無(wú)人機(jī)傾斜攝影在危化企業(yè)實(shí)景三維建模中的應(yīng)用

摘 要：針對(duì)危化企業(yè)安全精細(xì)化管理需求，研究基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影的危化企業(yè)實(shí)景三維建模方法。通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)獲取廠區(qū)高分辨率傾斜影像數(shù)據(jù)，并采用Context Capture軟件進(jìn)行模型重建，利用DP-Modeler軟件對(duì)模型中的懸浮物、拉花、扭曲、空洞等缺陷進(jìn)行編輯修飾，最后對(duì)實(shí)景三維在危化企業(yè)管理中的應(yīng)用進(jìn)行討論與展望，對(duì)推動(dòng)實(shí)景三維在危化企業(yè)管理中的應(yīng)用具有重要意義。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影；危化企業(yè)；實(shí)景三維

中圖分類號(hào)：P231" " " " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " " "文章編號(hào)：2096-6903（2024）06-0079-03

0 引言

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)與石油化工行業(yè)深度融合，危化行業(yè)逐步向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化管理方向發(fā)展。為此，各級(jí)行政管理部門和行業(yè)機(jī)構(gòu)制定了不同的發(fā)展規(guī)劃、行動(dòng)計(jì)劃、推進(jìn)方案，利用三維數(shù)據(jù)成果對(duì)危化企業(yè)進(jìn)行管理、應(yīng)急模擬仿真、應(yīng)急救援等[1]。

工業(yè)（化工）園區(qū)三維模型數(shù)據(jù)，作為智慧園區(qū)、智慧工廠規(guī)劃設(shè)計(jì)、日常監(jiān)管、安全生產(chǎn)的重要底圖數(shù)據(jù)，將傳統(tǒng)二維應(yīng)用模式提升到三維立體化綜合應(yīng)用水平，將有力支撐工業(yè)發(fā)展及建設(shè)。近年來(lái)實(shí)景三維在危化企業(yè)的管理中應(yīng)用日趨深入，在工業(yè)園區(qū)、企業(yè)廠房、倉(cāng)儲(chǔ)物流等重要生產(chǎn)場(chǎng)所和物資流動(dòng)通道以及周邊區(qū)域建設(shè)傾斜三維模型，與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、監(jiān)控視頻融合，構(gòu)建三維廠區(qū)。對(duì)危化企業(yè)及其周邊進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集，建立實(shí)景三維模型，可為安全生產(chǎn)信息化建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐，服務(wù)安全監(jiān)管迫在眉睫[2]。

1 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

激光雷達(dá)掃描及傾斜攝影測(cè)量是近年來(lái)實(shí)景三維建模的主要技術(shù)手段，而傾斜航空攝影因其便捷、高效、實(shí)惠的特點(diǎn)應(yīng)用范圍快速擴(kuò)大。傾斜航空攝影采用無(wú)人機(jī)搭載傾斜鏡頭的方式，可以快速獲取五個(gè)不同方向鏡頭的影像數(shù)據(jù)及POS信息，能夠采集到建筑物及復(fù)雜地表側(cè)面的紋理信息，快速高效生成大面積實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)，解決了人工建模難以處理復(fù)雜建筑物的缺點(diǎn)[3]。

2 實(shí)景三維數(shù)據(jù)獲取

實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)獲取主要包括航攝方案設(shè)計(jì)、傾斜航空攝影、像控點(diǎn)測(cè)量等步驟。航攝方案設(shè)計(jì)主要包括航攝系統(tǒng)選擇、航攝任務(wù)分區(qū)、航線設(shè)計(jì)。方案設(shè)計(jì)時(shí)，需要確認(rèn)任務(wù)范圍、原始照片地面分辨率、攝影方式、航攝參數(shù)、作業(yè)時(shí)間、成果內(nèi)容和精度等基本信息。需根據(jù)作業(yè)區(qū)域地形起伏狀況、海拔高度、高大建筑物或地面設(shè)施等情況綜合判斷，對(duì)影像分辨率、航飛高度、航向重疊度、旁向重疊度進(jìn)行設(shè)置，擬定作業(yè)計(jì)劃[4]。

2.1 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，適合不同場(chǎng)景的機(jī)型也日益成熟。常用無(wú)人機(jī)主要包括固定翼、復(fù)合翼、多旋翼、單旋翼等類型。多旋翼因其起降場(chǎng)地限制少、便捷靈活、操作方便、載荷豐富，可以懸停、仿地飛行等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用。因危化企業(yè)廠區(qū)場(chǎng)景復(fù)雜，通常包括各種危化裝置及高塔等復(fù)雜建筑物、構(gòu)筑物、附屬設(shè)施，對(duì)飛行安全、原始影像分辨率要求較高，因此應(yīng)選用多旋翼平臺(tái)搭載傾斜航攝儀系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取。本研究航飛選用飛馬D2000型無(wú)人機(jī)，搭載D-OP3000型傾斜航攝儀進(jìn)行攝影，其相機(jī)型號(hào)為SONYa60000，鏡頭焦距為下視25 mm、傾斜35 mm。該機(jī)型機(jī)動(dòng)靈活，能夠設(shè)置多種航線，安全性較高，適合在復(fù)雜環(huán)境中獲取高精度傾斜影像數(shù)據(jù)[5]。

2.2 航線規(guī)劃

航攝分區(qū)分界線與圖廓線保持一致，主要考慮地形高差與飛行高度的關(guān)系。本研究任務(wù)要求地面分辨率為2.5 cm，航攝分區(qū)內(nèi)地表高差應(yīng)小于1/6相對(duì)航飛高度。為確保地面分辨率優(yōu)于2.5 cm，航攝方案按照要求分辨率的80%設(shè)計(jì)航線，即按照2 cm分辨率設(shè)計(jì)，以保證獲取的原始影像達(dá)到任務(wù)要求。當(dāng)垂向地面分辨率為2 cm時(shí)，根據(jù)相機(jī)參數(shù)計(jì)算可得航飛高度約為128 m。

2.3 無(wú)人機(jī)航攝作業(yè)

航空攝影即航飛方案的執(zhí)行階段，包括以下步驟：①航飛作業(yè)前對(duì)航攝裝備、航攝規(guī)劃開(kāi)展飛前檢查，保證飛行航攝系統(tǒng)拼裝完整，各項(xiàng)飛行參數(shù)設(shè)置合理。②現(xiàn)場(chǎng)航攝班組掌握了解實(shí)時(shí)天氣情況，保符合航攝設(shè)計(jì)技術(shù)要求。③航攝裝備及飛行控制人員到達(dá)任務(wù)區(qū)后，應(yīng)先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘，確認(rèn)起降點(diǎn)，并測(cè)試飛行系統(tǒng)。④航攝飛行適宜安排在10：00～15：00，確保光照充足，太陽(yáng)高度角應(yīng)大于45o，陰影不大于1倍。高大建筑物構(gòu)筑物聚集的測(cè)區(qū)應(yīng)在12：00前后1 h內(nèi)航攝作業(yè)。⑤航攝結(jié)束后應(yīng)及時(shí)對(duì)像片質(zhì)量進(jìn)行檢查。⑥影像數(shù)據(jù)應(yīng)成像清晰，反差適中，顏色飽和，色彩鮮明，色調(diào)一致，相同地物的色彩基調(diào)基本一致。層次豐富，能辨別與地面分辨率相適應(yīng)的細(xì)小地物影像，能夠建立清晰的立體模型。⑦航攝影像上不應(yīng)有云、煙、污點(diǎn)、大面積反光、大面積陰影等缺陷。若部分像片存在少量缺陷但不影響立體模型的連接和三維模型建立，可以用于三維模型生產(chǎn)。⑧航攝影像中的相對(duì)漏洞和絕對(duì)漏洞都要及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)拍和重拍。要按原設(shè)計(jì)參數(shù)補(bǔ)拍漏洞，補(bǔ)拍使用的裝備應(yīng)與前一次航攝一致。補(bǔ)拍航線兩端需超過(guò)漏洞外兩條基線以上。

2.4 像控點(diǎn)測(cè)量

地面控制點(diǎn)是航空攝影的主要數(shù)據(jù)之一，與影像、像片POS等共同用于空三加密、立體測(cè)圖、模型重建等步驟。本研究均勻布設(shè)平高控制點(diǎn)，主要使用網(wǎng)絡(luò)RTK方式進(jìn)行測(cè)量。

按區(qū)域網(wǎng)設(shè)置像片控制點(diǎn)。傾斜航空攝影的重疊度非常高、影像視角豐富，具有影像匹配功能強(qiáng)大、密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)多等特點(diǎn)，因此地面控制點(diǎn)間距可根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)加大，但應(yīng)滿足空三加密中的相關(guān)精度要求。

目前空三加密軟件的影像匹配算法豐富、區(qū)域網(wǎng)平差功能強(qiáng)大、自動(dòng)化程度高，可以根據(jù)測(cè)區(qū)、地形、飛行等情況和服務(wù)器計(jì)算能力、軟件性能等綜合劃分區(qū)塊進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，相鄰區(qū)域網(wǎng)應(yīng)設(shè)置一定數(shù)量的公用像控點(diǎn)。

地面控制點(diǎn)應(yīng)選擇容易判識(shí)的點(diǎn)位，如顏色區(qū)分明顯、界線清晰、高程變化較小的地物拐點(diǎn)或線狀地物交等，利于準(zhǔn)確定位和刺點(diǎn)，避免陰影、陡坎或界線不明顯區(qū)域。

像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)采用網(wǎng)絡(luò)RTK模式進(jìn)行測(cè)量，并拍攝好實(shí)地照片，做好點(diǎn)之記。利用似大地水準(zhǔn)面數(shù)據(jù)擬合出準(zhǔn)確高程。

利用GNSS網(wǎng)絡(luò)RTK作業(yè)模式進(jìn)行像控點(diǎn)的測(cè)量，應(yīng)與首級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，以提高模型定位精度。

3 實(shí)景三維模型重建

三維模型制作主要過(guò)程包括空中三角測(cè)量、三維模型重建、三維模型后處理，其中空三的精度直接決定后面模型的初始效果。

3.1 空中三角測(cè)量

空三階段需要收集原始航向照片及相機(jī)參數(shù)文件，外業(yè)像控點(diǎn)、檢查點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)和點(diǎn)之記，然后利用專業(yè)空三軟件完成自動(dòng)相對(duì)定向，再篩選像控點(diǎn)進(jìn)行刺點(diǎn)，完成絕對(duì)定向。軟件自動(dòng)平差完成后對(duì)空三成果進(jìn)行檢查，合格后基于空三成果進(jìn)行模型自動(dòng)重建。像片刺點(diǎn)需要按照規(guī)范盡量選擇點(diǎn)位位于影像中間位置的像片，且照片中的像控點(diǎn)應(yīng)能夠清晰判別、邊緣清晰，減輕像片邊緣畸變過(guò)大、照片不清帶來(lái)不利影像。

利用Context Capture軟件完成空三后，直接提交模型生產(chǎn)，模型生產(chǎn)時(shí)采用平面格網(wǎng)Planner Grid形式對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理，數(shù)據(jù)瓦片大小為100 m。模型質(zhì)量為高等，輸出格式為OSGB格式，模型平面坐標(biāo)系為CGCS2000，3度帶投影坐標(biāo)系，高程為1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

模型生產(chǎn)過(guò)程中剔除空白瓦片。生產(chǎn)完成后，根據(jù)瓦片數(shù)量和各瓦片文件名稱，制作索引文件，索引文件內(nèi)無(wú)無(wú)效數(shù)據(jù)內(nèi)容。將模型成果與索引文件放在同一目錄下進(jìn)行測(cè)試，確認(rèn)能否正常讀取模型數(shù)據(jù)。

3.2 模型編輯

模型后處理過(guò)程包括模型結(jié)構(gòu)修復(fù)及模型紋理的修復(fù)。在原始自動(dòng)化建模的效果上，人工輔助優(yōu)化模型效果。按本研究技術(shù)要求，對(duì)重建模型檢查合格的三維模型進(jìn)行模型修復(fù)，即模型后處理。常用的Context Capture、Photoscan、大疆智圖等自動(dòng)化處理軟件重建的實(shí)景三維模型可能有漏洞、水面破損、空中碎片、紋理拉花扭曲等問(wèn)題，因此對(duì)模型檢查后要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景需求，對(duì)模型進(jìn)行必要的編輯和修飾。采用天際航的DP-modeler編輯軟件對(duì)Mesh模型進(jìn)行編輯，處理要求如表1所示。

模型修飾主要包括扭曲結(jié)構(gòu)線處理、紋理修復(fù)、水面破洞修復(fù)、模型地面以下漂浮物刪除、道路置平等。

3.3 質(zhì)量檢查

三維模型數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查主要包括位置精度、時(shí)間精度、完整性、空間參考系、邏輯一致性、表達(dá)質(zhì)量、附件質(zhì)量7個(gè)方面：①空間參考系。檢查大地基準(zhǔn)、高程基準(zhǔn)、地圖投影的符合情況。②位置精度。檢查平面位置精度、高程精度。③完整性。檢查場(chǎng)景中各類模型的覆蓋完整度。④表達(dá)質(zhì)量。檢查模型精細(xì)度和紋理精細(xì)度（模型或紋理無(wú)明顯缺失，水面應(yīng)盡量平整、無(wú)明顯漏洞，地面以下無(wú)明顯懸浮物）。⑤邏輯一致性。檢查三維數(shù)據(jù)格式、瓦片劃分方式和大小。⑥時(shí)間精度。檢查資料的現(xiàn)勢(shì)性。⑦附件質(zhì)量。對(duì)配套文檔、附屬資料的完整性進(jìn)行檢查（是否有元數(shù)據(jù)和場(chǎng)景文件）。

檢查方法如下：①空間參考系檢查方法。大地基準(zhǔn)和地圖投影檢查是利用metadata文件中的投影信息，檢查三維成果的大地基準(zhǔn)和地圖投影是否正確。高程基準(zhǔn)檢查是在Context Capture Viewer軟件中逐一打開(kāi)測(cè)區(qū)S3C三維場(chǎng)景文件，選擇工具菜單下的測(cè)量工具，設(shè)置好測(cè)區(qū)對(duì)應(yīng)的空間參考系統(tǒng)，依據(jù)像控點(diǎn)位置分布圖，在三維模型中找到相應(yīng)特征點(diǎn)位置，并量測(cè)三維坐標(biāo)位置，對(duì)比高程數(shù)據(jù)與像控點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是否有差別。②整體性檢查方法。在ArcMAP軟件中，利用測(cè)區(qū)范圍矢量數(shù)據(jù)與測(cè)區(qū)正射影像疊加檢查，影像是否覆蓋整個(gè)范圍。③表達(dá)質(zhì)量檢查方法。在Context Capture Viewer軟件中逐一打開(kāi)測(cè)區(qū)S3C三維場(chǎng)景文件，人工逐一檢查各測(cè)區(qū)模型質(zhì)量，主要檢查紋理有無(wú)明顯缺失、水面應(yīng)大致平整、無(wú)明顯漏洞、地面以下無(wú)明顯懸浮物。④邏輯一致性檢查方法。人工檢查三維數(shù)據(jù)格式是否為osgb和3mx兩種格式，瓦片劃分方式和大小可以在Context Capture Viewer軟件中逐一打開(kāi)測(cè)區(qū)S3C三維場(chǎng)景文件，人工觀察和測(cè)量瓦片距離得到。⑤時(shí)間精度。人工抽查各測(cè)區(qū)原始影像，檢查原始影像的創(chuàng)建日期，拍攝日期需為4月至8月拍攝。⑥附件質(zhì)量檢查。檢查三維成果中是否具有metadata.xml元數(shù)據(jù)文件和.3mx格式場(chǎng)景文件。

4 實(shí)景三維應(yīng)用

利用精細(xì)化的實(shí)景三維模型作為時(shí)空底座，結(jié)合行業(yè)三維GIS系統(tǒng)，可以在危化企業(yè)的園區(qū)建設(shè)、運(yùn)行、管理等各個(gè)方面建立深度應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的高效管理，充分發(fā)揮實(shí)景三維模型的價(jià)值。在園區(qū)建設(shè)中，基于實(shí)景三維可以進(jìn)行場(chǎng)景瀏覽、地形制圖、三維導(dǎo)航等功能，為企業(yè)園區(qū)的建設(shè)提供基礎(chǔ)地圖。

可以在建設(shè)過(guò)程中將設(shè)計(jì)方案模型與實(shí)景三維場(chǎng)景相結(jié)合，對(duì)不同的規(guī)劃設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比論證，以更加直觀高效的方式為官員、專家、大眾等不同用戶充分展示不同方案的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。同時(shí)結(jié)合BIM模型可以進(jìn)行施工模擬，指導(dǎo)施工建設(shè)過(guò)程，基于不同時(shí)期的實(shí)景三維數(shù)據(jù)掌握施工進(jìn)度，在施工完成后利用實(shí)景三維數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比對(duì)分析兩者差異，輔助竣工驗(yàn)收。

在危化企業(yè)運(yùn)行中，可以基于實(shí)景三維建立應(yīng)急監(jiān)測(cè)與處理系統(tǒng)，在三維場(chǎng)景中對(duì)人員、車輛、設(shè)備、材料等的空間分布和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和動(dòng)態(tài)更新，并根據(jù)危化企業(yè)的應(yīng)預(yù)案制定三維應(yīng)急路線、物資分布，對(duì)不同的突發(fā)事件進(jìn)行模擬和仿真，為企業(yè)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供科技支撐。

在危化企業(yè)管理中，通過(guò)實(shí)景三維模型的單體化等技術(shù)手段，利用空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析、檢索等能力，支撐日常的資產(chǎn)盤點(diǎn)、實(shí)施監(jiān)控等工作，對(duì)企業(yè)資產(chǎn)進(jìn)行全面管理，提升企業(yè)精細(xì)化管理能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)建立的傾斜模型在危化企業(yè)建設(shè)、運(yùn)行、管理中可以發(fā)揮重要作用，但是由于傾斜攝影數(shù)據(jù)對(duì)危化企業(yè)中常見(jiàn)細(xì)小管道、復(fù)雜部件等部分建模難度較大，需要結(jié)合激光雷達(dá)掃描、BIM建模等多源數(shù)據(jù)融合建模等方式，建立危化企業(yè)廠區(qū)內(nèi)部和外部更加完備的三維模型數(shù)據(jù)，依托GIS和企業(yè)信息管理三維系統(tǒng)提升實(shí)景三維數(shù)據(jù)的應(yīng)用水平，為數(shù)字企業(yè)、智慧園區(qū)建設(shè)提供更先進(jìn)的技術(shù)支撐。

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