水利樞紐工程實景三維模型單體化研究及網絡服務發布

葉文芳，沈清華，孫 雨，鄧神寶，王進科

(中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣東 廣州 510610)

無人機傾斜攝影技術已廣泛應用于流域三維地理信息數據采集中，在智慧流域的建設中發揮著重要的作用[1-2]。傾斜攝影模型由連續的不規則三角網(Triangulated Irregular Network，TIN)構成的一體化模型，要實現對流域的精細化、智能化管理，需要對水利場景要素進行單體化，將其轉變為可獨立編輯、附著屬性及做GIS操作的單體。目前國內外眾多學者對單體化的實現方法進行了探討，主流方法可分為人工單體化、切割單體化、ID單體化和動態單體化4種[3-4]。

人工單體化是基于第三方軟件在實景三維基礎上進行手動建模，對構筑物模型的細節處理、紋理修飾、命名規則都有較高要求，尤其是復雜建筑的重構，不僅作業量大、作業效率低，而且高度依賴于人工干預[5-7]；ID單體化是對目標對象模型的三角面片做ID值存儲，通過對唯一ID值的查詢以實現對單體的獨立選中及實體屬性綁定，但是存儲空間有限，且需要對實體模型對象做預處理。吳為民等實現了一種自動ID單體化方法，但無法對垂直方向重疊的地物做單體化[8]。切割單體化是在原始模型上做物理切割并提取出目標模型，不僅會破壞模型的多層次細節(Levels of Detail，LOD)，而且還存在作業效率低、模型效果差、邊緣切割不準確、鋸齒感明顯等問題，且分離出目標模型后原始模型會形成黑色空洞[9-10]。

動態單體化方法，又名邏輯單體化。是在目標模型上做矢量底圖的動態疊加及渲染，通過矢量面的屬性掛接以實現模型單體的獨立選中及查詢。Skyline、SuperMap等軟件都推出了動態單體化及二次開發的功能，具有單體化效率高、GIS應用性強、展示效果佳、網絡應用性好等優勢[11-14]。

綜上，動態單體化方法對傾斜攝影成果在水利場景的應用具有重要意義，本文采用SuperMap軟件平臺，對大藤峽水利樞紐的三維實景模型進行單體化及網絡服務部署，實現對水利場景設施的網絡查詢及管理，提升和拓展了實景模型數據的使用價值，為智慧水利的三維實體管理提供了一種實現思路。

1 研究思路及技術路線

水利樞紐場景的實景模型動態單體化實現路線主要如下：依照航空攝影測量內外業相關規范，通過無人機搭載相機及慣性測量單元(Inertial measurement unit，IMU)對測區進行航空攝影影像采集，并對測區做高精度控制點網的布設。然后對影像進行自由網空三及控制網空三，求得影像的空間位置和姿態。使用建模軟件進行三維實景建模，在模型基礎上采用人工方式進行精細化處理，修復水面、構筑物、樞紐部件等水利場景重點地物，然后在SuperMap iDesktop 10i軟件對三維模型數據進行單體化處理，實現獨立地物的單獨查詢和精細化管理，通過SuperMap iServer軟件進行網絡環境部署及單體化后的三維場景網絡服務發布，最后采用SuperMap iClient 3D for WebGL進行網絡開發。

總體實現方法可分為以下步驟：無人機傾斜攝影建模、三維實景模型精細化處理、桌面端動態單體化實現和單體化場景網絡服務發布。技術路線如圖1所示。

圖1 總體技術路線

2 水利樞紐三維實景模型精細化構建

2.1 傾斜攝影測量

根據水利樞紐工程建設特點，水利樞紐航攝測區可分為壩址重點施工區域，壩址、庫區、抬田工程、防護設施等大面積航攝區域及移民安置點、庫區零星泵站、零星護岸工程等點狀區域。對于壩址重點施工區，施工期間構筑物變化快、監測需求高，對地物采集精度要求高，為滿足高質量高精度的傾斜攝影建模需求，宜采用五鏡頭傾斜攝影測量。采用五鏡頭分別從前、后、左、右、下5個方向對地物的輪廓及紋理進行采集，采集效率高、影像重疊度大，能實現對測區模型的高精度三維重建。

2.2 三維模型構建

對采集的影像做批量勻光勻色，將測區范圍內的五鏡頭航攝影像導入影像智能建模系統Mirauge3D進行自由網空三，實現對影像的幾何校正、同名點匹配、及聯合平差，求得影像的空間位置和姿態，然后導入控制點文件進行刺點、平差，消除影像畸變，獲取加密點的大地坐標和影像的精確外方位元素，控制點均值誤差及平方根誤差均在限差范圍內即可導出.xml格式的空三成果交換文件，.xml文件中包含有相機參數、影像外方位元素、連接點、像控點等坐標項目重建所需的信息。在實景建模軟件Context Capture中構建TIN網、紋理映射，最終生成OSGB格式的三維實景模型。

2.3 模型精細化處理

受拍攝角度以及水面反射導致的連接點少的影響，流域兩岸及水利樞紐等具有大面積水域的地理模型存在水面空洞、扭曲、隆起等問題，部分標志性建筑出現拉花、形狀及紋理變形。在單體化前需要對水域、建筑、水利設施等重點區域進行修復，對殘缺、隆起變形的水域進行補洞、平整處理及勻色。

受到航攝采集角度的限制，貼地低矮建筑、建筑字牌、受遮擋的水利樞紐部件如吊機等重要地物的紋理細節采集不足，導致實景三維模型存在局部扭曲變形失真、結構破損、紋理缺失問題，因此需要對水利場景的重要部件進行補充和修復，對懸浮物及模型底部碎片進行刪除。

3 實景三維模型單體化

3.1 單體化方法對比

傾斜三維實景模型是連續三角面網構成的表皮模型，不能獨立分離出圍堰、大壩、水電站、發電廠等水利設施及道路、植被等地物，也不能實現對單獨地物的選中、管理和查詢等GIS操作。為實現地物的獨立分類及屬性信息掛接，需要對實景模型進行單體化。單體化技術分為物理單體化和矢量單體化兩大類，其中物理單體化可分為人工單體化和切割單體化，矢量單體化可分為ID單體化和動態單體化。以上方法的比較見表1。

表1 單體化方法比較

3.2 三維模型動態單體化

3.2.1傾斜數據預處理

(1)使用SuperMap iDesktop 10i桌面端軟件，生成測區傾斜攝影三維模型的配置文件。根據metedata.xml中存儲的EPSG編碼以及模型坐標原點確定模型的中心位置及坐標系，生成SCP格式的三維切片緩存文件，可通過加載三維切片緩存快速加載三維實景模型。

(2)新建工作空間并添加球面場景，在圖層管理器中添加三維切片緩存圖層，然后導入SCP配置文件，即可將三維實景模型緩存添加到球面場景中，實現三維模型的可視化。

3.2.2桌面端動態單體化

(1)二維矢量數據精確提取。新建與實景模型坐標系一致的文件型數據源，在數據源中新建二維面數據集。添加正射影像至場景中，根據影像中建筑的角點繪制完全貼合模型的二維面，設置為貼對象顯示以包裹三維模型。

(2)二維矢量面屬性編輯及信息錄入。在數據集的屬性表中添加字段，增加底部高、層高、建筑屬性等樞紐設施屬性字段，并進行信息錄入。通過對二維矢量面的屬性掛接，可實現對目標要素的單獨選中、查詢功能。

(3)設置三維顯示風格。對矢量面圖層的對象選擇風格、拉伸設置、底部高程、拉伸高度等進行設置，實現地物選中的高亮表示。

(4)將單體化后的三維場景進行壓縮單體化，三維模型數據添加到新的工作空間中并保存場景，然后保存工作空間。后續進行數據發布。

3.2.3三維服務發布及開發

(1)SuperMap iServer環境部署，將單體化工作空間發布為三維服務及數據服務，通過網頁可實現三維實景模型的查看和服務調用。

(2)通過SuperMap iClient3D for WebGL網頁編程，實現對大藤峽水利樞紐的動態單體化查詢。

4 試驗及應用

大藤峽水利樞紐工程是11個重大水利數字孿生工程中唯一在建工程，建成后將在航運、發電、防洪、灌溉等領域發揮重大作用。通過對工程的壩址重點施工區、重點防護區、移民安置點、庫區零星泵站等區域的周期性無人機航攝數據采集，積累了海量的三維實景模型[15]。選取大藤峽水利樞紐工程重點施工區作為試驗區，共計7.55km2，范圍如圖所示。

大藤峽水利樞紐壩址重點施工區，施工期間構筑物變化快、監測需求高，對地物采集精度要求高，為滿足高質量高精度的傾斜攝影建模需求，宜采用五鏡頭傾斜攝影測量。

4.1 數據采集

采用DJI-M600P電動六旋翼無人機作為飛行平臺，搭載睿鉑Riy-G3五鏡頭相機。Riy-G3相機下視25mm焦距、側視35mm焦距，相機總像素達1.2億像素。對壩址重點施工區域進行傾斜航攝數據采集，航向和旁向重疊度分別為75%，相對航高120～200m，獲取影像共計10125張。為實現測區的高精度建模，對重點施工區加密控制點，控制點布設采用均勻布點方案，按相鄰點間距300m進行布設。

4.2 精細化建模結果

使用Context Capture軟件對測區進行三維實景建模，模型如圖2所示。

圖2 重點施工區三維實景模型

對三維實景模型做精細化重建。在第三方軟件勾勒出封閉的水域范圍線后導入DP-Modeler軟件，對OSGB格式的三維模型做水面修飾和紋理修改，聯合第三方圖像編輯軟件對整體水面的紋理做勻光勻色。使用橋接、補洞、墻線拉直、擬合到平面、mesh自動貼圖、mesh紋理修改等工具將吊機、字牌、建筑等重點部件修補完整。精細化模型如圖3—5所示。

圖3 水域修復

圖4 重點建筑貼面修復

圖5 水工部件結構修復

4.3 網頁端動態單體化結果

(1)SuperMap iDesktopX桌面端實現三維場景加載和二維矢量數據精確提取，通過大藤峽水利場景數據庫建設和設置三維顯示風格，實現桌面端的動態單體化，如圖6所示。

圖6 大藤峽水利場景單體化二維矢量面

(2)SuperMap iServer環境部署，將工作空間發布為三維服務，通過網頁可實現三維實景模型的查看和服務調用，如圖7—9所示。

圖7 大藤峽水利場景桌面端動態單體化

5 結語

本文基于實景三維模型精細化處理及動態單體化方法，以水利樞紐設施為目標要素，實現了基于傾斜攝影實景三維模型的大藤峽水利樞紐場景精細化、單體化及網頁場景部署，通過WebGL實現三維模型動態單體化、水利設施的網絡查詢、數據管理、更新及維護，發揮了傾斜三維模型在智慧流域管理中的作用與價值，為水利樞紐數字孿生建設提供數據與技術支持。在項目建設中，傾斜模型單體化網頁查詢及調用技術仍有很多待探索之處，后續將進一步對其進行研究。

圖8 大藤峽水利樞紐三維實景模型疊加在線二維地圖

圖9 大藤峽水利場景網頁端動態單體化查詢