實(shí)景三維模型在山區(qū)滑坡防護(hù)治理中的應(yīng)用

單雨星

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京102600)

0 引言

安全是人們關(guān)注的第一要點(diǎn),近年山區(qū)滑坡事件頻頻發(fā)生。如何防治山區(qū)滑坡亦成為重要話題。本文以北京某山區(qū)項(xiàng)目為例,來(lái)闡述實(shí)景三維模型在防治山區(qū)滑坡中的重要作用。

近年來(lái),隨著傾斜攝影技術(shù)的飛速發(fā)展,如何構(gòu)建真實(shí)的三維場(chǎng)景,減少大量的人力物力,成為熱門話題,實(shí)景三維模型應(yīng)運(yùn)而出。由于其具有完整、真實(shí)以及高精度的空間信息數(shù)據(jù),實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)已成為測(cè)繪地理信息領(lǐng)域較為重要的戰(zhàn)略性資源,基于實(shí)景三維模型的地理信息應(yīng)用也越來(lái)越受重視。無(wú)人機(jī)因其高效可靠、高速靈活、低成本、高精度等優(yōu)點(diǎn)[1],采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量是目前傾斜攝影測(cè)量的發(fā)展趨勢(shì),已應(yīng)用于數(shù)字城市建模[2]、城市環(huán)境監(jiān)測(cè)[3-4]、變電站數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)[5]、無(wú)人機(jī)搭載雷達(dá)[6]和城市更新基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查[7]等。基于傾斜攝影的實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)的生產(chǎn)方式憑借其采集周期短、制作成本低、真實(shí)感強(qiáng)等特點(diǎn)已成為當(dāng)前實(shí)景三維模型領(lǐng)域最重要的數(shù)據(jù)形式[8]。本項(xiàng)目通過(guò)語(yǔ)義獲取中心(ContextCapture Center) 軟件完成山區(qū)實(shí)景三維模型的生產(chǎn),闡述了在構(gòu)建山區(qū)實(shí)景三維模型時(shí)遇到的問(wèn)題及解決辦法,以及實(shí)景三維模型的應(yīng)用。

1 傾斜攝影技術(shù)

傾斜攝影技術(shù)目前已可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)鏡頭獲取影像,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)單鏡頭單角度獲取影像的不便之處。單鏡頭獲取影像只可獲取垂直方向的地物地貌特征,對(duì)地物地貌的側(cè)面紋理則稍有欠缺,但目前傾斜攝影技術(shù)已可在同一飛行平臺(tái)的搭載下,同時(shí)安裝多個(gè)相機(jī),實(shí)現(xiàn)同一位置,不同姿態(tài),獲取地物地貌的垂直與側(cè)面紋理信息。目前實(shí)景三維模型多是采用該種辦法,進(jìn)行模型的搭建。

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是將垂直影像與傾斜影像整合到一個(gè)工程文件中,而該工程文件能實(shí)現(xiàn)該地區(qū)的地物地貌的多視向、多維度的觀察,從而實(shí)現(xiàn)二維影像的圖片數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為依托軟件展示的真實(shí)“三維”數(shù)據(jù),使得“非現(xiàn)場(chǎng)”量測(cè)和分析在傾斜影像上得以實(shí)現(xiàn)[9]。

本項(xiàng)目采用飛馬D200無(wú)人飛機(jī)對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行航攝,本項(xiàng)目所在地點(diǎn)為山區(qū),高程落差較大,航攝范圍較大。在無(wú)人機(jī)進(jìn)行航攝時(shí),應(yīng)充分考慮到測(cè)區(qū)范圍以及測(cè)區(qū)的高程落差,需結(jié)合山區(qū)最高點(diǎn)及最低點(diǎn)高程進(jìn)行航線設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目采用的是底視鏡頭為25 mm的相機(jī)焦距,傾斜鏡頭為35 mm的相機(jī)焦距,按照航攝基準(zhǔn)面優(yōu)于0.05 m進(jìn)行航線設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目航攝基準(zhǔn)面取航攝區(qū)平均海拔點(diǎn)高程,最大限度保證山區(qū)航攝像片分辨率,以獲得更清晰的原始影像。本項(xiàng)目航攝時(shí)設(shè)置參數(shù)為航向重疊度優(yōu)于80%,旁向重疊度優(yōu)于70%;航攝時(shí)充分考慮區(qū)域內(nèi)地形點(diǎn)落差問(wèn)題,保證航飛安全高度的同時(shí)也保證山區(qū)最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的像片清晰程度以保證建模精細(xì)程度;航攝時(shí)嚴(yán)格控制每條航線內(nèi)的基線長(zhǎng)度,以確保飛機(jī)速度能夠滿足相機(jī)曝光間隔要求。

本項(xiàng)目影像質(zhì)量特別強(qiáng)調(diào)影像清晰,反差適中,顏色飽和,色彩鮮明,色調(diào)一致,相同地物的色彩基調(diào)基本一致。有較豐富的層次,能辨別與地面分辨率相適應(yīng)的細(xì)小地物影像,能夠建立清晰的立體模型。影像上不應(yīng)有云、雪、煙、大面積反光、污點(diǎn)、曝光過(guò)度等缺陷。

2 實(shí)景三維模型建模

本項(xiàng)目主要基于ContextCapture Center軟件完成實(shí)景三維模型的生產(chǎn)。該軟件支持多源數(shù)據(jù)融合建模,生成高精度的實(shí)景三維模型[10]。本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)多張連續(xù)航攝影像進(jìn)行處理,得到obj、osgb等多種格式數(shù)據(jù)。在CC_S3CCompose模塊下生成索引文件,即可在ContextCapture Viewer模塊將相關(guān)的實(shí)景三維模型場(chǎng)景展示出來(lái),從而實(shí)現(xiàn)“非現(xiàn)場(chǎng)”量測(cè)和分析等操作。

實(shí)景三維模型基于ContextCapture Center軟件完成實(shí)景三維模型的生產(chǎn)技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 實(shí)景三維模型的生產(chǎn)技術(shù)流程圖

(1)數(shù)據(jù)獲取,利用無(wú)人機(jī)搭載傾斜相機(jī)獲取五鏡頭影像。

(2)數(shù)據(jù)預(yù)處理,包括影像重命名、影像調(diào)色等。對(duì)影像進(jìn)行整理并重命名,檢查影像質(zhì)量,航攝完成后可得到每張航攝影像的外方位元素?cái)?shù)據(jù),包含三個(gè)線元素及三個(gè)角元素,即Longitude(經(jīng)度)、Latitude(緯度)、Height(高程)、Omega(旁向偏角)、Phi(航向偏角)、Kappa(像片旋角)元素,整理后用于空三計(jì)算。外方位元素可通過(guò)定位定姿系統(tǒng)(position and orientation system,POS)測(cè)定。POS記錄信息與影像成果對(duì)應(yīng)一致,無(wú)缺漏和不匹配現(xiàn)象。檢查相機(jī)文件是否齊全,相機(jī)檢校文件應(yīng)包含焦距、像主點(diǎn)偏心、相機(jī)畸變參數(shù)等。

(3)基于ContextCapture Center軟件,進(jìn)行空中三角測(cè)量、密集匹配點(diǎn)云、構(gòu)建德勞奈(Delaunay)三角網(wǎng)、自動(dòng)紋理映射和實(shí)景三維建模等[11]。此時(shí)得到的實(shí)景三維模型需通過(guò)第三方軟件對(duì)模型進(jìn)行修飾,得到最終的實(shí)景三維模型成果。

空中三角測(cè)量,根據(jù)傾斜影像對(duì)應(yīng)的POS信息可以確定單張航片在空中的位置及相對(duì)位置關(guān)系,建立核線幾何條件約束下的航帶間影像點(diǎn)位置關(guān)系,采用逐級(jí)匹配策略自動(dòng)進(jìn)行像點(diǎn)連接,并進(jìn)行無(wú)約束平差計(jì)算,剔除粗差較大像點(diǎn)后,添加實(shí)測(cè)像控點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行約束平差計(jì)算,形成空三加密成果。在空三解算的基礎(chǔ)上,進(jìn)行實(shí)測(cè)像控點(diǎn)選刺,每個(gè)控制點(diǎn)應(yīng)保證在不同的鏡頭上都進(jìn)行關(guān)聯(lián),然后對(duì)像控點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步解算,可得到質(zhì)量報(bào)告。空中三角測(cè)量時(shí)應(yīng)對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行精度檢查,確保控制點(diǎn)數(shù)據(jù)的正確性;對(duì)平差計(jì)算結(jié)果進(jìn)行檢查,確保空中三角測(cè)量結(jié)果滿足實(shí)景三維模型的制作要求。

密集匹配點(diǎn)云,基于ContextCapture Center軟件,采用高精度的影像匹配算法,自動(dòng)匹配出所有影像中的同名點(diǎn),并從影像中抽取更多的特征點(diǎn)構(gòu)成密集點(diǎn)云,從而更細(xì)致準(zhǔn)確的表達(dá)地物細(xì)節(jié)。

構(gòu)建Delaunay三角網(wǎng),基于密集匹配點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建Delaunay三角網(wǎng),Delaunay三角網(wǎng)具有的空?qǐng)A特性和最大最小角特性保證其不會(huì)出現(xiàn)過(guò)于狹長(zhǎng)的三角形,從而構(gòu)成的無(wú)限逼近物體真實(shí)輪廓的模型。

自動(dòng)紋理映射和實(shí)景三維模型建模,從每個(gè)三角網(wǎng)的坐標(biāo)和方位最一致的照片中獲取紋理信息并映射至三角網(wǎng)白模進(jìn)行紋理貼圖。三角網(wǎng)格在構(gòu)建模型時(shí),具有高效、快速等特點(diǎn),所以能夠?qū)Υ竺娣e場(chǎng)景進(jìn)行形態(tài)模擬,構(gòu)建近似于實(shí)景的三維模型,從而完成傾斜攝影三維立體重建工作。

(4)實(shí)景三維模型整飾。通過(guò)自動(dòng)建模軟件獲取的數(shù)據(jù)雖然能夠滿足基本的建模要求,但對(duì)于一些重點(diǎn)區(qū)域,在模型細(xì)節(jié)及精度上仍然不能滿足需求。結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際情況,山區(qū)樹木較多且地形復(fù)雜,較易產(chǎn)生不規(guī)則漏洞、漂浮物、模型變形、紋理錯(cuò)誤等問(wèn)題,為解決上述問(wèn)題,在本項(xiàng)目中對(duì)三維建模數(shù)據(jù)采用DP Modeler、模方(ModelFun)軟件進(jìn)行進(jìn)一步的檢查和精細(xì)化修正處理。

(5)實(shí)景三維模型精度檢查。基于Context-Capture Viewer模塊,展示實(shí)景三維模型,提取實(shí)景三維模型上的對(duì)應(yīng)的控制點(diǎn)坐標(biāo),與實(shí)際獲取的控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行精度驗(yàn)證。

3 實(shí)景三維模型的應(yīng)用

3.1 為平臺(tái)搭建提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

本項(xiàng)目生成的實(shí)景三維模型,用于構(gòu)建平臺(tái)搭建。使用該平臺(tái)瀏覽相關(guān)山區(qū)數(shù)據(jù)時(shí),可直觀瀏覽山區(qū)的地物地貌特征,實(shí)現(xiàn)“非現(xiàn)場(chǎng)”量測(cè)和分析等操作。

3.2 為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查人員提供便利

本項(xiàng)目主要是用于防護(hù)治理山區(qū)滑坡工作,因而現(xiàn)場(chǎng)地物地貌的調(diào)繪尤為重要,調(diào)查人員可通過(guò)實(shí)景三維模型了解當(dāng)?shù)貙?shí)際情況,做好初步安排計(jì)劃及設(shè)計(jì)思路等。

3.3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的留存

相對(duì)比傳統(tǒng)二維像片,實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)更加直觀清晰,且在不借助其他數(shù)據(jù)的同時(shí),已經(jīng)可以獲得較多的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息,在后期數(shù)據(jù)查閱時(shí),更加便捷易懂。

3.4 可視化匯報(bào)

傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)在展示復(fù)雜節(jié)點(diǎn)防護(hù)治理方案時(shí),僅限于效果圖、現(xiàn)場(chǎng)照片等途徑,實(shí)景三維模型借助于軟件可全方位展示出所需地點(diǎn)的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景,更加直觀的、全面的展示設(shè)計(jì)方案,清晰表達(dá)出設(shè)計(jì)意圖。

4 技術(shù)難點(diǎn)

在生產(chǎn)過(guò)程中,會(huì)遇到各種方面的原因,在此就列舉一下本項(xiàng)目在生產(chǎn)三維模型時(shí)遇到的各種問(wèn)題,以及當(dāng)時(shí)的解決辦法。

4.1 模型無(wú)法重建及分層

在三維模型生產(chǎn)過(guò)程中,遇到空三計(jì)算后部分影像無(wú)法重建模型或生成的模型分層等情況,如圖2模型分層所示。

圖2 模型分層

造成這種情況的原因,可能是因?yàn)楹斤w時(shí),相機(jī)參數(shù)設(shè)置不對(duì)造成的;也可能是因?yàn)椴糠衷加跋裎恢谩⒆藨B(tài)不好造成的;亦可能是工程建立參數(shù)設(shè)置不對(duì)造成的。

因而,遇到這種情況,首先檢查航飛時(shí),相機(jī)參數(shù)是否正確;再次檢查工程設(shè)置是否出錯(cuò),在工程未出錯(cuò)情況下調(diào)整空三策略,開展多次空三計(jì)算使數(shù)據(jù)匹配度更加精確。對(duì)于存在模型數(shù)據(jù)分層情況的位置,對(duì)其增加連接點(diǎn)重新建模可以解決部分問(wèn)題,其次可在不影響模型紋理的情況下,將位置、姿態(tài)不好的航攝像片選出并剔除,對(duì)于處理后仍然模型分層的區(qū)域,采用重新航飛的方法進(jìn)行解決,成果如圖3修改后模型所示。

圖3 修改后模型

4.2 模型存在懸浮物、漏洞、色差

進(jìn)行實(shí)景三維模型建模時(shí),原始航攝數(shù)據(jù)和空中三角測(cè)量質(zhì)量會(huì)直接影響模型幾何精度和美觀程度,而由于受到飛機(jī)姿態(tài)不規(guī)范、拍攝盲區(qū)、和同名點(diǎn)匹配錯(cuò)誤等影響,所生產(chǎn)的實(shí)景三維模型會(huì)在建筑物、地面等場(chǎng)景出現(xiàn)模型空洞,特別是在模型的邊緣區(qū)域,導(dǎo)致實(shí)景三維模型中會(huì)存在無(wú)三角網(wǎng)的空洞區(qū)域,如水面等。空三加密過(guò)程,像片及POS成果的質(zhì)量問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)同名點(diǎn)匹配錯(cuò)誤,進(jìn)行紋理信息映射時(shí),對(duì)于尺寸較小的現(xiàn)狀地物也會(huì)有紋理信息丟失,導(dǎo)致形成漂浮物,如圖4修改前懸浮物圖所示。

圖4 修改前懸浮物圖

遇到這種情況時(shí),本項(xiàng)目采取的措施為:在生成.osgb格式數(shù)據(jù)的同時(shí),獲取同一位置的obj格式數(shù)據(jù),在第三方模型修改軟件中對(duì)每一塊模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改,在影像處理軟件中對(duì)存在問(wèn)題的模型紋理進(jìn)行調(diào)整,再通過(guò)ContentCapture Center軟件對(duì).osgb格式數(shù)據(jù)進(jìn)行更新,在結(jié)構(gòu)更新的過(guò)程中,紋理會(huì)自動(dòng)匹配貼圖,保證了最終模型效果。對(duì)于色差明顯的局部進(jìn)行勻光勻色處理,使其達(dá)到模型整體自然過(guò)渡的效果,成果如圖5修改后懸浮物圖。

4.3 模型紋理弱

生成的實(shí)景三維模模型出現(xiàn)模型紋理弱的情況時(shí),首先分析紋理弱的原因,本項(xiàng)目模型紋理弱的原因主要為:無(wú)人機(jī)航攝時(shí)受到季節(jié)、天氣、無(wú)人機(jī)本身參數(shù)設(shè)置的影響較大。如在冬季無(wú)人機(jī)航攝時(shí),大風(fēng)天氣無(wú)人機(jī)無(wú)法起飛;微風(fēng)時(shí),無(wú)人機(jī)機(jī)身晃動(dòng),導(dǎo)致航攝像片無(wú)法使用;落雪時(shí),無(wú)法看清地物;冬季透光率不好,導(dǎo)致背陰面的紋理不好等;夏季航攝時(shí),部分地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)被植被遮蓋等。無(wú)人機(jī)本身參數(shù)設(shè)置出錯(cuò),造成航攝影像清晰度不達(dá)標(biāo)等。生產(chǎn)的模型如圖6紋理不好模型圖所示。

圖6 紋理不好模型圖

在這種情況下,首先對(duì)這種影像進(jìn)行進(jìn)一步預(yù)處理,如調(diào)色、明暗處理等方案,在空三計(jì)算時(shí),修改設(shè)置參數(shù)等,對(duì)于處理后仍然模型紋理弱的區(qū)域,采用重新航飛的方法進(jìn)行解決,成果如圖7重飛航片后模型圖所示。

圖7 重飛航片后模型圖

4.4 不同時(shí)間段模型接邊

需在不同時(shí)間段進(jìn)行航飛工作,因天氣、季節(jié)、植被等一系列影響因素,會(huì)導(dǎo)致同一區(qū)域不同時(shí)間段航攝像片所生成的模型顏色、地物地貌皆有不同的情況出現(xiàn),因模型須在同一個(gè)場(chǎng)景下展示,因而做好不同時(shí)間段模型接邊尤為重要,圖8正常瓦片重疊度的模型圖為未做好不同時(shí)間段模型接邊時(shí)的模型效果。

圖8 正常瓦片重疊度的模型圖

在這種情況下,應(yīng)盡可能選取同樣天氣狀況下進(jìn)行補(bǔ)飛,避免出現(xiàn)較大的接邊色差;對(duì)于接邊位置植被種類不同、植被高度不同引起的模型空洞,可考慮增大模型重疊度進(jìn)行一定程度的規(guī)避,成果為圖9增大瓦片重疊度后的模型圖。

圖9 增大瓦片重疊度后的模型圖

5 結(jié)束語(yǔ)

在本次山區(qū)項(xiàng)目進(jìn)行模型重建遇到多種問(wèn)題,例如模型無(wú)法重建及分層問(wèn)題,模型存在懸浮物、漏洞、色差等問(wèn)題,模型紋理弱問(wèn)題以及不同時(shí)間段模型接邊問(wèn)題。但是針對(duì)落差大,復(fù)雜周邊環(huán)境的山區(qū),實(shí)景三維模型在山區(qū)滑坡防護(hù)治理時(shí),起到了一定的作用。例如本次北京某山區(qū)中,實(shí)景三維模型為平臺(tái)搭建提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查人員提供便利,更能做到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的留存、可視化匯報(bào)等。在本次項(xiàng)目中依舊存在著自己的局限性,例如本項(xiàng)目依靠龐大的電腦集群的支撐,對(duì)電腦的性能配置要求也較高等。