三維建模上無人機(jī)航拍技術(shù)的作用范文

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《廣西水利水電雜志》2016年第5期

摘要：

以馱英水庫三維地形模型的制作為例，介紹了無人機(jī)低空航拍在地形圖測(cè)繪和三維模型制作中的應(yīng)用技術(shù)。根據(jù)地形圖的地物、特征線的坐標(biāo)和高程制作TIN模型的基礎(chǔ)上，疊加無人機(jī)拍攝航片制作地面立體三維模型，既能滿足工程設(shè)計(jì)要求，又能展示三維可視化立體效果。

關(guān)鍵詞：

無人飛機(jī)；航拍；三維模型；馱英水庫

1概述

三維設(shè)計(jì)經(jīng)過多年來的發(fā)展，已在各行業(yè)中廣泛使用，其中MicroStation三維軟件是國際領(lǐng)先的二維和三維CAD一體的設(shè)計(jì)軟件。在工程設(shè)計(jì)越來越激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，隨著人們對(duì)視覺要求的不斷提高，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量也提出了更高的要求，不僅需要滿足工程設(shè)計(jì)需求，提高設(shè)計(jì)的效率，同時(shí)又需要增加三維展示地面地物的貼圖渲染，以達(dá)到工程設(shè)計(jì)和產(chǎn)品展示的三維視覺雙重效果，以提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。近年來，隨著測(cè)繪科技的發(fā)展，遙控?zé)o人飛機(jī)低空航空攝影測(cè)繪技術(shù)的日趨成熟，在測(cè)繪中具有非常重要的作用，無人飛機(jī)航測(cè)通常低空飛行，受氣候條件影響較小，系統(tǒng)攜帶的數(shù)字彩色航攝相機(jī)等設(shè)備可快速獲取地表信息，獲取超高分辨率數(shù)字影像和高精度定位數(shù)據(jù)，拍攝影像清晰、分辨率高、現(xiàn)勢(shì)性好[1]，用于地形圖測(cè)繪和制作三維模型效果良好。

2應(yīng)用案例

2.1工程概況

馱英水庫位于左江一級(jí)支流明江上的二級(jí)支流公安河上，為廣西左江治旱工程馱英灌區(qū)重要的新建水源工程，地處寧明縣那堪鄉(xiāng)垌中村蒲城屯，距離寧明縣城115km，庫區(qū)上游有兩大支流，分別為馱英河和評(píng)批江，兩河匯合于上壩址上游約2km處。水庫形狀呈“Y”字形，兩岸山勢(shì)陡峭，河流狹窄，屬峽谷型水庫，水庫工程由攔河壩、溢洪道、灌溉與發(fā)電引水系統(tǒng)、電站廠房及開關(guān)站等建筑物和庫區(qū)組成。根據(jù)需要我們針對(duì)該工程壩址區(qū)域進(jìn)行三維模型制作。三維數(shù)字地形圖模型將以往采用的二維地形圖提升到了三維空間的高度，打破了空間的限制，從更高的角度去表達(dá)和分析現(xiàn)實(shí)世界，表達(dá)了各實(shí)物之間的空間架構(gòu)，而且三維數(shù)字地形圖所顯示的點(diǎn)和線都是三維的，因此用戶能夠很明確的查看兩點(diǎn)之間的折線長(zhǎng)度；也能夠在地圖上查詢某地的平面和三維坐標(biāo)；在模型上任一方向的縱向橫向斷面圖也可以很清晰的剖切出來；另外，兩個(gè)地點(diǎn)之間的水平、空間方位角，水平、縱向距離、坡度等數(shù)據(jù)的計(jì)算統(tǒng)計(jì)和查詢分析都會(huì)變得非常方便[2]。

2.2三維模型制作

2.2.1方案的比較

根據(jù)地形圖建立DTM地面數(shù)字高程模型，采用不規(guī)則三角網(wǎng)TIN約束生成地形，由于TIN模型具有精度高、速度快、效率高、容易處理斷裂線和地物特征等特點(diǎn)，所以我們采用TIN制作三維模型，在此模型上進(jìn)行三維建模貼圖渲染，對(duì)貼圖渲染我們提出了3個(gè)方案：①采用相機(jī)實(shí)地拍細(xì)部照片；②采用Google地圖影像、高空衛(wèi)片；③采用無人飛機(jī)低空拍攝。我們對(duì)上述3個(gè)方案進(jìn)行小面積試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：

（1）方案1，到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)拍困難，山高路陡，很不方便，外業(yè)工作強(qiáng)度高，而且相片糾正工作量大、難。

（2）方案2的航片、衛(wèi)片比較舊，地面很多地物都未見標(biāo)注，而且由于航線高，拍攝的航片清晰度不太理想，現(xiàn)勢(shì)性也較差，制作的三維模型效果較差。

（3）方案3無人飛機(jī)拍攝的航片，不僅現(xiàn)勢(shì)性好，地面新建地物都能如實(shí)反映，而且是低空飛行航拍，清晰度高，根據(jù)像控點(diǎn)和主要地物糾正后坐標(biāo)吻合，而且大幅減少外業(yè)作業(yè)時(shí)間和工作強(qiáng)度、減少外業(yè)數(shù)據(jù)采集的人力物力投入，提高了工作效率，為項(xiàng)目工期進(jìn)度提供了保障。經(jīng)過最后分析討論，綜合上述優(yōu)缺點(diǎn)考慮，方案3試驗(yàn)效果最好，最終采用方案3。

2.2.2方案實(shí)施

（1）高程點(diǎn)、等高線等屬性值錯(cuò)誤檢查處理。通過MicroStation三維軟件形成前視圖、側(cè)視圖、環(huán)視圖旋轉(zhuǎn)等，找出高程屬性有問題的地方，然后使用“特性”工具欄修改其屬性值，解決了二維CAD繪圖中難以發(fā)現(xiàn)等高線賦值錯(cuò)誤、高程點(diǎn)Z值與注記不一致的問題；再使用《二維地物線三維化》成果把二維線批量轉(zhuǎn)換為三維多段線，對(duì)陡坎、懸崖、道路、水系、居民地等地物和特征線分別進(jìn)行處理，達(dá)到MicroStation軟件格式需求。

（2）TIN模型制作。措施：根據(jù)地形圖點(diǎn)高程、等高線和特征線使用GEOPAK模塊生成DAT文件與TIN文件，然后對(duì)TIN文件進(jìn)行編輯修改，把處理好TIN文件渲染形成無材質(zhì)貼圖的三維地面模型，以顏色區(qū)分（如圖2），山溝、道路、河流等分色顯示。

（3）對(duì)航片影像進(jìn)行糾正拼接，建立TIN三維地面模型并疊加合成航片后的三維效果。采用Descartes模塊中的功能根據(jù)像控點(diǎn)和主要地物進(jìn)行多點(diǎn)坐標(biāo)糾正和拼接合成，再打開TIN文件，選擇合成的影像作為材質(zhì)文件，然后貼圖渲染出模型，能顯示出地面高程起伏地形變化，同時(shí)也能展示身臨其境的視覺效果（見圖3）。在該三維模型中，可在任意位置畫斷面線（見圖4），即刻繪出斷面圖，方便斷面數(shù)據(jù)的獲取和修改，可作為其它專業(yè)三維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。從圖5可看出，傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)斷面線（黑色）和三維模型設(shè)計(jì)斷面線（紅色）對(duì)比，兩線重疊，從表2斷面數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)誤差很小，確認(rèn)效果滿足工程設(shè)計(jì)精度要求。

3結(jié)語

利用當(dāng)前先進(jìn)的測(cè)繪技術(shù)，能更高效率地完成大面積庫區(qū)測(cè)繪、渠道前期選線等測(cè)繪任務(wù)，明顯降低生產(chǎn)成本和外業(yè)強(qiáng)度，縮短成圖周期，同時(shí)，低空航拍的影像清晰、分辨率高、現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)，用于制作三維模型時(shí)更加形象逼真。設(shè)計(jì)人員通過模型的仿真分析，為工程設(shè)計(jì)方案的可行性與可靠性評(píng)價(jià)提供幫助。無人機(jī)測(cè)繪是遙感領(lǐng)域用于地形測(cè)繪的新興技術(shù)，使用成本低、反應(yīng)速度快、易于移動(dòng)轉(zhuǎn)場(chǎng)，對(duì)復(fù)雜的野外測(cè)繪環(huán)境有很好的適應(yīng)力，不僅可以完成傳統(tǒng)飛機(jī)的航攝任務(wù)，而且可以進(jìn)入傳統(tǒng)手段無法覆蓋到的領(lǐng)域[1]。它機(jī)身小巧、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由人工遙控器送飛，地面工作站操控自主飛行拍攝，可靈活應(yīng)對(duì)整個(gè)航攝工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡曉曦，李永樹.無人機(jī)低空數(shù)碼航測(cè)與高分辨衛(wèi)星遙感測(cè)圖精度試驗(yàn)分析[J].測(cè)繪工程，2010，19（4）：68-70

[2]倪冬蘭，左文平.基于地形圖的三維地形圖的研究[J].城市勘測(cè).2011，8（4）：13-16

作者:黎富忠 單位:廣西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院