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

關(guān)鍵詞： 實景三維數(shù)字模型、傾斜攝影測量、環(huán)繞

一、項目背景

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，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)施的安全運行，加之全國各種油氣管道安全事故的頻發(fā)，油氣管道安全運行和監(jiān)管時不我待；同時我省燃?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，缺少一個規(guī)范的燃?xì)夤芫€信息統(tǒng)一管理平臺，積累了大量數(shù)據(jù)但是尚不注重數(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)測涉及內(nèi)容極其復(fù)雜，燃?xì)夤艿赖孛?、地下線路并存，涵蓋多種地貌特征，新舊線路年代跨度較長，管理對象分布區(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、管線防腐、管線施工、管線巡檢、管線應(yīng)急搶修等各個環(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)決策提供一個動態(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, 華睿誠項目管理有限公司青海分公司對“青海省油氣輸送管道電子分布圖及在線監(jiān)控系統(tǒng)項目”進(jìn)行國內(nèi)公開招標(biāo)（華睿誠公招（服務(wù)）2017-021，項目總金額400萬元），青海省地礦測繪院中標(biāo)該項目，項目通過實踐總結(jié)出利用飛馬D1000獲取管道類實景三維數(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??；對獲取的原始數(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，成果能真實有效地為精度測繪提供保證。

全景影像數(shù)據(jù)是通過360度全自動相機(jī)云臺結(jié)合超大廣角鏡頭相機(jī)進(jìn)行全方位影像獲取，在整個油氣管線的各個場站及關(guān)鍵點進(jìn)行無死角擺站拍攝，集成到系統(tǒng)平臺中，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

傾斜攝影數(shù)據(jù)采集

垂直影像

傾斜影像

空中三角測量

自動密集匹配DSM

構(gòu)建TIN模型、生成白模

3D紋理映射

實景三維數(shù)字模型

圖1實景三維數(shù)字模型生產(chǎn)工藝流程

三、油氣管道精細(xì)化實景三維建模難點

3.1油氣管道特點

本項目中涉及的油氣管道是指分布在油氣管理單位場站內(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、計量間等，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分布密集、形狀多樣。

3.2難點分析

1)場站內(nèi)油氣管道布設(shè)貼近地面，常規(guī)無人機(jī)傾斜攝影測量數(shù)據(jù)采集時由于高度和角度的限制，無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)無人機(jī)傾斜攝影測量數(shù)據(jù)采集時相互重疊遮擋產(chǎn)生視角盲區(qū)。數(shù)據(jù)處理時自動聯(lián)結(jié)為一個整體，難以區(qū)分。

3)常規(guī)用于傾斜攝影測量的無人機(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，對于管道類實景三維數(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景三維數(shù)字模型效果示例見圖2。（本項目中常規(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)及時探測并自主躲避障礙物，并增加降落保護(hù)功能，能實現(xiàn)指點飛行與智能跟隨等功能。返航功能使飛行器失去遙控信號或電量不足時自動返航并降落。

飛馬D1000配備全新的24mm（35mm格式等效）低畸變廣角相機(jī)、高精度防抖云臺相機(jī)可穩(wěn)定拍攝2000萬像素照片，機(jī)械快門和自動對焦增強(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，曝光時間設(shè)置為1秒，模式為自動。飛行高度高于被攝物體最高點5-10米，單環(huán)繞航線示意圖及場景（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)繞航線示意圖及場景見圖4。

同心柱式環(huán)繞飛行采用飛馬D1000中的“興趣點環(huán)繞”功能，環(huán)繞中心為數(shù)據(jù)采集區(qū)域中心點，曝光時間設(shè)置為1秒，模式為自動。頂層環(huán)繞航線飛行高度高于被攝物體最高點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，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“興趣點環(huán)繞”功能，環(huán)繞中心為數(shù)據(jù)采集區(qū)域中心點，曝光時間設(shè)置為1秒，模式為自動。內(nèi)層環(huán)繞航線飛行高度高于被攝物體最高點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)繞航線示意圖及場景（局部）

4)多方法融合

 對于多種建筑和管道兼有的場站類數(shù)據(jù)采集需要根據(jù)分布特點綜合應(yīng)用各種方法。整體布局應(yīng)采用自動智能航線（常規(guī)無人機(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)融合即得到場站實景三維數(shù)字模型。多方法融合航線示意圖及場景見圖6。

圖6多方法融合航線示意圖及場景

4.3注意事項

對于錯綜復(fù)雜的管道區(qū)域，無人機(jī)在指定航線飛行時必須開啟定時拍照功能，定時拍照根據(jù)飛行速度的不同調(diào)至相應(yīng)的拍照間隔時間；在手動補拍飛行時要保證勻速飛行，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。

在場站內(nèi)的特殊區(qū)域進(jìn)行環(huán)繞法進(jìn)行補拍，場站的手動直線法與管道區(qū)域的手動環(huán)繞法相結(jié)合補拍時，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,軟件會對圖片進(jìn)行大量特征點的計算提取，對獲取的特征點采用多視角匹配同名點，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。空三加密完成后，在Smart3D里面查看到整個航帶的飛行情況、解算出空三點的位置密度、每張圖片的相對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可以在Smart3D工程軟件里查看，也可以放到其它軟件里查看?？杖用芡瓿珊蟊仨毑榭窜浖馑愠鰜淼目杖用茳c是否漂移、漂移的區(qū)域是邊緣還是中心、整個空三加密點的相對位置是否正確等。如果空三加密點相對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

多個架次的不同高度的航片融合在一起時行實景三維模型建設(shè)時，空三加密就有可能不能把所有的航片計算出來，或者是計算出來空三加密點漂移等情況。這個時候就需首先創(chuàng)建多個Block，把不同航片導(dǎo)入不同的Block里面進(jìn)行空三加密?？杖用芡瓿珊螅呀馑愠鰜淼暮狡虞d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

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

2) 模型建立貼圖

空三加密、控制點刺完之后就開始模型建立貼圖。軟件通過空三加密點計算出不規(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景三維模型。將模型切分為多塊來建立，這樣可以把Smart3D計算不好的或者是水域計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實景三維的項目建設(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

無人機(jī)傾斜攝影及實景三維建模技術(shù)已得以廣泛應(yīng)用，但由于該技術(shù)采用自動化建模方式，對于細(xì)節(jié)方面的解算還存在著一些不足,是軟件無法解決的問題，本質(zhì)是對數(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，同時必要時將三維激光掃描儀獲取的點云數(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)的實景三維模型。

針對“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、智能城市等項目中得以廣泛地推廣和應(yīng)用。

依托該項目的實施，成功獲取立項青海省重點研發(fā)與轉(zhuǎn)化計劃項目（2018-SF-138），項目總投資2000多萬元。