三維實景建模在水利工程中的應用

萬 凱，王 碩，李 炳

（濟南市水利建筑勘測設計研究院有限公司，山東 濟南 250101）

實施智慧水利的基礎是構建實景三維模型。三維實景建模是一種運用數(shù)碼相機對現(xiàn)有場景進行多角度環(huán)視拍攝，然后進行后期縫合的一種三維虛擬展示技術。

山東省水利工程眾多，水工建筑物種類全面，結合本次研究的目的，選定濟南市趙王閘作為實驗對象。

1 趙王閘概述

趙王閘位于濟南市歷城區(qū)小清河北岸孟家村以西，2013年8月建成，雙開孔敞開式鋼筋混凝土結構，平板鋼閘門，卷揚式啟閉機，閘門尺寸4.25m×3.8m，閘底板高程18.04m。趙王閘占地面積0.4hm2，周邊地勢平坦，閘區(qū)結構復雜，能夠代表一般的水閘結構形式，適合作為本次的建模對象。

主要任務目的是驗證整個建模流程的可用性，然后推廣到復雜大場景中，利用塊區(qū)組裝生產大范圍的自然地貌實景模型，通過增加像控點對位置對象進行約束，提高建模精度。

2 外業(yè)數(shù)據采集

2.1 無人機航拍設備

本次航拍使用4prortk無人機，相對傳統(tǒng)的固定翼飛行器有更高的安全系數(shù)和作業(yè)靈活度，具有高精度GNSs系統(tǒng)，采用DRTK實時差分定位技術，提供厘米級定位系統(tǒng)，能夠保證航線精度和飛行姿態(tài)穩(wěn)定，減少飛行高度變化對影像間比例尺的影響，進行免像控作業(yè)精度可達厘米級。系統(tǒng)提供衛(wèi)星原始觀測值與相機曝光文件，支持PPK后處理，不受限于通信鏈路與網絡覆蓋，作業(yè)更加靈活高效。相機組件為1inc2000萬像素CMOS傳感器。機械快門可以在高速飛行拍攝時消除果凍效應，有效避免畫面失真。畸變數(shù)據存儲于每張照片的元數(shù)據中，可以使用后期處理軟件進行針對性調整。

2.2 規(guī)劃航線

使用無人機自帶地面站軟件，新建飛行任務，選擇傾斜攝影并在衛(wèi)星地圖上規(guī)劃布置飛行軌跡，設置飛行高度36m、相機俯仰角度45度、旁向重疊度70%以及航向重疊度80%后，然后程序自動計算出飛行速度3.5m/s，并且布設5條航，全方位多角度拍攝測區(qū)。

為保證重疊度，本次拍攝區(qū)域的實際拍攝面積6609.45m2，總航線長度3425m，總航點64個，拍攝照片552張，執(zhí)行任務時間21.8min。

2.3 檢查數(shù)據完整性

對無人機航拍生產的數(shù)據分別從質量上和數(shù)量上進行初步檢查，對航拍不能覆蓋到的閘區(qū)細部進行手動補充拍攝，對逆光曝光不足的照片調整曝光到合適值。為了提高建模速度，在保證建模精度的前提下，可以適當降低照片分辨率，這里批量修改照片分辨率到75%，質量90%，從而使數(shù)據量大大降低，處理效率提升明顯。

3 模型重建

3.1 硬件平臺及軟件平臺

三維實景建模對計算機運算能力要求高，尤其是圖形處理器GPU的處理速度，另外內存大小也直接影響模型重建的作業(yè)時間。計算機工作站采用Corei7-8750H@2.20GHz中央處理器，顯卡GeForceGTX1060（6GB），內存64GB（DDR42666MHz），固態(tài)硬盤 MZVLW256HEHP，HM370芯片組，操作系統(tǒng)Windows10專業(yè)版64位（DirectX12）。

軟件的選擇決定模型生成的質量。通過實踐比較，發(fā)現(xiàn)ContextCapture能更好地適應水利工程建筑物三維實景建模的特點，在處理水面、扭面等特殊表面上有更大的優(yōu)勢。

3.2 ContextCapture實景建模

1）POS信息設置。將無人機拍攝的5條航線傾斜影像和后期手動補拍細部結構總共609張圖片放置于同一個文件夾下備用，運行ContextCaptureMaster套件新建工程，設置工程路徑，盡量避免中文字符。導入圖片，檢查完善影像組信息，設置采樣率，檢查照片完成性，導入pos。編輯pos信息文件時，確保圖片文件名跟坐標數(shù)據一一對應，保存為txt文件，文件名及路徑避免使用中文字符，然后在下一頁設置每個字段的對應項目。

2）運算成模。完成pos信息設置后提交空中三角測量，經過半小時運算，得到152945個自動連接點，與光線的距離rms為0.015m，可用測量數(shù)為2907個，采用wgs84坐標系。為了減少模型重建運算時間，以及考慮到最終生成模型文件的大小，需要進行必要的裁切，保留主要部位，去除周邊無用場景，提高模型生產效率。

經過2個半小時的運算，模型重建完成，生成模型文件為OSGB格式，可以方便上傳到云端進行分享，或者導入第三方3d軟件進行編輯。

3）參數(shù)修正。由于水面等光滑反光表面出現(xiàn)大面積空洞塌陷，需要使用其他第三方3d軟件進行修補。在重建輔助里添加曲面約束，人為添加水域位置信息，最好在外業(yè)數(shù)據采集時用RTK測繪出水面線，因在做外業(yè)時無法進入閘區(qū)內部進行實地測量，只能在衛(wèi)星地圖上描線，獲得大致的水面范圍，范圍可以適當畫大一點，保證跟模型能夠產生交錯，這一步至關重要。設置到位后，提交新的生產項目，經過漫長的計算過程，最終成功生成了水面自然閉合，曲面過度平滑的閘區(qū)三維實景模型，見圖1。

圖1生成后的模型

4 結論

通過選取具有代表性的水工建筑物趙王閘進行三維實景建模實驗，探索出了一套建模流程。對于出現(xiàn)的水面塌陷不完整問題，也通過添加曲面約束等方式得以解決，做到一次成型。在保證外業(yè)影像采集質量的前提下大大提高內業(yè)效率，同時，很大程度上降低傳統(tǒng)建模作業(yè)的勞動強度和模型建設成本。

后期也可以在此基礎上建立數(shù)理化管理系統(tǒng)，提升水利工程建筑物智能化程度。