基于傾斜攝影測量技術(shù)的三維建模在油田規(guī)劃中的應(yīng)用

楊風(fēng)學(xué)

大慶油田工程有限公司

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對基礎(chǔ)建設(shè)的需求也日益增大，與之相應(yīng)的高精度三維測量工程建設(shè)的力度也在不斷地加強(qiáng)。各城市基礎(chǔ)地理信息的普及和迅速發(fā)展，使三維建模在城市和油田規(guī)劃中得到越來越廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)地形圖中等高線和DEM等對地形的描述正逐漸被高精度的三維模型數(shù)據(jù)庫所取代。

隨著自動控制技術(shù)、航空遙感測繪技術(shù)、GPS定位導(dǎo)航技術(shù)和無線電通信等技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)已經(jīng)成為三維建模數(shù)據(jù)獲取的重要手段。通過無人機(jī)設(shè)備攜帶高精度傾斜攝影系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取，并結(jié)合后端專業(yè)的軟件信息處理系統(tǒng)，使其具有一鍵處理、快速成圖、專業(yè)精度、全區(qū)域處理等功能，從而快速完成測區(qū)全景拼接圖、DSM、DOM全自動生產(chǎn)及快速建模，生成測區(qū)三維景觀，對三維場景進(jìn)行漫游及量測分析，利用航飛影像數(shù)據(jù)，拼接成全區(qū)域大圖，更加直觀、清晰地得到標(biāo)準(zhǔn)化成果，為進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析和利用奠定基礎(chǔ)。

空間信息技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的促進(jìn)作用越來越受到人們的關(guān)注，包括降低成本、提高效率、模式拓展、產(chǎn)品創(chuàng)新等方面；而與之同步的是，油田的信息化不但在生產(chǎn)管理、安全保障、可視化展示中得到應(yīng)用，而且在現(xiàn)勢數(shù)據(jù)采集、規(guī)劃研究、虛擬設(shè)計(jì)和輔助決策等方面發(fā)揮越來越重要的作用。油田站場數(shù)字化管理平臺以地理信息技術(shù)為核心，以油田基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在平臺上集成設(shè)備、站間管道、站內(nèi)管道、文檔等數(shù)據(jù)，為管理提供輔助設(shè)計(jì)、輔助分析、POI等管理工具[1]。由于建立的是充分反映站場現(xiàn)實(shí)狀況的仿真三維模型，其難度在于如何保證高精度數(shù)據(jù)的獲取，海量數(shù)據(jù)的同場景顯示、展示仿真效果等，所以三維可視化平臺不但要有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，也需要合適的三維顯示平臺，以達(dá)到預(yù)期的展示目標(biāo)。以某油田廠區(qū)傾斜攝影三維建模項(xiàng)目為例，利用傾斜攝影數(shù)據(jù)來構(gòu)建三維精細(xì)模型，結(jié)合基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)（油田設(shè)施屬性數(shù)據(jù)、地理實(shí)體數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、地名地址數(shù)據(jù)等），疊加規(guī)劃結(jié)果及規(guī)劃其他專題等數(shù)據(jù)，充分利用三維GIS技術(shù)和影像特征，集成RS、GIS與虛擬仿真技術(shù)，開發(fā)三維規(guī)劃輔助決策支持系統(tǒng)，為油田建設(shè)規(guī)劃提供決策依據(jù)，提高規(guī)劃決策的合理性和準(zhǔn)確性。

1 無人機(jī)傾斜攝影測量系統(tǒng)

無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)是在同一個(gè)飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時(shí)從一個(gè)垂直、多個(gè)傾斜角度來采集影像。在一段時(shí)間內(nèi)，飛機(jī)連續(xù)拍攝幾組照片并保持一定的圖像重疊，使同一地物可以在多張相片上被找到，以便內(nèi)業(yè)人員可以更容易地對建筑物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并從中選擇最清晰的一張照片來進(jìn)行紋理的制作[2]。本項(xiàng)目采用BN-6無人機(jī)搭載雙相機(jī)傾斜模塊，相機(jī)型號為SONY QX1，根據(jù)往返航線進(jìn)行傾斜攝影。該無人機(jī)攜帶有GNSS模塊并利用PPK模式進(jìn)行定位，在飛行結(jié)束后結(jié)合地面站數(shù)據(jù)可以獲得高精度的POS數(shù)據(jù)，用于后期數(shù)據(jù)的處理。

2 基于傾斜攝影的三維建模

構(gòu)建傾斜影像三維模型的關(guān)鍵技術(shù)包括傾斜影像數(shù)據(jù)預(yù)處理、空中三角測量、多視影像密集匹配、紋理映射和紋理遮擋監(jiān)測等技術(shù)。傾斜影像數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要是預(yù)處理航片影像數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)。航片影像數(shù)據(jù)預(yù)處理包括格式轉(zhuǎn)換、曝光調(diào)整、白平衡編輯、對比度調(diào)整、降噪、色彩曲線等數(shù)據(jù)的處理；POS數(shù)據(jù)是定向定位的數(shù)據(jù)(包括GPS數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)等)[3]。空中三角測量是依據(jù)航空像片上量測的像點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)最小二乘法原理，以少量的地面控制點(diǎn)作為平差的條件，使用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型，快速解算影像的定向以及對地面點(diǎn)進(jìn)行加密。影像匹配是通過某種匹配算法識別兩個(gè)或多個(gè)圖像之間的同名點(diǎn)的過程。由于傾斜影像是多視圖像并且包含非常豐富的信息量，因此可以在多個(gè)圖像之間獲得更多圖像匹配結(jié)果。紋理映射是將紋理空間中的紋理像素映射到屏幕空間中的像素的過程，其實(shí)質(zhì)是建立從屏幕空間到紋理空間以及從紋理空間到場景空間的兩種映射關(guān)系。城市建筑物的密度較高且各個(gè)建筑物之間參差不齊，由于傾斜攝影本身的特性，容易阻擋住圖像的側(cè)面紋理。另外，紋理信息存在于傾斜圖像中并且包含大量冗余信息。為了生動地對三維地物的模型進(jìn)行重建，還需從影像中提取真實(shí)地物的紋理信息。在剔除錯(cuò)誤紋理信息時(shí)，可采用紋理遮擋探測、紋理提取的方法來解決問題。傾斜攝影三維建模流程見圖1。

圖1 傾斜攝影三維建模流程Fig.1 3D-modeling flow of oblique photography

生產(chǎn)過程主要包括以下幾個(gè)步驟:確定測區(qū)范圍、對測區(qū)進(jìn)行劃分、無人機(jī)航拍、像控測量、影像數(shù)據(jù)預(yù)處理，自動三維建模、模型細(xì)化、模型拼接、模型優(yōu)化、模型導(dǎo)入平臺及平板等[4]。

測區(qū)劃分:由于多旋翼無人機(jī)在航飛時(shí)續(xù)航能力有限，因此有必要對測區(qū)進(jìn)行劃分，但是在分區(qū)時(shí)需要合理地劃分測區(qū)，降低圖像的色差，減少圖幅接邊的次數(shù)，便于后期的數(shù)據(jù)處理[5]。

由于最終成果要結(jié)合其他資料使用，以及考慮到模型需要進(jìn)行接邊等因素，在進(jìn)行像控點(diǎn)測量時(shí)可以采用CGCS2000坐標(biāo)系，布設(shè)時(shí)像控點(diǎn)在各測區(qū)要均勻分布并保證模型連接處每條邊起碼有2個(gè)像控點(diǎn)。

影像數(shù)據(jù)預(yù)處理：對像片進(jìn)行除霧、勻光調(diào)色等方面的處理，確保最終成果沒有色差并減弱空氣中霧霾等因素對影像數(shù)據(jù)的影響。

三維模型重建:使用三維建模軟件，將影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入，輸入POS數(shù)據(jù)，添加像控點(diǎn)，從而對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模。

模型精修：由于分辨率不足或其他原因會導(dǎo)致少量模型貼圖變形或者拉花，可以通過相應(yīng)軟件對不合格的模型貼圖進(jìn)行調(diào)整以滿足項(xiàng)目的需要。

模型拼接:在三維模型構(gòu)建時(shí)已添加了像控點(diǎn)，因此生成模型的坐標(biāo)系為CSCS2000平面坐標(biāo)系，在拼接時(shí)需要先對分區(qū)模型進(jìn)行裁剪，剔除貼圖不足的部分，然后再對模型進(jìn)行接邊。

成果優(yōu)化:由于傾斜攝影技術(shù)是使用多邊形貼圖的方式，數(shù)據(jù)量較大，因此還需要對成果進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。

3 傾斜攝影三維模型的應(yīng)用

基于傾斜攝影三維模型、結(jié)合地理信息構(gòu)建的三維數(shù)字油田規(guī)劃系統(tǒng)，規(guī)劃人員能在虛擬油田環(huán)境中完成三維景觀瀏覽、地理信息查詢、空間分析（圖2）等，實(shí)現(xiàn)油田建設(shè)輔助規(guī)劃設(shè)計(jì)、方案評價(jià)、規(guī)劃管理等，顯著提高規(guī)劃工作效率[6]。

圖2 基于三維模型的油田規(guī)劃系統(tǒng)空間分析Fig.2 Spatial analysis of oilfield planning system based on 3D modeling

三維實(shí)景可視化不僅是規(guī)劃區(qū)域現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)的簡單再現(xiàn)，還可以整合各類信息（如地形地貌、地下電纜、通信光纜、供水供熱管網(wǎng)分布圖等），利用信息化優(yōu)勢為專業(yè)資源的應(yīng)用提供全面、集成、具有預(yù)見性的呈現(xiàn)和分析，并通過數(shù)據(jù)信息的集成對現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案進(jìn)行深入模擬仿真，進(jìn)行油田模擬規(guī)劃，完成建筑設(shè)計(jì)中的可行性模擬，實(shí)現(xiàn)智能化決策。三維GIS已經(jīng)能夠利用計(jì)算機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)的軟件系統(tǒng)來完成各種逼真的圖形顯示與處理，且能集成和操縱實(shí)時(shí)三維圖形、聲音與視頻數(shù)據(jù)等多媒體信息，從而可望借助于仿真的視、聲和力學(xué)感應(yīng)等，為終端用戶創(chuàng)造一個(gè)能實(shí)時(shí)漫游的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境（圖3）。

圖3 三維實(shí)景可視化油田規(guī)劃示意圖Fig.3 3D real scene visualization image of oilfield planning

在本項(xiàng)目中構(gòu)建的三維數(shù)字城市規(guī)劃系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能有：整體地形環(huán)境展示、待拆遷建筑的空間測量與分析、規(guī)劃方案對比、指標(biāo)對比、建筑模擬調(diào)整等，為廠區(qū)拆遷改造及地區(qū)設(shè)計(jì)提供了直觀高效的三維數(shù)據(jù)支持，使規(guī)劃設(shè)計(jì)人員對實(shí)體空間尺度的把握更為準(zhǔn)確，提高了規(guī)劃設(shè)計(jì)的科學(xué)性。

4 成果分析

此次無人機(jī)傾斜攝影三維建模項(xiàng)目完成了1個(gè)區(qū)塊的三維建模，建模精度優(yōu)于0.05 m，側(cè)面紋理清晰可見。在廠區(qū)改造項(xiàng)目中，傳統(tǒng)模式與傾斜攝影三維建模對比見表1。實(shí)踐證明，三維建模結(jié)合無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可以為廠區(qū)改造及地區(qū)設(shè)計(jì)提供強(qiáng)大而有力的數(shù)據(jù)支撐，極大地減少了外業(yè)的工作量。

表1 傳統(tǒng)模式與傾斜攝影三維建模對比Tab.1 Comparison between traditional model and oblique photography in 3D modeling

5 結(jié)束語

面對油田生產(chǎn)區(qū)塊建設(shè)的快速發(fā)展和舊區(qū)改造與日俱增的需求，油田規(guī)劃和建設(shè)部門的工作量日益增加，對規(guī)劃設(shè)計(jì)部門的要求也越來越高。利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)可以提高規(guī)劃設(shè)計(jì)部門的專業(yè)性和勞動效率。利用先進(jìn)成熟的三維可視化技術(shù)并結(jié)合傾斜攝影測量技術(shù)建立的三維規(guī)劃輔助系統(tǒng)可提高油田規(guī)劃設(shè)計(jì)水平和效率。隨著三維虛擬軟件技術(shù)的不斷發(fā)展，在一定的軟件環(huán)境中，利用DEM、DLG和DOM數(shù)據(jù)構(gòu)建小型油田站庫的三維模型已非難事，三維輔助規(guī)劃系統(tǒng)已成為一種新的規(guī)劃設(shè)計(jì)手段并得到逐步的推廣，并在一些項(xiàng)目中進(jìn)行了嘗試，取得了較好的效果。