三维实景建模在水利工程中的应用

2020-07-30万凯，王硕，李炳

山东水利 2020年6期

关键词：赵王实景航拍

万凯，王硕，李炳

（济南市水利建筑勘测设计研究院有限公司，山东济南 250101）

实施智慧水利的基础是构建实景三维模型。三维实景建模是一种运用数码相机对现有场景进行多角度环视拍摄，然后进行后期缝合的一种三维虚拟展示技术。

山东省水利工程众多，水工建筑物种类全面，结合本次研究的目的，选定济南市赵王闸作为实验对象。

1 赵王闸概述

赵王闸位于济南市历城区小清河北岸孟家村以西，2013年8月建成，双开孔敞开式钢筋混凝土结构，平板钢闸门，卷扬式启闭机，闸门尺寸4.25m×3.8m，闸底板高程18.04m。赵王闸占地面积0.4hm2，周边地势平坦，闸区结构复杂，能够代表一般的水闸结构形式，适合作为本次的建模对象。

主要任务目的是验证整个建模流程的可用性，然后推广到复杂大场景中，利用块区组装生产大范围的自然地貌实景模型，通过增加像控点对位置对象进行约束，提高建模精度。

2 外业数据采集

2.1 无人机航拍设备

本次航拍使用4prortk无人机，相对传统的固定翼飞行器有更高的安全系数和作业灵活度，具有高精度GNSs系统，采用DRTK实时差分定位技术，提供厘米级定位系统，能够保证航线精度和飞行姿态稳定，减少飞行高度变化对影像间比例尺的影响，进行免像控作业精度可达厘米级。系统提供卫星原始观测值与相机曝光文件，支持PPK后处理，不受限于通信链路与网络覆盖，作业更加灵活高效。相机组件为1inc2000万像素CMOS传感器。机械快门可以在高速飞行拍摄时消除果冻效应，有效避免画面失真。畸变数据存储于每张照片的元数据中，可以使用后期处理软件进行针对性调整。

2.2 规划航线

使用无人机自带地面站软件，新建飞行任务，选择倾斜摄影并在卫星地图上规划布置飞行轨迹，设置飞行高度36m、相机俯仰角度45度、旁向重叠度70%以及航向重叠度80%后，然后程序自动计算出飞行速度3.5m/s，并且布设5条航，全方位多角度拍摄测区。

为保证重叠度，本次拍摄区域的实际拍摄面积6609.45m2，总航线长度3425m，总航点64个，拍摄照片552张，执行任务时间21.8min。

2.3 检查数据完整性

对无人机航拍生产的数据分别从质量上和数量上进行初步检查，对航拍不能覆盖到的闸区细部进行手动补充拍摄，对逆光曝光不足的照片调整曝光到合适值。为了提高建模速度，在保证建模精度的前提下，可以适当降低照片分辨率，这里批量修改照片分辨率到75%，质量90%，从而使数据量大大降低，处理效率提升明显。

3 模型重建

3.1 硬件平台及软件平台

三维实景建模对计算机运算能力要求高，尤其是图形处理器GPU的处理速度，另外内存大小也直接影响模型重建的作业时间。计算机工作站采用Corei7-8750H@2.20GHz中央处理器，显卡GeForceGTX1060（6GB），内存64GB（DDR42666MHz），固态硬盘 MZVLW256HEHP，HM370芯片组，操作系统Windows10专业版64位（DirectX12）。

软件的选择决定模型生成的质量。通过实践比较，发现ContextCapture能更好地适应水利工程建筑物三维实景建模的特点，在处理水面、扭面等特殊表面上有更大的优势。

3.2 ContextCapture实景建模

1）POS信息设置。将无人机拍摄的5条航线倾斜影像和后期手动补拍细部结构总共609张图片放置于同一个文件夹下备用，运行ContextCaptureMaster套件新建工程，设置工程路径，尽量避免中文字符。导入图片，检查完善影像组信息，设置采样率，检查照片完成性，导入pos。编辑pos信息文件时，确保图片文件名跟坐标数据一一对应，保存为txt文件，文件名及路径避免使用中文字符，然后在下一页设置每个字段的对应项目。

2）运算成模。完成pos信息设置后提交空中三角测量，经过半小时运算，得到152945个自动连接点，与光线的距离rms为0.015m，可用测量数为2907个，采用wgs84坐标系。为了减少模型重建运算时间，以及考虑到最终生成模型文件的大小，需要进行必要的裁切，保留主要部位，去除周边无用场景，提高模型生产效率。

经过2个半小时的运算，模型重建完成，生成模型文件为OSGB格式，可以方便上传到云端进行分享，或者导入第三方3d软件进行编辑。

3）参数修正。由于水面等光滑反光表面出现大面积空洞塌陷，需要使用其他第三方3d软件进行修补。在重建辅助里添加曲面约束，人为添加水域位置信息，最好在外业数据采集时用RTK测绘出水面线，因在做外业时无法进入闸区内部进行实地测量，只能在卫星地图上描线，获得大致的水面范围，范围可以适当画大一点，保证跟模型能够产生交错，这一步至关重要。设置到位后，提交新的生产项目，经过漫长的计算过程，最终成功生成了水面自然闭合，曲面过度平滑的闸区三维实景模型，见图1。