基于無人機(jī)航拍的實景三維建模在消防重大安保中的應(yīng)用

國家綜合性消防救援隊伍作為“國家隊、主力軍”，承擔(dān)著“全災(zāi)種、大應(yīng)急”的任務(wù)，其中無人機(jī)在應(yīng)急救援中的應(yīng)用必不可少，在消防實戰(zhàn)和重大活動安保中發(fā)揮著重要作用，如空中巡查、火情偵查、有毒氣體檢測、高空喊話、夜間照明、通信中繼等，其中空中巡查在消防中的應(yīng)用最為廣泛。無人機(jī)搭載可見光和熱成像鏡頭，對火場區(qū)域的地表溫度進(jìn)行探測生成溫度分布狀態(tài)圖，及時調(diào)配戰(zhàn)斗員對火場區(qū)域進(jìn)行撲救；無人機(jī)搭載變焦高清攝像頭，對受災(zāi)區(qū)域?qū)崟r監(jiān)控追蹤，回傳精準(zhǔn)的災(zāi)情變化情況，為指揮員提供輔助決策。目前，無人機(jī)在消防領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，筆者提出利用無人機(jī)進(jìn)行多角度、多機(jī)位進(jìn)行航拍，生成三維模型，通過模型直觀掌握消防安保防范的重點核心區(qū)域以及消防人員和執(zhí)勤車輛部署情況，進(jìn)一步拓展無人機(jī)航拍在消防應(yīng)急救援領(lǐng)域中的應(yīng)用。

一、無人機(jī)傾斜攝影定義

傾斜攝影測量技術(shù)在傳統(tǒng)攝影測量的基礎(chǔ)上，將傾斜角度拍攝的影像參與空三運算和紋理附著，滿足了大批量實景三維建模生產(chǎn)需求，它通過在同一個飛行器上搭載一臺或多臺傳感器同時從多個角度獲取目標(biāo)區(qū)域的影像數(shù)據(jù)，與地面垂直角度拍攝獲取的一組影像，稱為正片，鏡頭朝向與地面構(gòu)成一定夾角拍攝獲取的影像，稱為斜片，如圖1。通過傾斜攝影測量，同時獲得同一個位置多個不同角度的、高分辨率的影像，通過計算機(jī)對這些影像預(yù)處理，影像密集匹配自動識別同名影像點，空三求取拍攝物體的三維坐標(biāo)，構(gòu)建三角網(wǎng)絡(luò)模型和紋理貼圖，生成高精度的三維模型。

圖1

（一）傾斜攝影航線規(guī)劃

無人機(jī)航線規(guī)劃軟件有很多種：Altizure、DJIGsPro、DJIPilot 等，本文使用多旋翼無人機(jī)五鏡頭進(jìn)行航拍，利用DJIPilot 進(jìn)行航線規(guī)劃，要求建筑區(qū)2cm分辨率。具體航線規(guī)劃如下：進(jìn)入DJIPilotAPP 界面，點擊航線飛行，創(chuàng)建航線，航攝劃分區(qū)域盡量為矩形，整體航線沿著劃定的矩形區(qū)域長邊方向敷設(shè)，點擊建圖航拍，進(jìn)入衛(wèi)星地圖界面，勾選高清地圖模式，檢查飛行高度、返航高度和失控行為，飛行器實際需要的飛行范圍要超出既定任務(wù)范圍的1個航高，同時劃分的區(qū)域內(nèi)地形高差小于1/2 航高，檢查避障系統(tǒng)和遙控設(shè)置，設(shè)置航高、航速、航向和旁向重疊率，當(dāng)既定的航拍區(qū)域內(nèi)有超過30米的建筑物時，最小相對航高應(yīng)按100米加上建筑物高度計算，同時航向重疊度大于85%，旁向重疊度大于80%，所有任務(wù)設(shè)置完成后，點擊開始按鈕，準(zhǔn)備執(zhí)行飛行任務(wù)。如圖2所示劃定的航線區(qū)域。

圖2

（二）航測數(shù)據(jù)加工處理

航拍后獲得的影像圖片需要加工處理，目前處理數(shù)據(jù)的軟件主要有：德國Inpho 公司的核心產(chǎn)品Inpho 攝影測量系統(tǒng)、俄羅斯的Photoscan、法國Bentley 公司的ContextCapture、瑞士的PIX4D 等。本文使用的是ContextCapture 軟件對航拍數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理。

傾斜影像的數(shù)據(jù)處理流程為：數(shù)據(jù)的預(yù)處理、多視影像區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、多視影像密集匹配、數(shù)字表面模型生產(chǎn)、三維模型的生成及真正射影像的生成與糾正，流程圖如下：

圖3

1.數(shù)據(jù)預(yù)處理

處理航拍相片和POS 信息數(shù)據(jù)，航拍的圖片處理有：圖片格式轉(zhuǎn)換、對比度和曝光度調(diào)整、色彩曲線、圖片降噪等。通過對圖片的預(yù)處理，生成所要區(qū)域的圖像，圖像可以清晰地顯示地物，并且層次分明、反差適中、色彩明朗、色調(diào)一致。

2.多視影像區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差

傾斜攝影獲得的數(shù)據(jù)有垂直圖像和傾斜圖像，而部分傳統(tǒng)空中三角測量系統(tǒng)主要以處理垂直圖像數(shù)據(jù)為主，不能很好地處理傾斜圖像，因此，采用多視影像聯(lián)合平差處理傾斜攝影數(shù)據(jù)，充分考慮相片間的幾何變形和遮擋關(guān)系，使得這個難題得到有效解決，通過POS數(shù)據(jù)得到的傾斜影像外方位元素，采取由粗到精的金字塔匹配策略在每一級影片上進(jìn)行同名點自動匹配和區(qū)域網(wǎng)光束法平差，能夠得到較好的同名點匹配結(jié)果。

3.多視影像密集匹配

傾斜影像覆蓋范圍大、分辨率高，密集匹配過程中會產(chǎn)生大量的冗余信息，為此，如何在匹配過程中充分考慮冗余信息，同時迅速精準(zhǔn)獲取傾斜影像上的同名點坐標(biāo)，進(jìn)而獲取地面物體的三維信息是傾斜影像密集匹配的關(guān)鍵。

4.數(shù)字表面模型生產(chǎn)

密集匹配得到高密度真彩色點云，進(jìn)一步構(gòu)成TIN 三角網(wǎng)，形成了高精度、高分辨率的數(shù)字表面模型（DSM），采取濾波處理，空三解算出來的各傾斜影像外方位元素，分析與選擇合適的影像匹配單元進(jìn)行有差異的匹配融合，引入并行算法，提高計算效率，可以充分表達(dá)地形、地物起伏特征。

5.三維建模及真正射影像糾正

傾斜影像的真正射糾正是基于數(shù)字表面模型的，它可分為物方和像方同時進(jìn)行，根據(jù)物方不間斷的地形地貌以及離散的地物幾何特點，通過輪廓提取、面片擬合、屋頂重建等方法提取物方語義信息，再由影像分割、邊緣信息的獲取以及紋理聚類等方法得到像方語義信息，再根據(jù)前期的匹配結(jié)果建立物方和像方的同名點對應(yīng)關(guān)系，從而優(yōu)化全局采樣策略和考慮到幾何輻射特性的聯(lián)合糾正，同時對整個圖像進(jìn)行勻光處理，實現(xiàn)多視影像的真正射糾正。

二、實景三維模型在消防中的應(yīng)用

消防重大安保活動是一項耗時耗力繁重而又帶有政治性任務(wù)必要的工作，利用無人機(jī)對重點安保區(qū)域進(jìn)行航拍實景化建模，建立可視化、立體化、數(shù)字化三維模型，便于安保執(zhí)勤人員在模型上對場景進(jìn)行熟悉，執(zhí)勤人員、車輛裝備的力量部署。本文以2020年央視中秋晚會錄制現(xiàn)場應(yīng)天門為例，以應(yīng)天門為中心周圍1km 為半徑進(jìn)行了無人機(jī)航拍，建立實景三維模型。應(yīng)天門的北側(cè)即為晚會錄制現(xiàn)場搭建的舞臺，在模型中清晰顯示了消防安保執(zhí)勤隊站的名稱，每個隊站執(zhí)勤所處的位置，可以添加執(zhí)勤車輛、人員、消防攜帶裝備等信息元素，制定數(shù)字化消防安保方案，相當(dāng)于在實際場景中進(jìn)行排兵布陣，滿足了消防可視化指揮的需求，為領(lǐng)導(dǎo)在滅火救援作戰(zhàn)中提供輔助決策參考，如圖4。同時實景三維模型也可用3D 打印機(jī)按照比例縮小打印出來變成實體沙盤模型，結(jié)合消防車輛定位和單兵定位，將人車位置、軌跡在實景三維場景中進(jìn)行顯示。

圖4

三、結(jié)語

筆者結(jié)合消防2020年央視中秋晚會錄制現(xiàn)場消防安保的工作實際，闡述了一種基于無人機(jī)航拍進(jìn)行實景三維建模的方法，針對重大安保核心區(qū)域，建立可視化、立體化、數(shù)字化的三維實景模型，在模型中編制數(shù)字化預(yù)案，實現(xiàn)可視化指揮的同時，給領(lǐng)導(dǎo)的輔助決策提供了可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。隨著無人機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和成熟，無人機(jī)在消防工作中的應(yīng)用必將越來越深入廣泛。