基于倾斜摄影测量技术的三维建模在油田规划中的应用

杨风学

大庆油田工程有限公司

随着我国经济的快速发展，对基础建设的需求也日益增大，与之相应的高精度三维测量工程建设的力度也在不断地加强。各城市基础地理信息的普及和迅速发展，使三维建模在城市和油田规划中得到越来越广泛的应用。传统地形图中等高线和DEM等对地形的描述正逐渐被高精度的三维模型数据库所取代。

随着自动控制技术、航空遥感测绘技术、GPS定位导航技术和无线电通信等技术的发展，无人机倾斜摄影技术已经成为三维建模数据获取的重要手段。通过无人机设备携带高精度倾斜摄影系统实现数据获取，并结合后端专业的软件信息处理系统，使其具有一键处理、快速成图、专业精度、全区域处理等功能，从而快速完成测区全景拼接图、DSM、DOM全自动生产及快速建模，生成测区三维景观，对三维场景进行漫游及量测分析，利用航飞影像数据，拼接成全区域大图，更加直观、清晰地得到标准化成果，为进一步的数据分析和利用奠定基础。

空间信息技术在工业领域的促进作用越来越受到人们的关注，包括降低成本、提高效率、模式拓展、产品创新等方面；而与之同步的是，油田的信息化不但在生产管理、安全保障、可视化展示中得到应用，而且在现势数据采集、规划研究、虚拟设计和辅助决策等方面发挥越来越重要的作用。油田站场数字化管理平台以地理信息技术为核心，以油田基础地理数据为基础，在平台上集成设备、站间管道、站内管道、文档等数据，为管理提供辅助设计、辅助分析、POI等管理工具[1]。由于建立的是充分反映站场现实状况的仿真三维模型，其难度在于如何保证高精度数据的获取，海量数据的同场景显示、展示仿真效果等，所以三维可视化平台不但要有业务数据、GIS数据作为基础，也需要合适的三维显示平台，以达到预期的展示目标。以某油田厂区倾斜摄影三维建模项目为例，利用倾斜摄影数据来构建三维精细模型，结合基础地理空间数据（油田设施属性数据、地理实体数据、影像数据、高程数据、地名地址数据等），叠加规划结果及规划其他专题等数据，充分利用三维GIS技术和影像特征，集成RS、GIS与虚拟仿真技术，开发三维规划辅助决策支持系统，为油田建设规划提供决策依据，提高规划决策的合理性和准确性。

1 无人机倾斜摄影测量系统

无人机倾斜摄影系统是在同一个飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直、多个倾斜角度来采集影像。在一段时间内，飞机连续拍摄几组照片并保持一定的图像重叠，使同一地物可以在多张相片上被找到，以便内业人员可以更容易地对建筑物的结构进行分析，并从中选择最清晰的一张照片来进行纹理的制作[2]。本项目采用BN-6无人机搭载双相机倾斜模块，相机型号为SONY QX1，根据往返航线进行倾斜摄影。该无人机携带有GNSS模块并利用PPK模式进行定位，在飞行结束后结合地面站数据可以获得高精度的POS数据，用于后期数据的处理。

2 基于倾斜摄影的三维建模

构建倾斜影像三维模型的关键技术包括倾斜影像数据预处理、空中三角测量、多视影像密集匹配、纹理映射和纹理遮挡监测等技术。倾斜影像数据的预处理主要是预处理航片影像数据和POS数据。航片影像数据预处理包括格式转换、曝光调整、白平衡编辑、对比度调整、降噪、色彩曲线等数据的处理；POS数据是定向定位的数据(包括GPS数据、IMU数据等)[3]。空中三角测量是依据航空像片上量测的像点坐标，根据最小二乘法原理，以少量的地面控制点作为平差的条件，使用严格的数学模型，快速解算影像的定向以及对地面点进行加密。影像匹配是通过某种匹配算法识别两个或多个图像之间的同名点的过程。由于倾斜影像是多视图像并且包含非常丰富的信息量，因此可以在多个图像之间获得更多图像匹配结果。纹理映射是将纹理空间中的纹理像素映射到屏幕空间中的像素的过程，其实质是建立从屏幕空间到纹理空间以及从纹理空间到场景空间的两种映射关系。城市建筑物的密度较高且各个建筑物之间参差不齐，由于倾斜摄影本身的特性，容易阻挡住图像的侧面纹理。另外，纹理信息存在于倾斜图像中并且包含大量冗余信息。为了生动地对三维地物的模型进行重建，还需从影像中提取真实地物的纹理信息。在剔除错误纹理信息时，可采用纹理遮挡探测、纹理提取的方法来解决问题。倾斜摄影三维建模流程见图1。

图1 倾斜摄影三维建模流程Fig.1 3D-modeling flow of oblique photography

生产过程主要包括以下几个步骤:确定测区范围、对测区进行划分、无人机航拍、像控测量、影像数据预处理，自动三维建模、模型细化、模型拼接、模型优化、模型导入平台及平板等[4]。

测区划分:由于多旋翼无人机在航飞时续航能力有限，因此有必要对测区进行划分，但是在分区时需要合理地划分测区，降低图像的色差，减少图幅接边的次数，便于后期的数据处理[5]。

由于最终成果要结合其他资料使用，以及考虑到模型需要进行接边等因素，在进行像控点测量时可以采用CGCS2000坐标系，布设时像控点在各测区要均匀分布并保证模型连接处每条边起码有2个像控点。

影像数据预处理：对像片进行除雾、匀光调色等方面的处理，确保最终成果没有色差并减弱空气中雾霾等因素对影像数据的影响。

三维模型重建:使用三维建模软件，将影像数据导入，输入POS数据，添加像控点，从而对影像数据进行三维建模。

模型精修：由于分辨率不足或其他原因会导致少量模型贴图变形或者拉花，可以通过相应软件对不合格的模型贴图进行调整以满足项目的需要。

模型拼接:在三维模型构建时已添加了像控点，因此生成模型的坐标系为CSCS2000平面坐标系，在拼接时需要先对分区模型进行裁剪，剔除贴图不足的部分，然后再对模型进行接边。

成果优化:由于倾斜摄影技术是使用多边形贴图的方式，数据量较大，因此还需要对成果进行相应的优化。

3 倾斜摄影三维模型的应用

基于倾斜摄影三维模型、结合地理信息构建的三维数字油田规划系统，规划人员能在虚拟油田环境中完成三维景观浏览、地理信息查询、空间分析（图2）等，实现油田建设辅助规划设计、方案评价、规划管理等，显著提高规划工作效率[6]。

图2 基于三维模型的油田规划系统空间分析Fig.2 Spatial analysis of oilfield planning system based on 3D modeling

三维实景可视化不仅是规划区域现实数据的简单再现，还可以整合各类信息（如地形地貌、地下电缆、通信光缆、供水供热管网分布图等），利用信息化优势为专业资源的应用提供全面、集成、具有预见性的呈现和分析，并通过数据信息的集成对现有设计方案进行深入模拟仿真，进行油田模拟规划，完成建筑设计中的可行性模拟，实现智能化决策。三维GIS已经能够利用计算机和标准的软件系统来完成各种逼真的图形显示与处理，且能集成和操纵实时三维图形、声音与视频数据等多媒体信息，从而可望借助于仿真的视、声和力学感应等，为终端用户创造一个能实时漫游的虚拟现实环境（图3）。

图3 三维实景可视化油田规划示意图Fig.3 3D real scene visualization image of oilfield planning

在本项目中构建的三维数字城市规划系统实现的主要功能有：整体地形环境展示、待拆迁建筑的空间测量与分析、规划方案对比、指标对比、建筑模拟调整等，为厂区拆迁改造及地区设计提供了直观高效的三维数据支持，使规划设计人员对实体空间尺度的把握更为准确，提高了规划设计的科学性。

4 成果分析

此次无人机倾斜摄影三维建模项目完成了1个区块的三维建模，建模精度优于0.05 m，侧面纹理清晰可见。在厂区改造项目中，传统模式与倾斜摄影三维建模对比见表1。实践证明，三维建模结合无人机倾斜摄影技术可以为厂区改造及地区设计提供强大而有力的数据支撑，极大地减少了外业的工作量。

表1 传统模式与倾斜摄影三维建模对比Tab.1 Comparison between traditional model and oblique photography in 3D modeling

5 结束语

面对油田生产区块建设的快速发展和旧区改造与日俱增的需求，油田规划和建设部门的工作量日益增加，对规划设计部门的要求也越来越高。利用先进的计算机可视化技术可以提高规划设计部门的专业性和劳动效率。利用先进成熟的三维可视化技术并结合倾斜摄影测量技术建立的三维规划辅助系统可提高油田规划设计水平和效率。随着三维虚拟软件技术的不断发展，在一定的软件环境中，利用DEM、DLG和DOM数据构建小型油田站库的三维模型已非难事，三维辅助规划系统已成为一种新的规划设计手段并得到逐步的推广，并在一些项目中进行了尝试，取得了较好的效果。