無人機建模及VR技術在滅火救援數字化預案中的應用研究

李恒

摘要：對利用無人機建模、全景圖技術和VR技術制作滅火救援數字化預案的方法進行研究，并對VR技術制作數字化預案的優缺點及應用進行討論。

關鍵詞：滅火救援；數字化預案；VR技術；傾斜攝影三維建模

消防救援隊伍專業化、職業化的發展對基層消防救援站制作滅火救援預案的科學性提出了更高的要求，深化利用VR（虛擬現實）技術制作數字化預案，有利于提升預案的直觀性、可操作性，方便學習使用。目前，基層消防救援隊伍多用全景相機拍攝建筑各部位全景圖，之后通過phpstudy軟件合成帶UI的exe文件方式制作全景圖預案，此方法方便查看建筑內部重點部位情況，但也具有無法移動視角、無法全方位體現單位整體情況、力量部署圖依舊是傳統方式制作插入、無法快速修改等缺點。距離真正的VR技術仍有一些差距。

無人機傾斜攝影建模技術的迅速發展使得利用VR技術制作三維數字化預案成為可能，本文研究一種無人機建模結合全景圖的方法制作VR預案。通過無人機對消防安全重點單位進行5個角度傾斜攝影，建立重點單位三維模型，三維模型可作為電子沙盤，在上面快速布置滅火救援力量，無人機無法拍攝到的室內通過在模型上設置超鏈接的方式連接到全景圖，制作完成的三維預案可通過二維碼分享，利用手機、平板等電子設備查看。通過Unity3D或虛幻4等引擎，結合VR設備制作出的VR預案可使基層消防救援站指戰員在虛擬現實場景身臨其境地熟悉各滅火救援重點部位。

1 無人機建模及VR技術制作滅火救援數字化預案的方法

1.1? 通過無人機進行傾斜攝影并拍攝室內全景圖

本文使用無人機為大疆精靈4Pro V2.0，利用Altizure或DJI Pilot等第三方無人機控制手機App進行自動傾斜攝影，以Altizure為例，進入App后選擇自動航拍，將建模區域框選，選擇飛行高度，使用需注意開啟坐標糾偏，點擊右下角勾開始任務，無人機將自動飛行拍照，飛完五條線路后完成拍攝（見圖1）。拍攝較大區域可中途保存任務。

無人機傾斜攝影需注意以下幾點：①禁飛區需提前一周向空軍申請空域，并與當地治安部門及機場塔臺做好溝通協調。②航線拍攝航向影像重疊度75%以上，旁向重疊度70%以上。③盡量選擇光照均勻時段進行拍攝，重點部位可手動補拍細節照片，提高建模精度。④照片切勿導入PS等圖像處理軟件中進行任何修改。⑤拍攝前按照需求精度設定焦距和拍攝距離，可按以下公式計算：影像精度（m/像素）×焦距（mm）×圖像的最大尺寸（像素）=傳感器寬度（mm）×拍攝距離（m）⑥完成建筑外部拍攝后，通過全景相機進行室內重點部位全景圖拍攝。本文使用設備為得圖F4 PLUS。

1.2? 通過照片建立三維模型

將拍攝完的照片導入Agisoft Metashape（Photoscan）或Context Capture等軟件中生成三維模型。以Agisoft Metashape為例（見圖2）。

在工作流程中選擇添加照片，選中傾斜攝影拍攝的建筑照片進行添加，選擇對齊照片，照片對齊后，可以看見每個照相點位置，可以刪除不要的照片，確定建模區域，之后依次選擇建立密集點云、生成網格、生成紋理，每運行完一步后保存，選擇下一步流程運行，在彈出的選項中選擇質量，質量越高建立的模型精度越高，消耗內存越大，運行時間越長。運行完這幾步后三維模型生成完成，選中文件－導出選項可導出為obj或fbx等通用三維模型格式。運行完成后的三維模型見圖3。

此軟件建模對電腦配置有極高要求，若電腦內存較小，可使用Context Capture軟件分多個區塊運行，或使用多臺電腦進行集群運算，使用Context Capture軟件需提前選擇生產模型格式。電腦配置較低的單位可將照片上傳至Altizure網站進行建模，免費用戶可建模照片數約為600張。

模型生成完畢后可導入Meshmixer軟件中對模型有錯誤的部分進行補洞、平整地面、貼圖修復和減面處理。

1.3? 通過三維模型和全景圖制作預案

將得圖相機拍攝的照片通過DetuStitch軟件一鍵拼接為全景圖，上傳至得圖官網（www.detu.com）制作可通過鏈接和二維碼分享的全景圖漫游，在全景圖漫游右下角選擇添加熱點（見圖4），之后選擇圖文展示（見圖5），可將預案需要的力量部署圖、水源分布圖、行車路線圖、單位內消防設施等圖表插入到全景圖漫游中。

全景圖漫游制作完成后，制作三維預案，將三維模型導出為obj格式，會得到.obj（模型文件）、.mtl（模型材質庫文件）、.jpg（模型紋理文件）三個文件，將這三個文件壓縮為zip格式上傳Altizure官網（www.altizure.cn）制作可通過鏈接和二維碼分享的三維預案。

點擊altizure網站頂部的創建項目選項（見圖6），選擇第三方模型，可上傳之前建立的建筑實景模型，也可根據需要上傳消防車、消防員、消火栓等預案中需要重點反映的自制模型。上傳完成后，待網頁處理完畢，再次選擇創建項目選項，選擇星球選項將三維模型創建為可編輯的預案。

還可以通過一些工具選項對模型的長度、面積、體積、距離等信息進行測量，可用于測量泥石流、山體滑坡、堰塞湖等災害事故現場三維模型的塌方體積、蓄水量等信息。

三維模型只能反映單位外部信息，反映建筑內部信息需插入內部全景圖，選中畫筆－標簽選項，在需要插入全景圖的部位插入標簽后，點擊簡介右邊方框，在彈出的編輯框中選擇內嵌圖標，將之前在得圖網制作的全景圖鏈接插入即可在三維模型中插入全景圖（見圖7）。

1.4? 通過Unity3D制作VR預案

VR技術可以給使用者帶來極大的沉浸感，戴上VR眼鏡就能使人感覺置身現場，現已廣泛應用于教育、醫療培訓、看房、景區漫游等行業。前文制作的單位三維模型，也可通過VR技術制作為可供人在其中漫游的預案。

在Agisoft Metashape中將模型導出為fbx格式。Unity3D右上角點擊新建選項，新建3D項目（路徑和名稱不能有中文），將建筑模型、消防車、消火栓等模型的fbx格式文件和jpg紋理文件復制到剛建立的Unity項目路徑文件夾，即可在Unity中導入模型（見圖8）。將建筑模型拖入場景中，將消防車、消火栓、供水線路模型拖入須放置的位置。

點擊上方Asset Store搜索SteamVR Plugin，導入后可使用VR插件，使用插件創建VR角色，編寫控制腳本，即可制作VR預案場景，戴上VR眼鏡即可查看（見圖9）。室內全景圖和預案相關圖表也可導入通過制作菜單查看（見圖10）。

2 無人機建模及VR技術在滅火救援數字化預案中的應用展望及優缺點

轄區“六熟悉”是一項貫穿全年的工作，任務繁重且耗時。消防體制改革后，各項工作均向專業化、職業化轉變，人員分崗位訓練、不同崗位的比武競賽成為常態，這些工作一定程度上壓縮了轄區“六熟悉”的時間，難以做到組織所有人對重點單位進行熟悉，加之消防員有時退出或調動，“六熟悉”的成果難以繼承和共享[1]。通過對轄區重點單位的建模及三維預案制作，可使熟悉成果可視化、數字化、立體化，便于在基層消防救援站繼承。制作好的三維預案可設置多個管理員共同維護，可通過二維碼快速分享到每一名指戰員手機上，方便快速查看，出警時可根據情況快速修改，快速測量各不規則部位的長度、面積、體積等參數，為指揮決策提供輔助參考，克服傳統全景圖預案難以查看單位整體細節、修改難度大、不能分享至移動設備的缺點。

Unity3D引擎制作的VR預案可使指戰員身臨其境地在虛擬現實環境中熟悉單位重點部位、消火栓位置、力量部署、供水線路等信息，方便新來的指戰員快速熟悉轄區情況。下一步可通過編寫腳本和相關功能，實現在VR環境中進行真實環境中難以設置情形的重點單位滅火救援演練。

此方法在基層消防救援站應用存在以下缺點：一是制作周期長。以松贊林寺為例，無人機航拍申請空域耗時7d，航拍耗時1d，建模耗時5d，制作三維和VR預案耗時2d，共耗時15d。二是存在一定技術需求，若軟件建出的模型存在瑕疵和精度問題需手動修改，需要一定建模知識，制作VR預案需要一定Unity3D和編程知識，須指定專人學習和制作。三是硬件要求極高，本文使用設備為戴爾precision 7740圖形工作站（I9-9980HK處理器，Quadro RTX4000顯卡，96G內存），若硬件配置較低，會出現建模失敗或成倍增加建模時間的問題。四是無人機航拍存在安全隱患，無人機航拍受天氣影響較大，突發暴雨時存在墜落傷人隱患，部分單位會棲息大量鴿子，鴿子有撞擊無人機的習性，起飛前須做好安全評估。

3 結語

本文結合消防救援工作實際，研究了一種無人機傾斜攝影建模結合全景圖制作三維及VR預案的方法，通過此方法可做出可視化、立體化、數字化的三維預案，成果便于共享、繼承，對于平時“六熟悉”，戰時輔助指揮決策具有一定意義，但基層隊伍應用此方法也存在一定困難。隨著各軟件功能模塊的進一步發展和更新，三維及VR數字化預案的制作方法將進一步簡單化、智能化，便于非專業人員使用，其他應用也將更加豐富。

參考文獻：

[1]孫春輝，成錫平.基于無人機的實景三維建模在消防中的應用[J].消防科學與技術，2018（4）：501-504.

Application of drone modeling and VR technology in fire fighting and rescue digital plan

Li Heng

（Diqing Tibetan Autonomous Prefecture Fire and Rescue Brigade， Yunnan Diqing 674400）

Abstract： The paper studies the methods of making digital fire fighting and rescue plans using drone modeling， panorama technology and VR technology， and discusses the advantages， disadvantages and applications of VR technology in making digital plans.

Keywords： fire fighting and rescue; digital plan; VR technology; 3D modeling of oblique photography