海洋工程設施三維實景建模技術研究及其應用

李建鋒

摘 要 大型工程建設項目中普遍采用了三維建模技術，隨著數字工廠、工程改造、容積計量和古文物保護等的市場規模的不斷擴大，三維激光掃描和實景建模技術在陸地應用得到了極大的發展和提高。實景建模技術作為后起之秀，在海洋工程設施的應用比較少，本文著重對比研究分析三維激光掃描和三維實景建模技術的優缺點，研究如何使用實景三維建模技術與其他三維建模技術的結合來提高海洋工程設施的三維建模效率。

關鍵詞 三維建模;三維實景建模;三維激光掃描;海洋工程設施

隨著三維實景建模技術的發展，該技術被廣泛應用于眾多領域。傳統建模方法主要是正向建模法，該方法主要依據設計圖紙和廠家資料來完成建模工作。逆向建模法作為另一種重建方法，主要是通過三維激光掃描以及三維實景技術對已有的實體進行數字化測量，然后依據測量數據重建數字模型。本文主要通過對比正向建模和逆向建模方法的優缺點，重點研究如何使用實景三維建模技術與其他三維建模技術的結合來提高海洋工程設施的三維建模效率。

1傳統建模方法的缺點

在運用傳統建模方法完成建模的過程中，建模人員主要依據設計圖紙和廠家資料作為建模參考依據，并依靠相應的建模軟件實現建模工作，同時結合工作中形成的個人經驗，運用基礎的三維幾何體，構建模型，經過多次反復的調整，形成最終的成果模型。運用此種建模方法，存在許多問題：

（1）需要耗費較長的時間，工作量巨大。在建模過程中，工作人員需要先大量的對平面圖進行識別，讀取建模所需數據，隨后依據設計資料完成對應建模。在這一過程中存在著龐大的工作量，需要花費相當多的時間。

（2）對參與建模的工作人員具有較高的要求。建模人員在建模中主要依據經驗進行判斷與調整，這種經驗的積累需要在日積月累的實踐過程中才能實現。需要工作人員在實踐中不斷摸索、總結，反復嘗試、訓練。

（3）可能存在一些需要被建模的目標并沒有圖紙作為載體，建模人員無從知曉實物，僅僅只能依靠描述和圖片，發揮主觀判斷進行建模工作，這就很可能引起建模的失真。

以上三點不足之處，阻礙了傳統建模方法在海洋工程設施的應用，尤其是在役設施，因此我們需要在工作中不斷創新，尋求新的建模方法[1]。

2三維激光掃描技術的缺點

為了克服傳統建模的不足之處，逆向建模技術出現，它能夠根據實體的建筑物或構筑物的實體，運用一定的設備與工具進行數據采集，隨后在3D的環境下進一步運用激光點云數據構建出模型。三維激光掃描技術就是逆向建模技術的一種，它能一定程度上解決了缺少資料物體模型的重建難題，在滿足模型高精度、真實感的要求下，提高了建模效率，但是依然存在著一些不足之處：

（1）激光掃描對掃描的實物有一定的要求，有一些實物難以進行掃描，就無法通過該方法實現建模。如：玻璃、水等具有透明性的實物。

（2）激光掃描對實物的尺寸大小有一定的要求，面對無法布置標志點和架設儀器的體積巨大的實物，三維激光掃描便難以實現。

（3）激光掃描需要在距離物體一定距離架設儀器，需要儀器支點，對于海上設備設施的外部掃描無法實現[2]。

3三維實景建模技術的優勢

三維實景建模是逆向建模的另一種方法，它是以圖像為基礎，對圖像實行三維重建，簡單來說，它是拍攝照片的逆向過程，從二維圖像轉化為三維建模，所見即所得。該方法能夠以數碼相機為拍攝的主要工具，結合對圖片的相關處理，于圖像中提取三維空間所需的相關數據，并依靠這些數據完成對目標的三維重構。該技術具有極大的優勢，主要表現為以下幾個方面：

（1）極大削減了工作量。運用數碼相機進行拍攝，能夠非常迅速地收集到三維建模所需要的相關數據，通過進一步處理，能快速完成三維重建。

（2）相對而言降低了對建模工作人員的技術要求。工作人員僅僅只需掌握拍攝以及數據處理的相關技巧就能夠完成建模工作。

（3）所受限制較少。運用該方法完成建模工作，既不會受到實物大小的限制，也不會受到實物狀態的限制。

（4）成本較低，無須高昂的相關設備。工作人員所需的主要工具就是數碼相機，若遇到較大的實物目標，如海洋工程設施的外部輪廓，可改用無人機設備。

以上優勢，克服其他建模技術的不足之處，發展和推廣實景建模技術，不僅僅使得空間信息從二維延伸到三維，更重要的是會給測繪領域帶來變革[3]。

4三維實景建模技術結合激光掃描技術在海洋工程設施三維建模中的應用

本文以單鏡頭航攝為例來闡述三維實景建模技術結合三維激光掃描技術在海洋工程設施三維建模工作中應用。

總體技術路線主要包含兩部分內容。其一是收集海洋工程設施現有相關資料并對其進行航空拍攝，其二是對相關數據進一步進行處理。

4.1 數據采集階段

在數據的采集階段，首先使用無人機多視角航空攝影技術對海洋工程設施進行多角度高分辨率影像獲取。獲取得到的航空影像數據不但包含高精度GNSS位置信息，同時所搭載的航攝儀經過專業的幾何參數檢校，能夠提供準確的內方位元素，為后期構建嚴密的數學關系提供保障。對海洋工程設施外部目標區使用多旋翼無人機搭載專業航攝儀，采用大重疊飛行方式，以保證三維成果的質量。

對海洋工程設施內部空間，通過三維激光掃描技術進行數據采集。例如對大范圍空曠內部區域，可采用靜態激光掃描儀獲取點云數據;對復雜內部環境，可采用基于SLAM的三維移動掃描儀獲取點云數據;對于難以采集的密閉區域，可改用手持式三維掃描儀進行補充掃描獲取點云數據。通過該技術獲取的高密度、毫米級精度的空間點云數據，并能在三維成果中直接進行模型的測量與管理。

4.2 數據預處理階段

數據預處理包括影像數據預處理和點云數據預處理。對影像數據的預處理：對每架次飛行獲取的影像數據進行及時、認真地檢查和預處理，不斷調整，最終獲取所需數據。所有成果進行自身質量檢查合格后整理歸檔，得到最終航攝成果。在無人機攝影采集的影像中，影像預處理中的勻光勻色的調校及處理速度是影響影像效果的關鍵因素。對點云數據預處理就是對激光掃描的點云數據進行合并、分割、降噪處理等[4]。

4.3 模型創建

（1）海上設施外輪廓基于無人機數據的三維實景建模

目前能用于創建實景模型的軟件不少，例如ContextCapture軟件。傾斜影像數據的空中三角測量可采用實景建模軟件進行，具體方法為：

1）將相機中的照片導入，并提取外方位元素以及相關的檢驗文件，據此攝像區空三工程相關的文件被構建出，同時，依據外方位的數據能夠確定攝區像的主點方位。

2）將攝區外業像控點量導入空三工程。每個控制點在每個鏡頭上要刺一個點位及以上，以此確保控制點測量的準確度，并根據刺點點位的信息，將控制點量錄入軟件模塊中。

3）在實景建模軟件中進行空中三角測量計算設置，所有傾斜攝區影像及量測的像控點均需參與運算，最終得到攝區空中三角測量成果。

4）創建實景三維模型及輸出：以前面測量的空三成果作為基礎數據創建模型，并輸出最終的實景三維模型。

5）三維模型成果展示：三維實景建模軟件可以輸出多種不同格式的三維模型成果，可直接對接國內外主流GIS平臺及設計平臺軟件。

（2）海上設施內部建模與空天一地化處理

海洋工程設施內部設備建模由激光掃描設備獲取的彩色點云成果，直接進行三維網格的構建，得到具有真實色彩的設備三維模型。

①導入點云數據。實景建模軟件支持多格式的點云數據導入。②創建三維模型：攝區模型制作的計算任務量非常大，為了提高數據處理的速度，可以將攝區分割成若干個小塊模型進行處理[5]。

5結束語

在海洋工程設施三維建模中，例如針對海洋終端周邊環境、地貌等方面的建模，如采用人工測量結合傳統的建模方式是相當困難的，而且需要花費大量的人力和物力。如采用傾斜攝影技術結合三維激光掃描技術，在項目前期就能快速采集到海洋終端的相關建模數據，利用這些數據快速建立精細的地表三維模型，有效提高海洋終端的三維建模效率，為項目前期決策提供重要參考。本文闡述的三維實景建模技術中采用的是多旋翼無人機搭載單鏡頭的航攝儀，在無人機拍攝中也可使用雙攝像技術，這樣獲得的影像數據效率會更高。

參考文獻

[1] 韓宇.三維激光掃描技術在虛擬三維校園實景模型中的應用[J].四川水泥，2014，（11）：236-237.

[2] 李暉，吳祿慎.三維激光掃描技術在虛擬現實中的應用[J].南昌大學學報（工科版），2007，29（3）：239-242.

[3] 趙典剛.基于三維激光掃描+實景建模的建筑逆向建模關鍵技術研究[D].青島：青島理工大學，2018.

[4] 張小宏，趙生良，陳豐田.基于SLAM和傾斜攝影測量的工業園區室內外一體化三維實景建模與技術應用研究[J].智能城市，2018，4（5）：54-55.

[5] 李偉哲.實景三維模型在峽谷地形中的建立[J].陜西水利，2019，（3）：139-141.