實景建模技術在水利工程中的應用探索及精度分析

張國卿，朱慶利，唐 芳

（山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250014）

實景建模技術是近幾年測繪領域發展起來的一項逆向建模技術，該技術利用有足夠重疊度的相片，完整準確的建立被拍攝物體的三維立體模型。在工程領域，多被用于工程區域的多角度展示、施工進度匯報、設計意圖表達等方面。

雖然實景模型的可視化功能已經比較完善，也被廣泛應用。但筆者通過實景建模技術在工程實踐中發現了普遍存在的兩個問題：一是外業實施和精度評定方面沒有明確的規范可查，導致在目標精度范圍內，原始數據出現冗余的問題，不僅增加了成本，還拖慢了后續處理工效；另外實景成果目前還主要停留在展示階段，實景模型還沒有真正信息化，或者說如果將實景模型作為測繪資料參與BIM設計過程，其功能性還不完善。

針對上述兩個問題，筆者結合我院的項目類型和BIM解決方案確定了兩個探索方向：一是在確保實景模型達到計劃精度的前提下，怎樣有效的降低原始數據的體量，減少數據處理的時間；二是對實景模型的可拓展性和可編輯性進行探索，讓實景成果盡快參與到BIM設計過程中。

筆者為全面詳實的獲取實驗數據，選取了我院獨立完成的3項具有代表性實景建模案例進行探索。

（1）宋莊分水閘樞紐工程區（黃水東調工程）（簡稱宋莊區），實景建模范圍為：東西方向約600m，南北方向約400m；實景模型面積約為0.23km2；計劃精度達到比例尺1∶500地形圖精度。

（2）加壓提升泵站樞紐工程區（簡稱加壓區）（黃水東調工程），實景建模范圍為：東西方向約700m，南北方向約1000m；面積約為0.74km2；計劃精度達到比例尺1∶500地形圖精度。

（3）莒縣涉水涉地資金整合項目工程區（簡稱莒縣區），實景建模范圍為：東西方向1400m，南北方向2000m；實景模型面積約為2.5km2；計劃精度達到比例尺1∶2000地形圖精度。

1 技術路線

1.1 原始數據采集方案

隨著實景建模技術的不斷發展，原始數據的來源也多種多樣，除了通過無人機傾斜攝影測量獲取之外，手持相機拍攝相片和視頻、掃描儀形成點云等數據都可以參與模型的建立。本文討論的三項實景案例均是采用無人機傾斜攝影的解決方案。

相較于工測和航攝等傳統數據采集方式，傾斜攝影測量具有一定的優勢，這些優勢反映在效率高、成本低和安全性高等幾個方面。

效率方面，在控制點布設密度要求傾斜攝影測量方面低于傳統攝影測量。理論上，實景模型絕對定向最少需要三個控制點，每個控制點最少有三張相片覆蓋即可。雖然實際操作過程中，無論在控制點精度，還是飛行控制上無法達到理想狀態，但是與傳統航測嚴格的控制點布設相比，傾斜攝影測量的前期準備工作時間已大大縮短。

成本方面，隨著無人機技術的大力發展，旋翼無人機的采購成本已有大幅度降低；并且在鏡頭方面，實景模型的后處理軟件Context Capture相機庫集成了大量普通量產相機的鏡頭參數，利用這些相機采集的相片可以直接做為數據源，照片附帶的內方位元素可直接被軟件讀取使用。實景建模后處理軟件對于數據來源的開放性，提高了設備采購的自由度，節約了成本。

安全性方面，旋翼無人機飛行速度慢、飛行高度低，起降方式為垂直起降。這是旋翼無人機在安全性方面的優勢。

1.2 實景模型后處理方案

實景建模的主流軟件目前有三種：ContextCapture、PhotoScan和Pix4Dmapper。見表1。

表1 三種軟件對比

其中，ContextCapture生成的模型效果最為理想，且后續工作量較低。我院三維協同設計方案采用的是此解決方案，生成的實景模型可以得到平臺底層軟件的支持。所以，實景模型的后處理軟件選用該平臺下的ContextCapture，而應用拓展軟件也選用Descartes。

確定了外業采集方案和后處理應用軟件后，我們制定了實景建模的工作流程，如圖1所示。

圖1 實景建模的工作流程

2 實景模型建立

2.1 外業采集

實景模型的原始數據決定著該模型的精度和處理工作的復雜度，在實景模型的質量和生產效率上取平衡并不容易。在沒有規范指導的情況下，需要依靠大量經驗值支撐。結合上文提到的3個實景案例，闡述針對不同項目情況采取的解決方案。

宋莊區地處平原，是水利工程的分水口，地面附著物紛繁復雜。此項目是應用傾斜攝影測量技術初期進行實施的，沒有經驗指導。為了取得最好的效果，將飛行高度設置為80m，設備采用Micro-Drones4-1000型旋翼無人機，搭載2個SONY ILCE-6000相機組成的雙魚鏡頭，共飛行了三個架次完成數據采集，采集的相片的地面分辨率±1cm。宋莊區實景模型達到了計劃精度，但是在處理過程中發現原始數據體量太大，參與建模的照片共計3933張，存儲空間超過40G，嚴重拖慢了實景模型的生產速度。

實施加壓區的實景建模時，我們根據不同地貌復雜程度采用了不同的采集方式。加壓區以水庫大壩和平緩的地面為主，但在測區東南角有一處村莊在建模范圍內。所以在數據采集過程中，第一架次主要針對村莊進行數據采集，飛行高度為100m，設備采用MicroDrones4-1000型旋翼無人機，搭載2個SONY ILCE-6000相機組成的雙魚鏡頭；第二和第三架次，主要針對大堤和平緩的地面進行數據采集，飛行高度為150m，鏡頭換為單個SONY ILCE-7R相機。通過精度分析，加壓區達到了精度，并且原始數據的體量大大縮減。加壓區的建模面積是宋莊區的3倍，但是相片數不足宋莊區的70%，在后處理過程中，生產效率明顯得到提高。

在實際生產過程中，精度較低、范圍較大的地形圖也是必不可少的，類似比例尺1∶2000的地形圖。莒縣區的建模是針對這類生產需求的探索，該測區是以前獲取的傳統航空攝影測量照片，飛行高度240m，設備采用UX5 HP型固定翼無人機搭載單個SONY NEX-5相機，共拍攝相片649張。在測區有效控制點范圍內達到了計劃精度。莒縣區利用實景建模的后處理技術對垂直攝影相片進行處理，拓展了實景數據采集思路。

2.2 數據處理

2.2.1 原始數據導入

原始數據不僅指照片，還包括內方位元素信息、外方位元素信息、控制點信息等，這些信息是可以直接導入到軟件中。其中內方位元素通常被稱為相機文件，外方位元素被稱為POS文件。在導入控制點信息時需要選取相應的坐標系統，導入成功后還要進行刺點的工作。刺點工作的完成度越高，生成的實景模型的投影越精確，高完成度是指將所有帶控制點的相片都進行刺點。

2.2.2 空三解算

空三解算是航攝測量的關鍵步驟，該步驟能精確的計算每張照片的外方位元素，其平差結果是考量實景模型精度的重要標準。

雖然理論上最少三個控制點，每個控制點最少三張相片覆蓋即可進行空三解算，但實際操作中，控制點的數量和采集精度對實景模型的精度有很大影響，所以控制點應大量均勻布設。關于布設密度，暫時沒有相應的規范可查，筆者也正積極通過各種案例和實驗進行探索，目前還沒有值得參考的結論。

2.2.3 模型生成

Contextcapture根據空三解算的結果自動生成三維實景模型。在生成模型之前，可以選擇輸出格式，可以是三維mesh，彩色點云或者是正射影象等。最終模型的生成是個反復的過程，對于需要糾正的模型，可以先導入Descartes軟件中，進行精確的修正后，再導回Contextcapture軟件，重生成新的模型。至此，三項實景模型通過上述方式建立完畢。

3 實景建模的精度分析與技術總結

3.1 精度分析

對于實景模型的精度評定，暫時沒有相關的精度評定標準，業內習慣將相片分辨率和空三解算的平差結果作為實景的精度評定標準。

本文從與實測點進行比較的角度分析討論精度問題，且只針對上文中提到的三項實景建模的案例而言，得出的結論并不具備廣泛性和普遍性。

精度對比過程中首先理清了一個思路，相較于傳統的二維測繪圖將精度分為平面精度和高程精度而言，實景模型已經將這兩項統一到三維坐標系中，變成一項精度。在宋莊區和加壓區兩項實景范圍內，進行了比例尺1∶500地形圖的實地采集。通過疊加和坐標的提取等操作，發現無論是同名高程點還是地物重合度，實景模型與1∶500地形圖的差值都在厘米級范圍內，甚至發現了二維圖中實測點位準確，繪圖出現操作偏差的情況。莒縣區實景模型比較特殊，測區內只有少量的實測地形點，分布比較散亂，測區其中一角沒有可用的控制點參與空三，且空三解算出的平差結果不理想。通過比較同名高程點差值，出現兩種情況：在缺少控制點的測區一角處地形點差值在±0.5m左右，而控制點范圍內的地形點差值都在±0.15m以內。

通過以上的精度分析，筆者認為在三處測區采用的解決方案能滿足精度要求，但不是最高效的方案，還需進一步的實驗。此外，通過莒縣區建模發現：雖然在不設置控制點的情況下，也能建立實景模型，但生成模型不是一個剛體，控制點能夠讓模型產生形變，所以在必要位置的布設控制點是不可或缺的。

3.2 技術總結

3.2.1 關于外方位元素

外方位元素是指相機曝光時，鏡頭的瞬時位置和姿態，而大多數的原始外方位元素是不準確的，這其中有兩個原因：一是大部分相片的外方位元素信息不完全，普通無人機沒有慣性導航，無法記錄曝光時的姿態。另一原因是，即便能記錄全面的外方位元素，也不能保證外方位元素與照片是一一對應的。筆者遇到一個案例，同一張相片作為原始數據輸入的外方位元素與經過空三解算后的外方位元素不一致，并且根據照片拍攝的內容不難發現，作為原始數據的外方位元素是不正確的。

所以，在導入外方位元素的經驗是：原始的外方位元素可以參考，但不是絕對準確的，在外方位元素的獲取方式和精度上，無需耗費過大的精力，可通過后續的空三解算獲得準確的外方位元素。

3.2.2 關于刺點工作

空三解算之前需要進行刺點的準備工作，但在Context Capture軟件中過濾照片費時費力。通過實驗發現，進行兩次采樣率不同的空三解算可解決這個問題。先對關鍵的控制點進行刺點，比如測區的角點和中心點，帶有這些控制點的相片不必一次刺全。隨后，進行一次低采樣率的空三解算，因為低采樣率的空三解算速度較快，并且能幫助發現問題、排除問題。計算完成后，回到刺點的工作界面，發現帶有控制點的所有照片已經被篩選出來。最后，再進行正常全面的刺點工作和高采樣率的空三解算即可。

4 實景模型信息提取

筆者將上述三處實景模型導入Descartes軟件，結合BIM設計需求，在實景模型信息提取利用方面進行了摸索。

4.1 地面附著物剝離

實景模型實現了所見即所得，但實景模型的地面附著物是以真實尺寸出現在地面上的，而正常的二維測繪圖是將各種地面附著物投影到地面的成果，所以將地面附著物與地面剝離是實景模型參與設計計算的一個障礙。筆者通過將實景模型轉換為分類的點云成果，實現了地面與地面附著物的剝離，如圖2所示。

圖2 實景模型轉換為分類的點云成果圖

4.2 斷面查看

斷面查看功能是指通過設置斷面線的方式，可以實現該處斷面的查看，甚至是斷面線處前后地面附著物立面的查看和導出。另外，還可以設置中心線作為路徑，按樁號提取斷面，如圖3所示。

圖3 景模型斷面查看功能

4.3 照片導航

照片導航功能是指直接調用具有準確外方位元素的建模照片，當實景模型對于細節還原度不夠時，可以通過設置興趣點的方式篩選出內容包含興趣點的照片，并調用查看。此功能某種意義上來說擴展了實景模型的可視化精度，如圖4所示。

4.4 實景模型分類顯示

相較于二維圖或者GIS圖，實景模型的分類或者分圖層顯示功能還有待遇進一步開發。筆者通過將實景模型與GIS數據、實測地形圖相結合的方式，如圖5所示，實現了實景模型對專題要素的顯示，擴展了可視化方式。

5 結語

通過對三處案例的分析，在實景模型的生產處理經驗和與BIM設計過程結合上，取得了一定的經驗和成果。針對常用的比例尺精度標準，形成了可以參考的數據采集經驗值；在實景模型的信息提取方面，也滿足部分設計需求。

實景建模技術已從概念走向應用，并且正在經歷從三維可視化到信息化的巨大轉變。目前實景模型包含的信息主要是地理信息，還沒有與其他專業領域信息很好的結合。將來實景模型與大數據的結合、提取、分析利用，可能是整個行業的探索方向，實景建模技術的探索之路任重而道遠。

圖4 實景模型照片導航功能

圖5 實景模型與GIS數據的結合

［1］高英.“BIM+”跨界應用開拓智慧水利［J］.水利規劃與設計，2017（09）：154-157.

［2］潘亮，王海珍.三維實景建模技術及運用 下［J］.影視制作，2016（02）：47-51.

［3］馮茂平，楊正銀，張秦罡.基于小型多鏡頭航攝儀的無人機傾斜攝影技術在實景三維建模中的應用［J］.測繪通報，2017（S1）：5-7.

［4］劉尚蔚，王維洋，魏群.三維實景建模技術及其應用［J］.中國水運（下半月），2016（11）：132-134.

［5］毛擁政，補舒棋，付登輝，等.BIM技術在引漢濟渭工程三河口水利樞紐勘察設計中的應用［J］.水利規劃與設計，2017（09）：158-161.