基于多视角三维建模技术在存煤方量计算中的应用

黄婷婷

（福州陆海工程咨询有限公司 福建福州 350000）

1 引言

近年来，随着无人机和传感技术的不断发展，数据的获取手段及成果的表现形式多样性和专业化。目前传统的作业方法无法真实表达复杂环境的地形地貌。因此三维实景模型逐渐成为构建城市建设、货物存放等方面发挥着非常重要的作用[1]。货物的存放作为物流的一项重要工作环节，越来越重视，传统的煤场存储量计算，先用推土机对每堆进行整形，人为地推成近似梯形，再进行人工量测。此种方法盘煤工作量非常大，测量误差也较大。主要是因为人工盘煤形状非常不精准，煤形的水平面倾斜。采用GNSS 测量造成与实际存煤量的误差。如果利用无人机与三维建模技术只需采集小量平高点，即可生产高精度DSM 数据和三维模型数据。本次以华能国际电力股份有限公司福州电厂2019 年第一季度中转港库存煤方量测绘项目为实验。通过无人机多视角摄影生产三维实景成果来解决现场测绘问题。

2 多视角三维建模技术的流程和关键技术

无人机多视角影像三维建模流程分为资料收集、现场踏勘、图上航线设计、外业像控点布设、像控点采集、外业航飞、影像预处理、内业空中三角测量加密、内业数据采集、生成点云形式的DSM、纹理贴图生成模型（图1）。

图1 无人机三维建模流程图

多视角摄影测量，不仅有传统下视影像，还有大角度的倾斜影像，传统的摄影测量方式难以解决影像的畸变和遮挡问题。多视角摄影测量利用各角度航飞POS 提供的定位数据，采取从粗到细的金字塔匹配方式在每级影像上进行特征点匹配并提取连接点，再进行光束法平差。通过像控点测量，建立区域性的误差方程，联合平差，解算出较精确的外方位元素和同名点。

多视角影像密集匹配是三维建模中的关键技术。多视影像冗余严重，精确且快速找到同名点，生产高精度DSM 是其中的重点[2]。在具体匹配中，采取单一的方式是不够的。通常会采取多种方式结合，考虑若干影响因子，外加一些外界限制条件进行匹配。

3 多视角三维建模技术在存煤方量中的应用实例

3.1 数据采集硬件及数据处理软件

本次外业采用六旋翼微型无人机对原始场地地形进行三维数据采集，使用无人机航测处理软件Smart3d 进行内业航测数据处理生产三维模型，再使用Smart3d 软件测量体积功能进行的方量的计算。然后生成存放量明细图。

3.2 多视角影像采集和数据的预处理

飞行外业采集从相关经验来看，由于本测区地势比较平坦，地物落差较小为了保证影像的重叠度及的模型效果。同时基于像控点约束，满足高精度要求与效率，倾斜影像采用不同航高影像数据。采用地面分辨率2cm，相对航高150m 的影像数据与地面分辨率为4cm，相对航高200m 的影像数据进行对比。且为保障三维模型的生成效果，其航向、旁向重叠度都选用80%，经过影像数据预处理。数据预处理主要是对原始影像的挑剔，影像去噪、影像增强等，对于检校过的相机进行畸变参数改正，对于没检校的相机可用其他软件进行畸变参数检定[3]。也可以使用Smart3d 进行自由平差，输出未畸变影像，对影像过暗的情况进行匀光处理，使得后期输出影像色调基本一致。

3.3 影像自动连接点提取和像控点量测

Smart3d 的自动连接点提取是根据各影像的POS 数据，进行光束法自由平差，自动连接点提取为影像匹配中的特征匹配，寻找同名点，完成自由平差，则导入像控点进行像控点量测，选择与像控点一致的坐标系，进行位置预测。经过自由平差后的影像即可预测像控点位置，选择较为清楚部分影像进行刺点，完成后再进行一次平差，恢复影像准备外方位元素[4]。通过不同航高影像数据生产地面模型DEM。连接点的统计（见表1）。

表1 连接点统计

从表格的数据整体分析发现，随着航高的增加地面点集合中突变点于已知相控点的差值有明显增加，经两次对比不同航高的突变点的数量基本持平只是偏差绝对值相对增加。充分说明航高不同数据精度成像影响较大。建议在保证安全的情况下，飞行高度较低有助于提高影像的精度。

3.4 分瓦片完成建模获取三维模型

Smart3d 在完成连接点自动提取和像控点量测后，计算机即可对建模区域分瓦片进行三维建模。建模中会生成密集点云且完成纹理贴图。分辨率较高的影像建议使用多台电脑集群方式同时工作。三维建模过程中可以输出多种形式的测绘成果。各种格式的三维模型mesh,密集点云POINT CLOUDS,实景三维模型（图2）。

图2 煤堆实景三维模型

3.5 使用RTK 测量技术进行模型精度验算

在场内用RTK 随机采集10 个点，采集点精度（见表2）。

表2 外业检查点高程与三维模型拾取高程比较

根据规范要求高程容许中误差为±15cm，计算中误差为0.029cm。（点数＜20 个时，计算均差为中误差）高程精度满足相应要求。

3.6 三维图上直接计算存煤量与RTK 实测存煤量的比较

三维图模型图上直接量取计算地表模型DEM，地表模型DEM 的主要表现形式是不规则三角网TIN。存方量的计算主要利用TIN 进行，因此就需要把场地存放后地表DEM 生成TIN 和场地存放前生成TIN 叠加所形成交线[5]。通过计算交线区内所包围形成的封闭的体积大小。就可以计算出场地存放量。本次在Smart3d 软件三维模型图上直接点击“测量”下设体积选项，可以根据现场场地情况，直接在三维图上用特定方法输入规划区域的坐标，依次连接圈出需要计算存方量的区域，标示时可将三维视图窗口放大，选择倾斜，使点位与现场相符，位置点选完成后，形成封闭图像，三维图测量窗口显示图形周长，面积，平均高程处的存量。

三维图计算存量与RTK 实测存量对比（见表3）。

表3 三维图计算存量与RTK 实测存量对比

从表3 中的精度比较结果显示，采用无人机航测得到方量计算可以满足存煤方量测绘要求。存方量偏差率少于2%。

3.7 传统煤场存储量计算与无人机倾斜摄影三维建模技术存储量计算成本和效率对比分析

本次实验中RTK 测量方式的人工作业时间长为4 小时，无人机倾斜摄影外业人工约为1 小时，差距很明显，但是如果测区范围较大，分布较散，人工作业时间与无人机倾斜摄影会有明显的差距。无人机倾斜摄影由于外业作业时间短，相对参与人员较少。待在生产现场的人次时间较少，同时人员也不需要靠近在生产现场的危险区域，安全性最高。RTK 测量方式需要外业人员多，需要待在生产现场的人次多，同时人员必须进入生产现场的危险区域采集特征点，安全性较低。综上述可对两种方式从精确性、时效性、安全性、经济性四个方面进行比较（见表4）。

表4 两种测量方式测量存储量特征对比

由此综合可见，无人机倾斜摄影方式较适合煤场存储量测算。

4 结束语

本文采用无人机倾斜摄影构建实景三维，通过建模软件建立煤堆三维模型，实现三维模型与实景三维模型的无缝对接；使用的技术流程可用应用到场地货物存放、工程设计、工程施工、土方计算、地形测绘等为工程项目提供更准确和更有说服力的依据，进而保证成果的质量和效率。但三维建模技术还在其发展过程中仍存在一定的限制因素，模型局部和细节缺陷使得倾斜摄影测量三维模型难以满足应用要求，特别在地表不平及地形复杂的情况下有一定的局限性，需要我们不断加强对该方面的探索和研究，致力于不断提升三维建模技术在场地存放、工程设计、工程施工、土方计算、地形测绘等方面应用的工作效率。