摘要：通過實(shí)際生產(chǎn)總結(jié)出一種飛馬D1000無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)采集新方法，解決管道類實(shí)景三維數(shù)字模型數(shù)據(jù)采集難點(diǎn)問題，并提出作業(yè)過程中應(yīng)注意的步驟，具有一定的實(shí)用意義。

關(guān)鍵詞： 實(shí)景三維數(shù)字模型、傾斜攝影測(cè)量、環(huán)繞

一、項(xiàng)目背景

隨著西部大開發(fā)和天然氣等新型清潔能源開發(fā)利用力度的加大，青海省境內(nèi)油氣管道數(shù)量日益劇增，與此同時(shí)，近幾年我省經(jīng)濟(jì)建設(shè)也取得了快速發(fā)展，土地利用空間不足導(dǎo)致非法侵占、擠壓管道安全空間的問題凸顯。省安全監(jiān)督管理局管理著全省大量管網(wǎng)和設(shè)備，違章建筑嚴(yán)重影響了燃?xì)夤芫W(wǎng)及設(shè)施的安全運(yùn)行，加之全國(guó)各種油氣管道安全事故的頻發(fā)，油氣管道安全運(yùn)行和監(jiān)管時(shí)不我待；同時(shí)我省燃?xì)庑畔⒒ㄔO(shè)與外地相比還存在相當(dāng)大的差距，以往資料都是紙質(zhì)的，坐標(biāo)系統(tǒng)不一致，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，格式不統(tǒng)一，不完整，無(wú)法整體展示輸油（氣）輸送管道基本走向分布和相應(yīng)屬性信息；信息系統(tǒng)機(jī)制薄弱，缺少一個(gè)規(guī)范的燃?xì)夤芫€信息統(tǒng)一管理平臺(tái)，積累了大量數(shù)據(jù)但是尚不注重?cái)?shù)據(jù)的整理和挖掘；體現(xiàn)在：生產(chǎn)的安全管理效率低，對(duì)事故的應(yīng)急處理能力差，資產(chǎn)利用率低，輸配和管理成本高。燃?xì)夤艿腊踩O(jiān)測(cè)涉及內(nèi)容極其復(fù)雜，燃?xì)夤艿赖孛妗⒌叵戮€路并存，涵蓋多種地貌特征，新舊線路年代跨度較長(zhǎng)，管理對(duì)象分布區(qū)域廣、情況復(fù)雜、數(shù)量巨大、聯(lián)系緊密、相互影響大、管理關(guān)系復(fù)雜。

基于以上原因，建設(shè)油氣管道在線監(jiān)控系統(tǒng)體系，充分應(yīng)用信息化、智能化技術(shù)，加強(qiáng)燃?xì)獍踩芾砟芰?，在燃?xì)庑孤z測(cè)、管線防腐、管線施工、管線巡檢、管線應(yīng)急搶修等各個(gè)環(huán)節(jié)，提供全省統(tǒng)一、精準(zhǔn)的位置參考基準(zhǔn)，直觀的關(guān)系圖，為領(lǐng)導(dǎo)決策提供一個(gè)動(dòng)態(tài)的圖件，改善燃?xì)獍踩芾硇畔⒒哪芰σ哑仍诿冀蕖?/p>

經(jīng)國(guó)內(nèi)公開招標(biāo)，受青海省安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局的委托, 華睿誠(chéng)項(xiàng)目管理有限公司青海分公司對(duì)“青海省油氣輸送管道電子分布圖及在線監(jiān)控系統(tǒng)項(xiàng)目”進(jìn)行國(guó)內(nèi)公開招標(biāo)（華睿誠(chéng)公招（服務(wù)）2017-021，項(xiàng)目總金額400萬(wàn)元），青海省地礦測(cè)繪院中標(biāo)該項(xiàng)目，項(xiàng)目通過實(shí)踐總結(jié)出利用飛馬D1000獲取管道類實(shí)景三維數(shù)字建模數(shù)據(jù)的新方法,圓滿完成任務(wù)。

二、技術(shù)路線（三維數(shù)據(jù)獲取部分）

本項(xiàng)目采用傾斜攝影的技術(shù)手段來獲取地物、地表的三維數(shù)據(jù)信息，用全景相機(jī)進(jìn)行360度影像獲?。粚?duì)獲取的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過軟件處理，為本次油氣輸送管道電子分布系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復(fù)雜場(chǎng)景的全方位信息，系統(tǒng)通過高效的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理方法，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)成果能直觀反映地物的外觀、位置、高度等信息，成果能真實(shí)有效地為精度測(cè)繪提供保證。

全景影像數(shù)據(jù)是通過360度全自動(dòng)相機(jī)云臺(tái)結(jié)合超大廣角鏡頭相機(jī)進(jìn)行全方位影像獲取，在整個(gè)油氣管線的各個(gè)場(chǎng)站及關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行無(wú)死角擺站拍攝，集成到系統(tǒng)平臺(tái)中，能夠給用戶帶來身臨其境的效果。技術(shù)流程見圖1。

地面控制點(diǎn)

傾斜攝影數(shù)據(jù)采集

垂直影像

傾斜影像

空中三角測(cè)量

自動(dòng)密集匹配DSM

構(gòu)建TIN模型、生成白模

3D紋理映射

實(shí)景三維數(shù)字模型

圖1實(shí)景三維數(shù)字模型生產(chǎn)工藝流程

三、油氣管道精細(xì)化實(shí)景三維建模難點(diǎn)

3.1油氣管道特點(diǎn)

本項(xiàng)目中涉及的油氣管道是指分布在油氣管理單位場(chǎng)站內(nèi)用于輸送油氣資源的專業(yè)管道，因用途各不相同分為分輸站、熱泵站、閥室、陰保間、計(jì)量間等，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分布密集、形狀多樣。

3.2難點(diǎn)分析

1)場(chǎng)站內(nèi)油氣管道布設(shè)貼近地面，常規(guī)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)采集時(shí)由于高度和角度的限制，無(wú)法采集到貼近地面部分的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理缺乏支撐，出現(xiàn)大量拉花、空洞，嚴(yán)重的甚至無(wú)法構(gòu)建空三加密網(wǎng)。

2)各種罐體高度、形狀各有不同，間距窄小，常規(guī)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)采集時(shí)相互重疊遮擋產(chǎn)生視角盲區(qū)。數(shù)據(jù)處理時(shí)自動(dòng)聯(lián)結(jié)為一個(gè)整體，難以區(qū)分。

3)常規(guī)用于傾斜攝影測(cè)量的無(wú)人機(jī)出于安全考慮有一定的最低安全飛行高度，一般都在50—100m之間，對(duì)于管道類實(shí)景三維數(shù)字建模數(shù)據(jù)采集而言，細(xì)節(jié)丟失嚴(yán)重。

綜上原因，管道類實(shí)景三維數(shù)字模型采用常規(guī)手段采集數(shù)據(jù)獲取的模型細(xì)節(jié)模糊，紋理質(zhì)量粗糙，無(wú)法達(dá)到應(yīng)用的目的，必須改進(jìn)數(shù)據(jù)采集方法來解決問題。常規(guī)手段獲取的管道類實(shí)景三維數(shù)字模型效果示例見圖2。（本項(xiàng)目中常規(guī)方法采用的設(shè)備為飛馬D200）

圖2常規(guī)傾斜攝影測(cè)量

四、數(shù)據(jù)獲取

4.1數(shù)據(jù)采集設(shè)備

采集設(shè)備選用飛馬D1000，該設(shè)備由飛行器、遙控器、云臺(tái)相機(jī)以及配套設(shè)施組成。機(jī)身配備先進(jìn)的視覺定位及障礙物感知系統(tǒng)，在更大范圍內(nèi)及時(shí)探測(cè)并自主躲避障礙物，并增加降落保護(hù)功能，能實(shí)現(xiàn)指點(diǎn)飛行與智能跟隨等功能。返航功能使飛行器失去遙控信號(hào)或電量不足時(shí)自動(dòng)返航并降落。

飛馬D1000配備全新的24mm（35mm格式等效）低畸變廣角相機(jī)、高精度防抖云臺(tái)相機(jī)可穩(wěn)定拍攝2000萬(wàn)像素照片，機(jī)械快門和自動(dòng)對(duì)焦增強(qiáng)了飛行航拍的成像效果。最大水平飛行速度為20米/秒，最大飛行時(shí)間30分鐘。

4.2采集方法

1)單環(huán)繞法

數(shù)據(jù)采集區(qū)域范圍半徑和高度均小于15米，采用單環(huán)繞法，環(huán)繞飛行采用飛馬D1000中的“興趣點(diǎn)環(huán)繞”功能，環(huán)繞半徑5-15米，鏡頭拍攝角度設(shè)置為60-80度。環(huán)繞中心為數(shù)據(jù)采集區(qū)域中心點(diǎn)，曝光時(shí)間設(shè)置為1秒，模式為自動(dòng)。飛行高度高于被攝物體最高點(diǎn)5-10米，單環(huán)繞航線示意圖及場(chǎng)景（局部）見圖3。

此處環(huán)繞半徑和拍攝角度的選取以單像幅同時(shí)覆蓋環(huán)繞中心和采集區(qū)域最遠(yuǎn)端為宜。

圖3單環(huán)繞航線示意圖及場(chǎng)景

2)同心柱式環(huán)繞法

數(shù)據(jù)采集區(qū)域范圍半徑小于15米，高度大于15米，采用同心柱式環(huán)繞法，同心柱式環(huán)繞航線示意圖及場(chǎng)景見圖4。

同心柱式環(huán)繞飛行采用飛馬D1000中的“興趣點(diǎn)環(huán)繞”功能，環(huán)繞中心為數(shù)據(jù)采集區(qū)域中心點(diǎn)，曝光時(shí)間設(shè)置為1秒，模式為自動(dòng)。頂層環(huán)繞航線飛行高度高于被攝物體最高點(diǎn)5-10米，環(huán)繞半徑5-15米，鏡頭拍攝角度設(shè)置為60-80度，環(huán)繞半徑和拍攝角度的選取以單像幅覆蓋環(huán)繞中心即可。底層環(huán)繞航線的環(huán)繞半徑和拍攝角度與頂層環(huán)繞航線采取一致，同時(shí)兼顧以單像幅覆蓋數(shù)據(jù)采集區(qū)域最遠(yuǎn)端。中間環(huán)繞航線以距底層航線高度間距10-15米劃分，但要保證各環(huán)繞航線高度間距小于15米，環(huán)繞半徑和拍攝角度與頂層環(huán)繞航線采取一致。

圖4同心柱式環(huán)繞航線示意圖及場(chǎng)景（局部）

3)同心錐式環(huán)繞法

數(shù)據(jù)采集區(qū)域范圍半徑在15米—40米時(shí)，高度小于15米，采用同心錐式環(huán)繞法，同心錐式環(huán)繞航線示意圖及場(chǎng)景（局部）見圖5。

同心錐式環(huán)繞飛行采用飛馬D1000中的“興趣點(diǎn)環(huán)繞”功能，環(huán)繞中心為數(shù)據(jù)采集區(qū)域中心點(diǎn)，曝光時(shí)間設(shè)置為1秒，模式為自動(dòng)。內(nèi)層環(huán)繞航線飛行高度高于被攝物體最高點(diǎn)5-10米，鏡頭拍攝角度設(shè)置為60-80度，環(huán)繞半徑和拍攝角度的選取以單像幅覆蓋環(huán)繞中心即可。外層環(huán)繞航線的飛行高度高于被攝物體最高點(diǎn)5-10米，環(huán)繞半徑和拍攝角度與頂層環(huán)繞航線采取一致，同時(shí)兼顧以單像幅覆蓋數(shù)據(jù)采集區(qū)域最遠(yuǎn)端。中間環(huán)繞航線以距底層航線高度間距10-15米劃分，但要保證各環(huán)繞航線高度間距小于15米，環(huán)繞半徑和拍攝角度與頂層環(huán)繞航線采取一致。

圖5同心錐式環(huán)繞航線示意圖及場(chǎng)景（局部）

4)多方法融合

 對(duì)于多種建筑和管道兼有的場(chǎng)站類數(shù)據(jù)采集需要根據(jù)分布特點(diǎn)綜合應(yīng)用各種方法。整體布局應(yīng)采用自動(dòng)智能航線（常規(guī)無(wú)人機(jī)傾斜設(shè)備均配置），使之覆蓋全區(qū)，管道分布區(qū)域綜合應(yīng)用單環(huán)繞法、同心柱式環(huán)繞法、同心錐式環(huán)繞法采集相應(yīng)數(shù)據(jù)，最后將多元數(shù)據(jù)融合即得到場(chǎng)站實(shí)景三維數(shù)字模型。多方法融合航線示意圖及場(chǎng)景見圖6。

圖6多方法融合航線示意圖及場(chǎng)景

4.3注意事項(xiàng)

對(duì)于錯(cuò)綜復(fù)雜的管道區(qū)域，無(wú)人機(jī)在指定航線飛行時(shí)必須開啟定時(shí)拍照功能，定時(shí)拍照根據(jù)飛行速度的不同調(diào)至相應(yīng)的拍照間隔時(shí)間；在手動(dòng)補(bǔ)拍飛行時(shí)要保證勻速飛行，相鄰航帶不得少于3條且保證旁向重疊度大于65%，航向重疊大于80%；同一區(qū)域內(nèi)高層航帶與低層航帶之間的航高差不大于15m。

在場(chǎng)站內(nèi)的特殊區(qū)域進(jìn)行環(huán)繞法進(jìn)行補(bǔ)拍，場(chǎng)站的手動(dòng)直線法與管道區(qū)域的手動(dòng)環(huán)繞法相結(jié)合補(bǔ)拍時(shí)，直線航帶與環(huán)繞圈之間的航高差不得大于15米；同心圓高層環(huán)繞圈與低層環(huán)繞圈之間的航高差不得大于15米；環(huán)繞圈與環(huán)繞圈重疊的航高必須大于小圓半徑的1/3；在確保絕對(duì)安全的前提下，環(huán)繞圈盡可能小。

五、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

采用以上不同的采集方法獲取的影像數(shù)據(jù)，如何在Smart3DCaptur中進(jìn)行融合處理也是本次探索的關(guān)鍵。

5.1空三解算

在數(shù)據(jù)處理流程上，首先把各種方式采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類并導(dǎo)入到后處理軟件，并且保持文件夾的路徑為非中文路徑。在工程準(zhǔn)備完成后進(jìn)行空三解算,軟件會(huì)對(duì)圖片進(jìn)行大量特征點(diǎn)的計(jì)算提取，對(duì)獲取的特征點(diǎn)采用多視角匹配同名點(diǎn)，然后反向解算出每張圖片的空間位置還有圖片的姿態(tài)角度，從而確定圖片間的關(guān)系?？杖用芡瓿珊螅赟mart3D里面查看到整個(gè)航帶的飛行情況、解算出空三點(diǎn)的位置密度、每張圖片的相對(duì)位置還有圖片所覆蓋的范圍方位角等信息。

空三加密并不是每次都可以正確解算出來，這涉及航片的重疊度、清晰度和角度等問題，解算出來的空三加密點(diǎn)可以在Smart3D工程軟件里查看，也可以放到其它軟件里查看。空三加密完成后必須查看軟件解算出來的空三加密點(diǎn)是否漂移、漂移的區(qū)域是邊緣還是中心、整個(gè)空三加密點(diǎn)的相對(duì)位置是否正確等。如果空三加密點(diǎn)相對(duì)位置不正確或者漂移，并且漂移的區(qū)域是中心地段和重要區(qū)域，就必須重新再進(jìn)行一次空三加密。多次空三加密都未成功，可以刪除一些質(zhì)量較差、姿態(tài)較差的航片再次嘗試。如圖7為空三解算工程

圖7：空三解算工程

多個(gè)架次的不同高度的航片融合在一起時(shí)行實(shí)景三維模型建設(shè)時(shí)，空三加密就有可能不能把所有的航片計(jì)算出來，或者是計(jì)算出來空三加密點(diǎn)漂移等情況。這個(gè)時(shí)候就需首先創(chuàng)建多個(gè)Block，把不同航片導(dǎo)入不同的Block里面進(jìn)行空三加密。空三加密完成后，把解算出來的航片加載進(jìn)入，然后輸入分開算好的航片位置與姿態(tài)信息，融合起來進(jìn)行空三加密。這樣來進(jìn)行空三加密就可以解決不同架次、不同航高、不同數(shù)據(jù)源空三加密困難的問題。

1) 加入控制點(diǎn)

空三加密后開始加入控制點(diǎn)。在空三加密之后加入控制點(diǎn)還要再進(jìn)行一次空三加密，而控制點(diǎn)也可以在空三加密前就加入Block里面，這樣就無(wú)需再一次空三加密。之所以選擇空三加密后加入控制點(diǎn)，是因?yàn)檫@樣兩次空三加密所需要的時(shí)間要比加入控制點(diǎn)后空三加密的時(shí)間還要短，并且還可以通過空三加密出來的航帶信息，更快找到控制點(diǎn)在哪些圖片上，減少了刺控制點(diǎn)的時(shí)間。Smart3D提供了很多個(gè)坐標(biāo)系，這里這們以CGCS2000為準(zhǔn)。

2) 模型建立貼圖

空三加密、控制點(diǎn)刺完之后就開始模型建立貼圖。軟件通過空三加密點(diǎn)計(jì)算出不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，并且生成白模的三維模型，再通過三維模型形狀位置從航片里面選取最合適的進(jìn)行紋理的貼合，最后輸出紋理逼真的實(shí)景三維模型。將模型切分為多塊來建立，這樣可以把Smart3D計(jì)算不好的或者是水域計(jì)算出來有空洞的部分導(dǎo)出到第三方軟件里面修改編輯加工，這樣分塊就可以減少導(dǎo)出的數(shù)據(jù)量并便于融合數(shù)據(jù)、更新數(shù)據(jù)。導(dǎo)入第三方軟件，就必須重新用Smart3D導(dǎo)出OBJ格式，然后再到如3DMAX、CoModeler等軟件里面編輯修改加工，修改加工完成后再導(dǎo)入Smart3D里重新融合輸出便可以完成一個(gè)實(shí)景三維的項(xiàng)目建設(shè)。如圖8為多源數(shù)據(jù)融合后的建模效果，模型層次分明，微地貌精細(xì)度處理效果良好。

圖8：多源數(shù)據(jù)融合后的建模效果

六、工作照片

七、結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影及實(shí)景三維建模技術(shù)已得以廣泛應(yīng)用，但由于該技術(shù)采用自動(dòng)化建模方式，對(duì)于細(xì)節(jié)方面的解算還存在著一些不足,是軟件無(wú)法解決的問題，本質(zhì)是對(duì)數(shù)據(jù)源的高標(biāo)準(zhǔn)要求。比如:建筑物稠密區(qū)、環(huán)境復(fù)雜的工廠、附著于地面的微地貌等，要想提高精細(xì)度，就需要在數(shù)據(jù)源獲取方式上采用特殊的方法。因此，我們就需要用于多種采集方法相結(jié)合的模式，同時(shí)必要時(shí)將三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)做為高精度擬合數(shù)據(jù)源，最終可以生產(chǎn)出成高精細(xì)的實(shí)景三維模型。

針對(duì)“高精細(xì)度、高效率、低成本”的三維模型生產(chǎn)方法是本次探索與應(yīng)用的最終目的，它將在我們今后開展數(shù)字礦山、智能城市等項(xiàng)目中得以廣泛地推廣和應(yīng)用。

依托該項(xiàng)目的實(shí)施，成功獲取立項(xiàng)青海省重點(diǎn)研發(fā)與轉(zhuǎn)化計(jì)劃項(xiàng)目（2018-SF-138），項(xiàng)目總投資2000多萬(wàn)元。