实景三维建模技术在房屋承灾体调查中的应用

王莹莹 崔小芳

引言

近些年，我国饱受自然灾害的侵袭，人民生命财产安全频频受到威胁。2018年10月10日召开的中央财经委员会第三次会议，提出要针对关键领域和薄弱环节，部署实施灾害风险调查和重点隐患排查等9项重点工程。第一次自然灾害综合风险普查就是全面提高国家自然灾害防治能力的重要基础性工作之一。

2019年四川凉山州木里县发生森林火灾，造成27名森林消防队员和3名地方干部群众牺牲；2008年汶川特大地震造成69227人遇难，17923人失踪，直接经济损失8451亿元；1998年发生在长江、嫩江、松花江等江河流域的特大洪水，受灾面积达3.18亿亩地，受灾人口2.23亿，倒塌房屋685万间，直接经济损失达1660亿元。频频发生的自然灾害对人民的生活造成很大的影响，给国家带来不可估计的损失。房屋建筑是与人民生命财产安全关系最为密切的承灾体(图1），因此自然灾害综合风险普查房屋承灾体工作势在必行。

图1 汶川大地震中倒塌的房屋

全国自然灾害风险普查房屋承灾体调查工作

针对我国目前房屋建筑存量底数不清、抗震设防整体状况不明的情况，开展全国自然灾害综合风险普查房屋承灾体调查工作，形成相对完备的房屋承灾体数据库，实现房屋承灾体隐患评估和综合风险评估，为政府合理规避灾害风险，全面提高房屋承灾体抗灾减灾能力，有效保障人民生命财产安全提供基础数据。

传统的房屋承灾体调查信息收集方法在人力、物力、时间上耗费大且数据质量无法保证。目前农村房屋分散，且存在比较多的空心村或者仅留下老人在家，陌生人敲门警戒心比较强，有的会大门紧闭，调查效率低，工作难度大。无人机航测可以实现大范围房屋建筑采集，后期不仅可以得到三维模型，而且具备精确的坐标信息和丰富的纹理信息。所以提出将实景三维建模技术与房屋承灾体调查工作相结合，充分利用实景三维建模技术的优势，确保房屋承灾体调查工作按时保质完成。

传统调查方法与问题

自然资源灾害综合风险普查房屋承灾体调查工作按照国家统一标准，在含有全国房屋建筑空间位置和矢量数据的工作底图上，依托乡镇基层力量，通过第三方技术培训，在软件系统上开展房屋建筑信息调查，软件系统界面见图2，调查内容包括基本信息、建筑信息、抗震设防信息、使用情况四部分，这四部分的细化内容见表1。

图2 全国房屋建筑和市政设施调查系统图

表1 房屋承灾体调查系统细化数据表

这些细化数据的准确性会直接影响系统平台对于每个房屋的抗震设防等级和承受自然灾害能力的后续计算，若数据质量无法保证真实正确会导致本项工作失去意义。对未来部署各种自然灾害风险应对措施极为不利。

总的来看传统调查方法存在以下问题和难点。

一是乡镇基层调查人员工作能力参差不齐，对于电子产品运用、技术掌握的熟练程度和理解水平也有差异，即使是集中培训配合单独教学，提供的数据质量也天差地别，使得数据质量难以保证，调查从业者的人为因素给数据质量带来很大的不确定性。

二是调查工作量大面广，情况复杂。有些区域的房屋建筑物需要进行新增，乡镇基层调查人员在操作移动端时图斑勾勒与实地不一致；有的乡镇基层调查人员工作专业度不够，系统信息未按照规范填写，出现漏写、错写、不规范的情况；有的街道相对较窄、常年无人居住的情况下，图斑数量无法确定、照片的拍摄质量无法保证。

三是数据校核难度大。在检核阶段，需要把问题反馈给乡镇整改，由于乡镇基层调查人员直接面对群众，人员数量少，工作任务多，无法及时进行整改，导致工作推进难度大，工期得不到保证。

实景三维建模技术及应用

实景三维建模技术操作方法比较灵活，可以按照工作范围的大小对施工工艺和施工机械进行选择。它的工作原理是由无人机搭载着多方位相机从多个角度采集影像数据(图3、图4），获取要素的纹理数据和定位信息，然后通过软件转化成可视、可分析的信息，再根据需要进行信息提取，因其精度高、还原度高、可视化、效率高、操作方便受到各行业的青睐。

图3 无人机机器

图4 无人机飞行使用的相机

一、技术优势

和传统调查作业相比，实景三维建模技术具有数据采集精度高、多角度、可视化、自动化的优势。

实景三维建模技术通过无人机搭载高精度的定位设备采集倾斜影像，以及地面控制点的辅助，经软件计算自动生成模型，模型数据在制作过程中其平面和高程误差可控制在5cm之内，在计算机的三维模型界面对全景实景图像进行深度处理可直接在图像上量测高度、宽度、坡度和面积，达到大比例尺地图的精度要求。

实景三维建模技术运用的无人机可搭载各种类型的相机，在处理拍摄数据时能够根据航拍倾斜影像，自动生成高分辨的、带有逼真纹理贴图的三维模型。这种模型是100%的真实现状，可以缩小、放大及360°旋转，效果逼真，反映出场地起伏、原有道路、原有基坑、原有建筑、原有景观绿化及已有水电接驳设施等信息，带给人身临其境之感，能还原真实世界的完整面貌，实现全要素覆盖的可视化效果。

目前市场上辅助无人机完成相片采集的软件有DJI GO, Litchi, Pix4Dcapture等可供挑选，制作实景三维建模的软件有很多，比如Smart3D，3DSM PRO, 3DMAX，Autodesk Photo scan Editor,David等，软件对于建模技术人员要求不高，基于清晰度好的相片，通过垂直与倾斜影像的全自动联合空三加密，即可全自动化纹理映射，并构建三维模型。

二、应用分析

房屋承灾体调查工作的目标对象是所有的房屋建筑，包括城镇房屋和农村房屋。我国房屋建筑具有数量底数大，分布地域广的特点，实景三维建模技术能够完美地契合这些特点；利用无人机飞行可以高效、快速地获取房屋建筑的空间信息和实景数据，大大提高工作效率，节约成本。实景三维建模技术在房屋承灾体调查工作具体流程见图5。

图5 实景三维建模技术在房屋承灾体调查工作的流程图

1.数据获取

数据采集首先需要设计无人机的飞行航线。通过RTK对野外控制点进行复核，核查它的坐标是否准确，为无人机飞行航线的区域范围提供基础数据。无人机飞行影像的接边处理比较复杂，因此无人机设计航线会适当外扩，航飞区域内航线有20%重叠。无人机拍摄宜结合风力、云层和光照强度等因素，选取合适的天气。光线柔和、无风、能见度高的条件下拍摄的影像分辨率会比较高，大风会导致无人机飞行偏离航线；光线太强影响相机的曝光率增大，光线太暗的时候需要边飞行边调节相机参数。在同一航线及相邻航线内的飞行高度差应不大于20m，与设计航线的高度差应不大于50m(图6）。

图6 无人机飞行的航线设计

此外还需要根据房屋建筑的密集程度调节无人机的飞行高度和飞行速度。房屋比较密集时可以控制无人机进行低空低速飞行，保证每一个房屋的角落纹理都可以被采集到；房屋比较分散时，在保证精度的前提下，可适当提高飞行速度和飞行高度。当房屋高低差比较大时需要分高度、分区域进行航线设计和飞行采集。

2.建模

首先要进行坐标校准，将无人机获取的数据导入3DMAX建模软件，运用软件自动生成能够准确表现房屋细部结构、比例、面数最优的实景模型。制作过程中，软件可以对模型进行自动纹理贴图。贴图完成后人工辅助检查模型是否存在贴图错误、扭曲、色彩差异、采集漏洞等情况，经过编辑修改得到最终实景三维建模成果。实景三维建模技术的工作流程见图7。

图7 实景三维建模技术流程图

房屋建筑的纹理是否完整和真实直接影响对房屋建筑物信息数据填写的判断。对于飞行区域被树木遮挡的建筑底商等情况，需要利用人工补拍的数据，通过模型修饰对相关纹理进行替换，并做整体化处理，重点建筑要注意细节表现到位(图8）。

图8 房屋3DMAX模型

3.成果

无人机飞行时会全面覆盖该区域的房屋建筑，房屋承灾体比较密集的情况下采集的成果见图9(a），大门紧闭、无人在家的情况下采集的成果见图9(b）。实景三维建模技术还原的真实度高，精度、分辨率、清晰度、自动化程度都达到很高的水平，数据信息可视化方便交流。通过实景三维建模技术处理后的成果可以直观了解房屋承灾体的结构类型、层数，通过软件工具可以查询房屋高度和面积，获得房屋外轮廓线，截取满足国家系统平台要求的房屋正面全景照。

图9 实景三维建模技术采集的房屋承灾体照片

调查人员或检核人员通过模型成果分片区逐个对照国家系统平台上的图斑检查信息，可以减少图斑缺漏信息的情况，根据模型成果进行信息更正、图斑形状修改，即使天气条件不好的情况，调查人员或检核人员也可根据现有资料和模型成果进行系统平台的信息录入和检核，提高工作效率，避免延误工期。

结论

实景三维建模技术创造的数据能长久以电子版本保存，可进行反复查询。建模的成果可弥补传统工作方法的不足，解决因为房屋的拍摄间距得不到合规的照片、家中无人无法调查等问题，从而减少因天气不好窝工、数据判别错误外业返工 ，实现工期可控的目标。通过实景三维建模技术成果资料完善国家系统平台信息，不仅保证数据的可靠性，还可以使数据的判别有理可依，有据可查。

采用实景三维建模技术进行自然灾害综合风险普查房屋承灾体调查工作的方法可以达到减少乡镇人员工作量、保证数据准确性、可视化备查、工期可控“四赢”的局面。乡镇工作人员直接面向群众负责的事情范围广事情多，房屋承灾体调查工作又需要大量的时间来对待，因此如何减少他们的工作量同时保证数据的正确性才是根本。实景三维建模技术的成果不仅可以解决此问题，而且数据信息可视化，方便提取为后续工作提供基础。基层提交准确的数据资料减少了检核单位的反馈和审核阶段的返工工作，有利于政府部门对本区域的房屋建筑数据掌握。

综上所述，根据全国自然灾害综合风险普查房屋承灾体调查工作实际情况，结合实景三维建模技术的特点，提出基于实景三维建模技术的房屋承灾体调查工作应用，结果表明该方法提供的信息可以使软件系统平台数据正确率提高，减少野外工作环节和检核整改环节的人力、物力、时间投入，提高工作推进效率，加快工作进度，使得软件系统平台图斑数据的一致性、完整性和规范性符合国家要求，为建立完善自然灾害房屋承灾体风险隐患和减灾能力数据库以及国家、各省房屋承灾体灾害风险信息基础系统提供准确数据支撑。