逐層開挖工程整體三維影像模型構(gòu)建方法

王吉亮，施 炎，周炳強，楊 靜， 郝文忠，廖立兵，康雙雙

1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，武漢 430010 2.長江三峽勘測研究院有限公司(武漢)，武漢 430074

0 引言

近些年來，隨著我國在工程建設(shè)領(lǐng)域持續(xù)強有力的投入，一大批超級工程、高難工程投建或建成。對一些規(guī)模較大的需開挖型巖土工程，如高邊坡、大型地下洞室、深基坑等，一般采用逐層開挖、逐層支護(hù)的方法進(jìn)行施工。在單層開挖完成后、噴錨支護(hù)前，需對開挖面進(jìn)行地質(zhì)測繪，并收集影像資料，以記錄原始地質(zhì)信息，便于后期分析和展示。傳統(tǒng)獲取開挖面影像的方法一般用數(shù)碼相機對開挖面連續(xù)、分幅拍攝，只能獲得二維影像，并且無法獲取開挖面的整體影像。

隨著基于傾斜攝影的三維影像建模技術(shù)的實現(xiàn)和發(fā)展，再加上近幾年無人機技術(shù)迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用的推動作用[1-5]，探究低成本、優(yōu)質(zhì)、快速構(gòu)建三維影像模型的方法成為當(dāng)前研究的熱點，并在諸多領(lǐng)域有不少經(jīng)典案例[6-12]。然而，目前常見的三維影像建模方法只能針對靜態(tài)目標(biāo)，否則會造成目標(biāo)相同部位影像點因前后變化而無法匹配，不能建模，有局限性。而對于逐層開挖工程，具有工程形象變化大、開挖持續(xù)時間長、開挖面位置不斷變化、開挖面地質(zhì)信息必須及時采集等特點，常見的三維影像建模方法尚不能有效解決。本文以烏東德水電站大壩建基面邊坡為研究對象，探索出一套質(zhì)量高、易操作、低成本的三維影像建模方法，并取得了良好的效果，以期為工程信息存儲、分析和展示奠定基礎(chǔ)，也為類似工程提供經(jīng)驗借鑒和指導(dǎo)。

1 三維實景影像模型構(gòu)建方法

1.1 無人機類型及技術(shù)特點

無人機種類繁多、用途廣泛、特點鮮明，具有快速機動、操作簡單、使用成本低、危險性小、能獲取高分辨率影像數(shù)據(jù)等優(yōu)點。按照其飛行原理主要分為固定翼無人機和旋翼無人機兩大類型[13]。

近年來，無人機技術(shù)發(fā)展迅速，特別是消費級無人機技術(shù)的成熟，極大地推動了水利水電工程勘測行業(yè)的發(fā)展。旋翼無人機因其擁有垂直起降、控制靈活、操作簡便、定點拍攝、成本較低等特點，可適應(yīng)于高山峽谷地帶的工程地質(zhì)勘察，也可應(yīng)用于施工階段的地質(zhì)編錄等，極大降低了地質(zhì)人員的野外工作難度，提高了工作效率。目前，無人機技術(shù)成功地應(yīng)用于烏東德水電站高位自然邊坡勘察、人工邊坡施工地質(zhì)等領(lǐng)域，均取得較好的效果[13]。

1.2 傾斜攝影測量技術(shù)

傾斜攝影技術(shù)是當(dāng)前無人機航測的常用有效方法。其可以實現(xiàn)多角度影像采集、保證高效率、增加精確度、準(zhǔn)確地理定位、實現(xiàn)三維實景重建，已經(jīng)成為國內(nèi)外無人機航測的主要技術(shù)途徑，并逐漸應(yīng)用于水利水電工程勘測等領(lǐng)域[13]。

Smart3D Capture是一款基于傾斜攝影測量技術(shù)快速構(gòu)建三維模型的商業(yè)軟件。將利用相機或無人機拍攝的傾斜攝影數(shù)據(jù)導(dǎo)入Smart3D Capture軟件，通過計算機圖形計算，結(jié)合精密空間定位系統(tǒng)(positioning orientation system，POS)信息空間三角(簡稱空三)處理，生成點云構(gòu)成格網(wǎng)，格網(wǎng)結(jié)合照片生成賦有紋理的三維模型[13]。

1.3 基于無人機傾斜攝影測量的三維實景重建技術(shù)

通過整合無人機技術(shù)(UAV)及傾斜攝影測量技術(shù)，利用消費級旋翼無人機搭載數(shù)碼相機，從垂直、傾斜等不同角度對實體對象進(jìn)行連續(xù)拍攝，保證相鄰照片之間有一定的重疊；在拍攝前，需布設(shè)一定數(shù)量的控制點；將采集的二維影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Smart3D軟件，建立包含紋理信息、幾何特征、空間信息等屬性網(wǎng)格，從而獲取與實地基本一致的三維實景模型。利用UAV拍攝和Smart3D技術(shù)，可從地質(zhì)勘察到施工地質(zhì)編錄各個階段進(jìn)行地質(zhì)信息的采集，實現(xiàn)三維實景重建。該技術(shù)目前已在水利水電工程地質(zhì)勘察領(lǐng)域逐漸得到應(yīng)用[13]。

2 逐層開挖工程三維實景影像模型構(gòu)建方法

將基于無人機傾斜攝影測量的三維實景重建技術(shù)應(yīng)用于水利水電工程的施工地質(zhì)勘察，獲取逐層開挖工程的整體三維影像，可實現(xiàn)開挖面地質(zhì)信息的快速準(zhǔn)確獲取、直觀清晰表達(dá)與可視化存儲，并可有效應(yīng)用于后期地質(zhì)分析判別工作。

逐層開挖工程三維實景影像模型構(gòu)建方法包括：①開挖面清理；②影像采集范圍確定；③標(biāo)記點布設(shè)；④標(biāo)記點測量；⑤無人機影像采集；⑥三維影像合成；⑦下層開挖面重復(fù)以上步驟；⑧各層三維影像拼接(圖1)。

3 烏東德水電站大壩邊坡三維影像模型構(gòu)建

3.1 烏東德水電站大壩建基面概況

烏東德水電站是金沙江下游河段4個水電梯級中的最上游梯級，是西電東送骨干電源點之一，為一等(I)大型工程，裝機容量10 200 MW，國內(nèi)排名第4，世界排名第7[14-16]。擋水大壩為雙曲拱壩，壩頂高程988 m，建基面最低高程718 m，建基面邊坡坡高270 m，上陡下緩，綜合開挖坡度67°。大壩建基面邊坡于2015年5月開始下挖，采取每10 m一個梯段逐層下挖，2016年12月底開挖完成，歷時約18個月。大壩建基面邊坡面積即需建模面積約2.9萬m2。

3.2 建模流程

針對烏東德水電站大壩建基面邊坡逐層開挖的特點，首先利用無人機傾斜攝影和全站儀測量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；然后基于Smart3D軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理運算，生成單層三維影像模型；最后將各層三維影像進(jìn)一步進(jìn)行處理運算，生成總體三維影像模型。三維影像建模流程如圖2所示。

3.3 模型構(gòu)建

1)數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集時間一般為開挖面剛剛揭露后立即進(jìn)行，以保證采集影像時開挖巖面干凈整潔，現(xiàn)場環(huán)境條件最佳。

大壩建基面邊坡首層開挖完成后，清理并沖洗干凈坡面，獲得首層開挖面。用噴漆在距坡腳以上50 cm處布置一排水平向像控點，間距5～10 m，作為與下層邊坡重疊區(qū)域的控制點，用以后期三維模型拼接。重疊區(qū)域以外坡面利用激光指示器均勻布設(shè)像控點，用以建模過程中的精度校正控制點，間距一般5～10 m，如圖3所示。

圖1 獲取逐層開挖工程三維影像流程圖Fig.1 Flow chart of 3D image of excavation engineering step by step

圖2 大壩建基面三維影像建模流程圖Fig.2 Flow chart of 3D image model construction

圖3 像控點布置示意圖Fig.3 Image control points layout diagram

利用全站儀測量像控點大地坐標(biāo)。使用無人機搭載云臺高清數(shù)碼相機進(jìn)行二維拍照，控制無人機飛行高度大致位于拍攝區(qū)域中心高程附近，航線與開挖面走向平行，相機視角巖面角度不受正垂攝影限制(圖4)。要求照片航向重復(fù)率達(dá)到60%～80%，旁向重復(fù)率45%～60%，在轉(zhuǎn)折處、不平整處還應(yīng)提高重復(fù)率[17]。在建模邊界附近，拍照應(yīng)向外適當(dāng)擴展，保證建模范圍完整。拍攝時應(yīng)保證巖面視野良好，無明顯光照差異。

2)數(shù)據(jù)處理

將獲取照片的像控點坐標(biāo)導(dǎo)入Smart3D三維影像軟件，預(yù)留2～3個像控點不導(dǎo)入，作為單層三維模型的精度檢查點?；赟mart3D算法進(jìn)行空三計算(圖5)：通過圖片大量特征點提取和匹配，可以反向解算得到每一幅影像精確的空間位置和旋轉(zhuǎn)角度?？杖嬎阃瓿珊?，可以獲得高密度點云數(shù)據(jù)，并可以在Smart3D中查看到整個航帶飛行情況、空三點位置密度、圖片覆蓋的范圍等信息，局部圖像數(shù)據(jù)不足時應(yīng)進(jìn)行補充。

圖4 無人機采集單層邊坡影像Fig.4 Obtain the single-stage slope image by UAV

圖5 空三計算Fig.5 Three-dimensional triangulation

3)模型生成

通過空三計算點云數(shù)據(jù)生成不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)，并自動匹配生成實景紋理，生成首層開挖面三維影像模型。單層模型生成后，應(yīng)在模型中讀取預(yù)留的檢查點坐標(biāo)與該點實測坐標(biāo)進(jìn)行對比，復(fù)核坐標(biāo)是否正確，精度是否滿足要求。

各梯段建基面邊坡三維影像模型完成后，將各單層三維模型和重疊區(qū)坐標(biāo)導(dǎo)入Smart3D中，重復(fù)數(shù)據(jù)處理和模型生成步驟，計算生成整體模型并裁剪多余區(qū)域，獲得建基面邊坡整體三維影像模型，見圖6—圖8。

圖6 單層影像計算生成多層影像Fig.6 Generate multi-layer images based

圖7 大壩建基面邊坡三維影像模型 Fig.7 3D image model of dam foundation surface on single-layer images

圖8 三維影像模型局部放大效果Fig.8 Enlarge image of the 3D image model

4 模型成果分析

獲取逐層開挖工程的整體三維影像模型，通過可反復(fù)、多角度、可追溯的觀察分析，彌補了開挖面在混凝土覆蓋后無法進(jìn)行深入研究的遺憾。模型成果具有以下特點。

1)在大壩建基面邊坡逐層動態(tài)開挖過程中，對各單層邊坡影像采集時，均要求坡面巖體清洗干凈，保證拍照質(zhì)量最優(yōu)，避免開挖全部完成后一次拍照三維建模成型時坡面被灰塵污染或噴混覆蓋。照片采集時保證重復(fù)率，利用像控點控制精度，確保模型合成效果。如圖7和圖8所示，模型成果滿足全面表達(dá)邊坡整體形態(tài)和保持局部細(xì)節(jié)特征的要求，模型放大后未見明顯變形、拉花，紋理匹配良好，影像質(zhì)量優(yōu)良。

2)對整體三維模型某梯段檢驗點提取坐標(biāo)和實測坐標(biāo)進(jìn)行精度分析，結(jié)果如表1所示。x、y、z方向誤差絕對值分別為2.4～4.5，1.0～5.7，1.5～5.2 cm，位移偏差為5.1～7.9 cm，三維影像模型精度滿足工程應(yīng)用精度要求。通過實景影像配合高精度三維坐標(biāo)點，為后續(xù)基于三維影像模型提取地質(zhì)信息奠定了基礎(chǔ)。

注：Δx、Δy、Δz和Δs分別為x、y、z坐標(biāo)軸方向誤差和位移誤差。

3)實現(xiàn)三維影像建模的同時，還可以輸出點云數(shù)據(jù)成果，包含空間位置、高程等屬性信息，可用于三維建模及后續(xù)應(yīng)用。

4)獲取的整體三維影像可應(yīng)用于室內(nèi)地質(zhì)編錄，大大減輕了地質(zhì)人員野外工作量，提高編錄精度。

5 結(jié)論

1)本文提出的逐層開挖工程獲取整體三維影像的方法是三維實景建模技術(shù)的重要補充，面對逐層開挖工程形象變化大、跨度時間長、開挖面不斷變化、開挖面地質(zhì)信息需及時采集等難點，傳統(tǒng)的一次性靜態(tài)三維實景影像建模技術(shù)不能滿足要求，本文方法不僅可以克服以上難點，而且具有模型影像質(zhì)量優(yōu)良、坐標(biāo)信息精度較高、操作簡便高效的優(yōu)點。

2)將該方法應(yīng)用于烏東德水電站大壩邊坡三維影像模型構(gòu)建，在邊坡開挖過程中對逐層開挖邊坡進(jìn)行無人機傾斜攝影，并應(yīng)用本文方法成功構(gòu)建整體三維影像模型，模型影像清晰、細(xì)節(jié)準(zhǔn)確、坐標(biāo)精度高，為三維影像和地質(zhì)信息存儲、提取提供了有力支持，取得了良好效果，可為類似工程提供借鑒。