“拍照 + 點(diǎn)云 + 傾斜攝影”結(jié)合 在輸變電三維建模過程中的應(yīng)用

梁金正

僅使用無人機(jī)拍攝自動化生成的實(shí)景三維模型存在著遠(yuǎn)觀逼真，但近看失真的問題。通常解決方法是人工添加模型貼到三維模型上。生產(chǎn)成本高且效率低下。為了解決這種矛盾，本文探討了“拍照 + 點(diǎn)云 + 傾斜攝影”空地融合生成實(shí)景三維模型。即利用無人機(jī)傾斜攝影和地面定點(diǎn)拍照的方式獲取照片資料，激光點(diǎn)云進(jìn)行實(shí)時建模，利用該空地兩類照片資料以及點(diǎn)云生成部分通過人工添加同名點(diǎn)的方式進(jìn)行自動融合，最終生成高模型與位置的實(shí)景三維模型。

無人機(jī)傾斜攝影

隨著無人機(jī)航攝技術(shù)與高精度差分系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)景三維自動化建模軟件的普及，無人機(jī)傾斜攝影實(shí)現(xiàn)自動化實(shí)景三維建模的技術(shù)已成為較為成熟的技術(shù)，這種模式生成的三維模型成果應(yīng)用也越來越廣泛。

傾斜攝影測量是通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、前方、后方、左側(cè)、右側(cè) 5 個不同的角度采集影像。無人機(jī)傾斜攝影自動化實(shí)景，三維建模生產(chǎn)的三維模型成果，較為普遍的應(yīng)用就是傾斜實(shí)景三維模型進(jìn)入各種信息系統(tǒng)，成為各種信息三維表達(dá)的位置參考和屬性掛接載體。由于信息采集不到位，大部分單獨(dú)使用無人機(jī)傾斜攝影自動化生成的實(shí)景三維模型在近地表視角會發(fā)生模型體凹凸甚至失真。為了解決這種矛盾，建模單位多采用將實(shí)景三維建筑模型體單體化的方式使模型逼真，但是由于坐標(biāo)數(shù)據(jù)和模型紋理數(shù)據(jù)的采集與處理均需要大量的外業(yè)和內(nèi)業(yè)工作，這不僅使工作量大，而且周期較長，建模效率大大降低。

“地面拍照 + 激光雷達(dá) + 傾斜攝影”空地融合自動化實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維建模的解決方案，可以將空中與地面視角拍攝的照片優(yōu)勢互補(bǔ)，滿足遠(yuǎn)觀近看的瀏覽需求。利用無人機(jī)傾斜攝影照片和地面定點(diǎn)拍照的照片進(jìn)行空地融合，然后通過高密度、高精度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)反映點(diǎn)位的三維坐標(biāo)，經(jīng)過自動或人工交互處理，把非地形目標(biāo)上的點(diǎn)云進(jìn)行分類、濾波或去除，構(gòu)建不規(guī)則二角網(wǎng)，快速提取 DEM，最后生成高精度實(shí)景三維模型。該技術(shù)具有獲取數(shù)據(jù)真實(shí)、精度高、速度快的特點(diǎn)和優(yōu)勢，可以真實(shí)映射我們所處的世界三維環(huán)境。

空地融合實(shí)景三維建模解決方案

本方案流程是： 早晨（光照不符合航飛作業(yè)，此時可以進(jìn)行像控點(diǎn)布測）不進(jìn)行作業(yè); 在10點(diǎn)至3點(diǎn)光照合適時進(jìn)行低空高分辨率無人機(jī)傾斜航拍; 在進(jìn)行航飛時，飛行過程留一人進(jìn)行監(jiān)控，剩下的人員進(jìn)行目標(biāo)建筑物地面定點(diǎn)拍照。

內(nèi)業(yè)運(yùn)用該傾斜航片配以實(shí)測地面像控點(diǎn)進(jìn)行高精度區(qū)域網(wǎng)傾斜空中三角測量，形成帶真實(shí)坐標(biāo)的高精度傾斜空三成果; 同時利用地面定點(diǎn)拍攝的照片進(jìn)行無控制空中三角測量，形成不帶真實(shí)坐標(biāo)的空三成果; 接著運(yùn)用添加連接點(diǎn)的方式，將兩臺電腦中無坐標(biāo)的地面空三成果配準(zhǔn)到高精度傾斜空三成果中。最后自動進(jìn)行空地融合區(qū)域網(wǎng)空三平差解算，隨后結(jié)合定點(diǎn)激光點(diǎn)云生成的高精度坐標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)，最后獲得實(shí)景三維模型。

■無人機(jī)傾斜航拍

無人機(jī)傾斜攝影一般采用DJI多旋翼無人機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行，飛前利用已有的參考資料（ 地形圖、影像圖、DEM 等） 進(jìn)行航線的規(guī)劃和像控點(diǎn)設(shè)計(jì)，保證航飛的有效與安全。

無人機(jī)搭載5鏡頭相機(jī)一次曝光可獲取地面5個方向的高清晰度照片。無人機(jī)上搭載RTK系統(tǒng)，能實(shí)時記錄曝光點(diǎn)位置信息，配合GNSS 連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)模擬虛擬基站數(shù)據(jù)，通過后差分解算獲取照片曝光時刻的準(zhǔn)確空間位置，減少地面控制點(diǎn)的同時，大大提高后續(xù)區(qū)域網(wǎng)空三攝影精度，保證基礎(chǔ)資料可靠性。

要求： 片成果數(shù)據(jù)、PPK 數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)數(shù)量一致;航片色調(diào)基本一致、細(xì)部紋理清晰、對比度及曝光量適當(dāng)，無條帶、色斑等缺陷。

■地面定點(diǎn)拍照

拍照法則： 多角度、高重疊、高分辨率。拍照方法： 圍繞目標(biāo)建筑物四周，等間距逆時針或順時針拍照; 相鄰兩個拍照點(diǎn)正對目標(biāo)物拍照的照片保證有60%重疊;每個拍照點(diǎn)拍 3 張照片，3 張照片內(nèi)每張照片夾角小于 15°。

■激光點(diǎn)云提取數(shù)字高程數(shù)據(jù)DEM

激光點(diǎn)云技術(shù)最主要的數(shù)據(jù)產(chǎn)品是高密度、高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)直接反映點(diǎn)位的三維坐標(biāo)。

通過自動或人工交互處理，把人射到植被、房屋、建筑物等非地形目標(biāo)上的點(diǎn)云進(jìn)行分類、濾波或去除，然后構(gòu)建不規(guī)則二角網(wǎng)TIN，就可以快速提取 DEM。

機(jī)載激光雷達(dá)優(yōu)化技術(shù)提取的地面三維坐標(biāo)，滿足高精度影像微分糾正的需要，使得數(shù)字正攝影像圖（DOM）的生產(chǎn)變得相當(dāng)容易，無需使用數(shù)字?jǐn)z影測量昂貴的專業(yè)數(shù)據(jù)處理平臺，在一般的遙感圖像處理系統(tǒng)中即能實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。

激光雷達(dá)具有穿透植被的能力，可以測量植被覆蓋下的地形。適合做高精度地形測量與工程勘測，以及對精度要求很高的工程測量應(yīng)用。

■區(qū)域網(wǎng)傾斜攝影與地面照片

本方案采用多視角相機(jī)鏡頭獲取多角度影像，通過全自動化后期處理軟件 Bentley Contextcapture 快速獲取城市實(shí)景三維模型。

首先無人機(jī)航拍照片數(shù)據(jù)整理后，在區(qū)域網(wǎng)空三攝影軟件中創(chuàng)建一個測區(qū)block 1，導(dǎo)入航片數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后進(jìn)行像控點(diǎn)刺點(diǎn)，后進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)多鏡頭聯(lián)合平差傾斜空三攝影，得到帶真實(shí)坐標(biāo)的傾斜成果。

采用普通數(shù)碼相機(jī)或智能手機(jī)拍攝獲取地面照片，然后使用 Bentley Contextcapture 進(jìn)行基于多視照片的三維重建。

首先將地面定點(diǎn)拍照的照片清除廢片后，然后在區(qū)域網(wǎng)攝影軟件中創(chuàng)建一個測區(qū) block 2，導(dǎo)入照片進(jìn)行地面照片空三攝影解算，得到無坐標(biāo)的地面照片攝影成果。

■添加連接點(diǎn)

在 block 1 中，在兩類空地照片同一目標(biāo)建筑上同名位置選取每個墻面至少3個點(diǎn)作為同名連接點(diǎn)，選點(diǎn)時選取在地面照片上容易找到并合理分布的點(diǎn)，然后進(jìn)行刺點(diǎn)，并截圖保留點(diǎn)位圖; 最后導(dǎo)出這些連接點(diǎn)作為 block 2 的控制點(diǎn)。

在block 2中，把 block 1中的連接點(diǎn)作為控制點(diǎn)導(dǎo)入攝影平臺，根據(jù)保留的點(diǎn)位圖進(jìn)行刺點(diǎn)，然后選擇剛性配準(zhǔn)運(yùn)行空三解算。此時 block 1與block 2 就通過刺入的連接點(diǎn)做了匹配，使得 block 2 具有跟block 1 相同的坐標(biāo)位置信息。

■空地融合創(chuàng)建實(shí)景三維模型

將經(jīng)過兩個block 1測區(qū)與block 2測區(qū)的成果進(jìn)行合并，然后創(chuàng)建新的生產(chǎn)項(xiàng)目，提交生產(chǎn)生成空地融合后的實(shí)景三維模型。此時生成的實(shí)景三維模型具有傾斜三維模型的上空效果，也具有接近地面視角的效果，尤其在高樓建筑物的通道方面，鏤空的部分無須進(jìn)行人工處理。

在三維輸電線路計(jì)平臺里線路走廊三維實(shí)景呈現(xiàn)可交互、可量測的方式進(jìn)行展示，為變電站選址、輸電線路優(yōu)化選線、斷面圖快速生成、桿塔排桿、桿塔線路三維立體、三維輸電線路設(shè)計(jì)成果輸出、輸電線路全過程機(jī)械化施工方案編制、施工管理、輔助運(yùn)維檢修等工作提供有效的數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)手段。

準(zhǔn)確、精細(xì)的三維實(shí)景模型是三維設(shè)計(jì)平臺工作的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，傾斜攝影測量和激光雷達(dá)測量在三維建模有很大的技術(shù)優(yōu)勢。

目前，國內(nèi)外針對三者的結(jié)合應(yīng)用研究較少。通過探討傾斜攝影，拍照和點(diǎn)云測量技術(shù)融合的方法，來實(shí)現(xiàn)對實(shí)景三維模型進(jìn)行精細(xì)化建模的要求。