測量區(qū)域和無人機(jī)航行范圍，合理分片劃分航行區(qū)域，同時規(guī)劃要充分考慮測區(qū)的地形環(huán)境，周邊山區(qū)及建筑物高度空間分布，以確保飛行安全。一般用作城市場景傾斜測量的精度要求，飛行高度選擇在50～100m之間，但按這個飛行高度無法完成超高建筑的傾斜攝影，無法滿足超高樓棟的航行重疊度，導(dǎo)致超高建筑模型質(zhì)量差，飛行安全也難以保障。

城市建筑三維場景的難點(diǎn)是高低落差大，樓棟密度高，這些因素會導(dǎo)致傾斜攝影航行難度增加、安全風(fēng)險高、建模效果差和精度低。為解決此問題，在進(jìn)行無人機(jī)選型時，盡量選擇長焦距鏡頭無人機(jī)。本文選擇大疆M600pro無人機(jī)搭載的DG4pros進(jìn)行測試，因?yàn)殓R頭焦距比一般傾斜鏡頭焦距長，以保證無人機(jī)在安全的高度，保障攝影分辨率和精度要求。同時全畫幅的鏡頭能在高密度的高樓棟飛行時，拍攝到更多角度，盡可能提升模型的重建精度和片區(qū)拼接質(zhì)量。航攝前，選擇天氣晴朗、能見度大、風(fēng)力較小的時間段進(jìn)行航測，確保航飛數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確。通常設(shè)置無人機(jī)飛行速度為3m/s，定時拍照2s/張，云臺角度30°左右。

無人機(jī)沿預(yù)設(shè)線路飛行時，相鄰航線之間的地物會在多個攝站中同時成像，即圖像會產(chǎn)生重疊，其中飛行方向上的重疊為航向重疊，相鄰航線間的重疊為旁向重疊。航向重疊又稱“縱向重疊”。在航空攝影中，由于相鄰像片是從空中不同位置拍攝的，隨著投影距離的變化，投影傾斜、地形起伏都會產(chǎn)生投影距離誤差，為保證航測的精度，應(yīng)盡可能利用接近垂直投影的部分，這就要求保持部分航向重疊。在進(jìn)行傾斜攝影測量時，為了保證拍攝質(zhì)量，航向重疊度設(shè)置不低于80%，旁向重疊度設(shè)置為80%左右為宜。

2.2 模型實(shí)現(xiàn)

Context Capture軟件是Bentley公司收購的一款功能齊全的專業(yè)三維實(shí)景建模軟件，分為Viewer、Set?ting、Master、Engine四個程序端。Master是三維建模主模塊，主要完成導(dǎo)入數(shù)據(jù)、進(jìn)行空中三角測量以及模型重建的功能；Engine是一個運(yùn)行引擎，它不依賴Master主程序，可在執(zhí)行數(shù)據(jù)處理時單獨(dú)運(yùn)行；Setting 是中間媒介，幫助Engine指向任務(wù)的路徑，將Master 與Engine連接起來，主要任務(wù)是環(huán)境和運(yùn)行設(shè)置以及幫助Engine任務(wù)的路徑；Viewer可預(yù)覽生成的三維場景和模型，基本建模流程如圖2所示。

1） 導(dǎo)入素材。從無人機(jī)導(dǎo)出五向飛行數(shù)據(jù)，新建工程名稱以英文或數(shù)字命名，素材保存路徑最好也是英文或數(shù)字。點(diǎn)擊添加影像，添加整個素材文件夾，導(dǎo)入五個方向飛行數(shù)據(jù)。2） 空中三角測量。待數(shù)據(jù)導(dǎo)入完畢，打開Engine運(yùn)行引擎，點(diǎn)擊概要，提交空中三角測量。根據(jù)需要修改調(diào)整相關(guān)參數(shù)，無特殊需要一般默認(rèn)即可，提交后等待系統(tǒng)自動分析測量數(shù)據(jù)，處理進(jìn)度與計(jì)算機(jī)算力和圖形顯卡性能密切相關(guān)，建議選配專業(yè)的圖形工作站處理數(shù)據(jù)。3） 控制點(diǎn)刺點(diǎn)。對三角測量關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行刺點(diǎn)，以提高測量精度和準(zhǔn)確度。選擇測量添加控制點(diǎn)文件，選擇空間參考系統(tǒng)，輸入關(guān)鍵字搜索，找到對應(yīng)的坐標(biāo)系選擇控制點(diǎn)，在潛在匹配項(xiàng)選擇相應(yīng)影像，長按中鍵拖動和鼠標(biāo)左鍵拖動是移動相片，鼠標(biāo)中鍵滾輪是放大、縮小，shift+鼠標(biāo)左鍵刺點(diǎn)。數(shù)據(jù)量少的每個點(diǎn)刺6～8張，數(shù)據(jù)量大的每個點(diǎn)刺10～20張。刺點(diǎn)完畢，再次空中三角測量，等待運(yùn)算完畢，查看質(zhì)量報告。4） 三維重建。新建重建項(xiàng)目，選擇空間參考系統(tǒng)，與控制點(diǎn)的空間參考系統(tǒng)一致，也可以點(diǎn)擊編輯興趣區(qū)域。選擇切塊模式，一般選擇規(guī)則平面網(wǎng)格，處理設(shè)置選擇填充除瓦片邊界處以外的所有孔洞。5） 輸出模型。選擇三維網(wǎng)格選取OSGB、OBJ、FBX格式的數(shù)據(jù)，選擇輸出模型的坐標(biāo)，等待建模完成，如圖3所示。生產(chǎn)模型可導(dǎo)入Unity3D、3Dmax 等平臺進(jìn)一步開發(fā)或精修處理。

3 城市戰(zhàn)場三維建模應(yīng)用

當(dāng)前，信息革命進(jìn)入加速和深化發(fā)展的新階段，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、智能芯片等前沿科技不斷創(chuàng)新，人類社會正走向人機(jī)協(xié)同、萬物智能的智慧時代。未來戰(zhàn)爭形態(tài)也正向信息化智能化嬗變，需要研究把握未來信息化、智能化軍事發(fā)展的趨勢。城市在高速發(fā)展，城市三維場景需要不斷更新，它已經(jīng)無法滿足信息化條件下對三維城市戰(zhàn)場立體模型的快速構(gòu)建，以及海量數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)和各項(xiàng)作戰(zhàn)行動要素的分析[2]。

3.1 空間測量與可視化分析

從城市作戰(zhàn)的地形圖需求出發(fā)，將模型加載在其他平臺，能夠快速實(shí)現(xiàn)模型瀏覽、測量、分析和標(biāo)注，如假設(shè)某棟樓是敵占領(lǐng)點(diǎn)，通過空間測量和智能分析周圍環(huán)境，快速有效布控作戰(zhàn)點(diǎn)位和狙擊手；通過劃定區(qū)域通視分析，可快速判斷兩位置之間是否通視，同時可顯示空間距離，以供臨陣指揮決策提供有力輔助支撐。將城市重要位置如疏散出口、防空地點(diǎn)、港口、戰(zhàn)略目標(biāo)等，在模型上以特定形式進(jìn)行標(biāo)注并涵蓋相關(guān)信息，便于作戰(zhàn)人員快速便捷熟悉城市戰(zhàn)場信息。為指揮員處置應(yīng)急突發(fā)事件、正確分析情況、判定態(tài)勢定下決心，提供有力的支撐[3]。

3.2 虛擬仿真戰(zhàn)場環(huán)境

地理環(huán)境是戰(zhàn)場要素的載體和基礎(chǔ)，是作戰(zhàn)行動的展開區(qū)域，在虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中的表現(xiàn)就是地形、戰(zhàn)斗模型、特殊效果模型等。特殊效果模型包括氣象要素模型和戰(zhàn)場效果模型，氣象環(huán)境在一定條件下起著確定作戰(zhàn)時刻表的作用，氣象要素模型在虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中的表現(xiàn)為雨雪、沙暴、濃霧等天氣模擬效果；戰(zhàn)場效果模型包括煙霧、聲音、實(shí)時態(tài)勢等。戰(zhàn)斗模型包括單兵模型、車輛模型、無人機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)模型及任務(wù)目標(biāo)，便于展示空間立體戰(zhàn)爭態(tài)勢，設(shè)計(jì)進(jìn)攻路線、精準(zhǔn)打擊路線等。

3.3 三維交互式電子沙盤

三維交互式電子沙盤是在傳統(tǒng)沙盤的基礎(chǔ)上融入了圖像處理、全息投影、智能分析等功能模塊，如圖4所示。相比傳統(tǒng)物理沙盤更加直觀生動，具有以下比較優(yōu)勢：1） 可以準(zhǔn)確地按比例還原物體形態(tài)，解決了傳統(tǒng)沙盤模型或電子地圖顯示全局時看不到細(xì)節(jié)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)沙盤模型的功能缺陷；2） 通過虛擬現(xiàn)實(shí)VR、人機(jī)交互融合運(yùn)用，可以更加生動地模擬三維城市戰(zhàn)場環(huán)境，如同身臨其境帶來浸入式作戰(zhàn)體驗(yàn)，作為模擬仿真訓(xùn)練和戰(zhàn)場演訓(xùn)活動的虛擬仿真場景，可以淬煉心理素質(zhì)、鍛煉臨場反應(yīng)能力與危機(jī)處理能力；3） 三維交互式電子沙盤更加系統(tǒng)化，具備信息檢索、分析和量算、設(shè)施立體化、屬性查詢、集成定位系統(tǒng)等更多的功能，能快速獲取關(guān)聯(lián)信息，適應(yīng)戰(zhàn)場環(huán)境的實(shí)時性和多變性；4） 操作靈活、簡單、便于維護(hù)和修改，可進(jìn)行任意縮放和漫游，對目標(biāo)進(jìn)行全方位的觀察分析，突破傳統(tǒng)沙盤占地面積大、攜帶不方便、表現(xiàn)內(nèi)容單調(diào)且難以更新等缺點(diǎn)，相關(guān)技術(shù)更新快，可擴(kuò)展性強(qiáng)。

4 小結(jié)

運(yùn)用無人機(jī)傾斜攝影快速構(gòu)建城市戰(zhàn)場三維建模，采用三維視圖與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人工智能相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)全景式、超精細(xì)、超大范圍地形展示，以最優(yōu)方式實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場環(huán)境可視化和戰(zhàn)場態(tài)勢顯示。同時提供視線分析、地形分析，在作戰(zhàn)瞬息萬變的環(huán)境中，快速適應(yīng)轉(zhuǎn)變，真正做到運(yùn)籌帷幄，決勝千里。