曹妃甸項目傾斜攝影生成三維模型的實踐總結

張 理

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

0 前言

三維實景建模技術在土地規劃、災害監測和國防測繪等應用領域起到基礎和核心作用[1]，傾斜攝影技術有效地提高了三維建模的生產效率，大大降低了三維模型數據采集的經濟成本和時間代價[2]。目前實景建模技術對于有色行業應用的還比較少，工業廠房多以框架結構或者鋼結構為主，廠房間距離比較狹窄，廠區綜合管網、管道系統復雜。這些條件對圖像采集帶來一定的困難；軟件對于孔洞的處理不夠理想，需要后期對模型進行修補等，這些客觀條件會給實景建模工作帶來很大的困難。本文以公司設計建設的河北省唐山市曹妃甸工業園區某冶煉廠為例，從項目啟動到結束期間，分別對廠區進行三次實景建模，根據這三次建模過程總結出實景建模的工作流程，并對過程中發現的問題提出解決方案或建議。

1 ContextCapture軟件的模塊介紹

目前世界上支持多視角影像三維實景建模的軟件有許多，諸如ContextPapture、PoxelFactory、Pix4D、VirtuosoGrid、VIrtuoZo、DP-Smart、PhotoScan等軟件，其高度自動化和智能化給建模帶來極高的效率[3]。

ContextCapture軟件可以在無人工干預的情況下，基于影像生成高分辨率三維模型。Master是一個人機交互界面，相當于一個管理者，不執行處理任務，它將任務分組成若干及基本任務、然后提交到任務序列。；Engine即是引擎端，不與用戶交互，它只在計算機后臺運行，只負責對任務進行處理，可獨立Master打開或者關閉；Viewer可預覽生成的三維場景和模型。

2 項目背景

該項目建設所在地位于河北省唐山市曹妃甸工業園，陸路距唐山南部海岸18公里，投資1億元人民幣。項目工期緊，設計施工工期一年，設計專業十幾個，現場多專業協同工作多，對項目進度管理和安全管理工作提出很高的要求。

項目分為三個大施工段，有多個構件堆場。使用三維實景建模技術主要解決以下問題：

通過三維實景建模對項目進行場地功能區劃分、道路規劃、塔吊布置，提高場地利用率、減少二次搬運、提高材料堆放和加工空間使用率；由于該項目對混凝土預制屋架的成品保護要求高，利用實景模型模擬場地狹小的施工現場環境下預制折線屋架吊裝；通過三維模型與實景模型結合，對大型構件吊裝進行演示，模擬吊車站位和輸出；三維實景模型和設計模型相結合，展示工廠總體布置；定期掃描廠區，通過三維進度模擬與現場實景三維模型進行對比，實時管控進度計劃。

3 建模流程

實景建模的過程主要分為影像數據采集、實景數據處理兩個方面。

其中影像數據采集是獲得三維模型的重要基礎工作，圖像質量直接決定了后期生成的三維模型質量，圖像的拍攝高度、拍攝角度、重疊率直接影響了三維模型的分辨率和準確性，而場地情況，如氣象、地形拍攝時間等又是直接影響拍攝的因素，所以在項目開始前期對建模場地要進行勘察，根據場地情況、模型分辨率和對圖像重疊率的要求，合理規劃拍攝路線。針對復雜構筑物有時需要補拍影像。

數據處理有兩種操作模式，一種是單機式，一種是集群式。集群式的好處是建模速度快、效率高，需要在同一局域網下操作，且每臺計算機的軟件版本相同。實景建模工作流程圖如圖1所示。

圖1 三維實景建模工作流程

4 影像數據采集

本項目廠區長度為500 m，寬度260 m，設計建模精度為5 cm。采用的是大疆精靈4PRO無人機進行圖像采集，相機傳感器有效像素2 000萬；鏡頭參數FOV84°、8.8 mm/24 mm(35 mm格式等效)；圖片分辨率5 472×3 078；依據公式：“投影像素大小×焦距×影像的最大尺寸=傳感器寬度×拍攝距離”計算出本次拍攝的設計飛行高度187 m。經過現場勘查，測區周邊只有東側有在運行中的塔吊和發電廠的煙囪，距離100 m；測區內最高建筑物均低于設計高度。

根據軟件對影像數據的要求，采集的影像應滿足以下幾個條件: 被拍攝物體的每個部分至少從三個獨立視角拍攝；連續影像的重疊區域不少于70%；同一物體部分的不同視角間應保持15°以下的夾角。本次拍攝采用單鏡頭多角度的拍攝方式，分別對項目場地設置了垂直、前、后、左、右45°五個不同拍攝角度采集圖像。對于航拍的照片，建議縱向重疊率和橫向重疊率分別不低于80%和50%。

飛行控制程序為DJI GS PRO軟件。航線設計前通過手機定位測定廠區邊界坐標，將坐標信息輸入飛控軟件中，得到航拍的范圍。然后設置飛行高度，重疊率，鏡頭角度，分別保存五條飛行線路。可以看到，通過調整高度和重疊率飛控軟件會自動計算出航線間隔、拍攝間隔，避免了因經驗不足造成的重疊率不夠的情況。飛行過程中選擇斷點續航模式，無人機電量不足自動返航，這樣即保證了無人機的操作安全，又能保證航線拍攝照片的重疊率，減少重復拍攝。

項目冬季氣溫低，風力大，對于影響采集工作帶來一定影響。影像采集時環境氣象條件良好，最低溫度-5 ℃、風力2～3級。五條線路共起飛12架次，耗時4 h，共采集照片863張，其中可用于實景建模的有效照片842張。

5 實景數據處理

通過新建工程創建項目目錄(保存文件路徑不能有中文字符)。將五條航向照片分組導入區塊內，無人機航拍時自帶GPS定位系統，并將拍照時的概略位置信息實時寫入了照片的EXIF信息內，故無需再次將位置數據導入其中[4]。運行空中三角測量計算，計算出每個輸入影像組的影像組屬性及其姿態。通過區塊屬性和空三計算報告顯示計算或評估結果，成功的空三計算應該會計算每幅影像的位置和角元素。提交重建任務頁面會提示“可進行生產”，同時會根據計算機內存大小提示是否需要切塊。最后是產品輸出，提交生產時需要打開引擎ContextCapture Engine。

實景數據處理流程如圖2所示。

圖2 實景數據流程圖

注意事項：

控制點是對區塊進行空中三角測量計算期間使用的可選定位信息。向區塊添加控制點后，可以準確的將區塊標上地理參照并避免長距離度量失真。此外，在空中三角測量計算后，還可以使用控制點執行質量控制。如果空中三角測量計算包含3個或者多個控制點，其中每個控制點具有2個或者多個影像測量，則它可以使用一組控制點。

在空三計算中，會顯示丟失的影像數量。如果丟失的影像過多，或者重疊不足或輸入數據不當，給空三計算可能會失敗。如果重疊不夠或輸入不當導致影像丟失，這種情況下可以采用以下幾種方式：

(1)返回輸入區塊，根據需要修改屬性信息，然后嘗試新的空三計算：

(2)使用輸出區塊作為中間結果，然后嘗試從此區塊執行新的空三計算，以計算缺失的屬性。

重建項目必須先編輯空間框架和處理設置，然后在開始生產。開始生產之后，空間框架選項卡為只讀。在這種情況下，可以復制重建項目，從而獲得一個完全可編輯得重建框架。使用重建空間參考系統中的軸對齊三維框，可以設置興趣區域。默認情況下，興趣區域自動集中于分辨率明顯的區域，通常會比我們設計的區域范圍大，如果重建項目具有地理參考，則可使用擠出多邊形從KML文件更精確的定義該區域。單擊“從KML文件導入”按鈕，從KML文件指定興趣區域。KML文件只能定義二維多邊形，可以從界面定義頂部和底部高度。

生產項目在ContextCapture Master中定義，由ContextCapture Engine進行處理。生產項目由以下屬性定義：輸出格式和選項；空間參考系統和范圍；目標。軟件生成的三維模型文件類型有：

圖3 重建生成真實的3MX格式實景模型

(1)三維網格：生成為第三方可視化和分析軟件優化的三維模型。

(2)三維點云：生成色彩點云，可以在第三方軟件可視化和分析。

(3)正射影像/DSM：生成可互操作的光柵圖層，可以在第三方GIS/CAD軟件或影像處理工具中執行可視化和分析。

(4)用于進行修飾的三維網格：生成可在第三方軟件中編輯的三維模型，然后重新導入ContetCapture后進行后續生產。

(5)僅參考三維模型：生成ContetCapture Master內部使用的三維模型，用于質量控制，并作為后續數據生產的緩存數據。

6 實景模型數據的提取與應用

我們得到的實景模型后不僅僅可以用于展示，還可以通過實景模型提取原始地模數據。相對于傳統二維設計從等高線、高程點提取數據的方法，使用實景模型數據更加便捷高效。避免測繪數據的高程信息在重復參考后數據丟失的情況。把制作好的數字地模直接導入到Bentley OpenRoads Designer、Bentley GEOPAK Site等場地設計軟件進行三維場地設計。可應用于場地規劃、土方量計算、洪水淹沒區演示等方面。下面以Bentley Descartes為例介紹提取數據的過程：

首先打開Bentley Descartes軟件，將我們制作好的實景模型通過菜單欄中的連接- 實景網絡- 連接，導入進來，軟件支持3MX、3SM兩種格式。導入實景模型后在，執行提取- 實景模型- 地面提取命令。根據實景模型中的構筑物的大小進行設置參數。提交提取后會生成.pod/.stm/.tin文件，并且會自動參考到軟件中。

*.Pod文件可以通過分組設置，對生成的數據進行篩選，去除人為創建的構筑物、地表植被等數據，僅保留地面數據。

*.Stm文件抽取數據時已經把構筑物、樹木植被過濾掉。

通過上述幾步操作，我們就可以得到原始地形數據。

7 經驗教訓

本次測試項目采用的是大疆精靈4PRO消費級無人機。在氣象條件良好的情況下續航時間為20 min。由于項目所在地在北方沿海地區，風力比較大、冬季氣溫低，大大降低了無人機的工作效率。同時配備的單鏡頭也不能滿足多角度拍攝，需要多次規劃航線進行拍攝。這種方法雖然從成本控制上降低了硬件設施的投入，但需要花費更多的人力資源，并且在重疊率方面需要需要對航線進行更加精確的設計。

目前市面上的固定翼飛機、專業級多軸無人機在起飛重量和續航時間上都有提升，同時飛行姿態更加穩定。機身搭載傾斜攝影相機，(一個垂直鏡頭，四個方向傾斜鏡頭)，一次拍攝同時可以得到五張不同角度照片，能夠更好的提高工作效率。

無人機航拍操作有很高的專業性，飛行操控者需要能夠熟練操控無人機。同時需要對周圍航線規劃高度內的高大構筑物、障礙物進行勘察，規劃航線時避免這些危險區域。在人員密集的區域進行航拍飛行時一定要制定安全措施和應急預案。

由于光影的影響，照片暗部細節模糊對空三計算影像比較大，所以最佳的拍攝時間為10:00～14:00。這個時間段太陽高度最高，陰影面積最小，所生成的模型細節更加清晰完整。

由于傾斜影像具有高分辨率、高重疊度，能生成高度密集且數量巨大的稠密點云，參與模型計算的數據量過大[5]，因此對計算機的硬件要就較高。建議計算機具有至少16GB RAM、一個八核CPU和一張NVIDIA GeForce GTX 860M顯卡。

對于場地復雜狹窄，不利于無人機飛行的區域，建議結合激光點云技術，形成完整的場地模型。

8 結束語

綜上所述，本文介紹了基于ContextCapture在曹妃甸項目中實景建模的過程。利用傾斜攝影進行三維建模，具有數據采集簡單，建模過程人工干預少，成模速度快，精度高、能夠真實展示項目實景情況的特點。三維實景模型可以用于前期場地利用方案研究，確定坐標點，計算挖、填土方量，展示設計方案，優化施工場地布置，監控現場工程進展情況，進行安全評估，測量改造項目原有設施尺寸數據，獲取難、險地形(索道項目)工程數據等功能，成本低，工程應用前景廣闊。