三维建模在新疆地质灾害预警与应急中的应用

三维建模在新疆地质灾害预警与应急中的应用

赵琛1  ,陈伟2  ,谢志刚3 ,徐亚楠4

1新疆维吾尔自治区测绘产品质量监督检验站 830002

2新疆维吾尔自治区阿克苏地区自然资源局  843000

3新疆维吾尔自治区测绘成果中心  830002

4新疆维吾尔自治区不动产登记中心 830002

摘要：实景三维是新型基础测绘标准化产品，具有直观、精度高、可量测、信息丰富、沉浸感强等特点，是新型智慧城市建设和“新基建”推进实施的重要新型空间数据基础。无人机倾斜摄影具有测绘尺度大、飞行效率高、机动灵活等优势，可以快速准确地获得高质量航空摄影数据。借助智能化的控制系统和高性能的数据处理集群，可以进行高效数据采集与实景三维模型数据生产，现已成为主流的实景三维模型生产方式。

关键词：三维建模；新疆；地质灾害预警；应急；应用

引言

基于无人机的低空摄影测量是航空摄影测量的重要补充，它具有“快速响应”的技术优势。随着无人机的技术进步和产品普及，它在摄影测量领域的应用日益深化和广阔。倾斜摄影测量技术因在三维立体建模方面的优势伴随我国城镇化的推进也取得了开放式发展。将无人机平台与倾斜相机结合的三维建模技术是当前的研究热点，它因低成本、高效快捷的生产效率在城市规划、资源开发、环境保护、地质灾害监测等方面得到广泛应用。本文通过无人机搭载的倾斜相机采集数据，用三维建模软件处理数据，得到地质灾害发生区域的三维信息，可为应急救灾提供定量和定性数据分析服务。

1三维建模技术的概述和发展

三维建模是物体的三维多边形表示，通常用计算机或者其他视频设备进行显示，一个三维模型的建立，过程包括三维原始数据的获取、去除噪声、曲面拼接、修补“洞”，最终得到一个可以在计算机上显示的具有三维特征的图片。三维建模技术的应用最早是随着计算机软件的发展而发展的，该技术产生于上20世纪50年代后期CAD、CAPP软件的开发，随后被应用到发达国家的航空和军事工业中。早期的三维建模因为其昂贵的成本和特殊曲面无法描述等缺点发展速度缓慢，但随着几次技术的创新和计算机的普及，三维建模技术逐步发展为实物建模和产品设计等能力于一身的多功能开发技术，有效节约了设计成本和设计时间。

2三维建模在新疆地质灾害预警与应急中的应用

2.1承载平台按需

作为承载实景三维成果的基础平台，其核心定位是实景三维成果的应用、共享，那么是通过什么平台来实现呢？我们认为可以是时空大数据平台、CIM基础平台或者全新的平台，这个一定程度上依赖于城市基础空间底座现状、智慧城市的顶层设计以及主体牵头建设部门[一般是自然资源局、大数据局（政数局）或者市级信息中心]。国图信息智慧城市全空间基础信息平台不仅能够满足实景三维成果应用共享的核心定位，同时也能兼容目前各个主流基础空间底座（时空大数据平台、CIM基础平台等）。

2.2实景三维模型修饰精细化

倾斜摄影自动构建的实景三维模型存在较多不足，为提升模型美观程度以及可应用性，对实景三维模型的后期编辑修饰十分必要。DP-Modeler是一款可以对三维模型进行后期修饰的软件。利用软件内工具可以实现对OBJ、OSGB格式的实景三维模型编辑修饰，通过导入空三文件以及原始影像数据，能够对人工编辑后模型纹理的重新映射。（1）水面修补。水面模型由于空三匹配不能生成密集点云会产生大量空洞或凹凸不平，导致水面四周的纹理颜色不均。通过DP-Modeler软件，删除水面四周模型碎片，将水面模型填补完整，通过Photoshop软件进行纹理编辑，生成完整、平滑、纹理过渡自然的水面模型。（2）面平整以及纹理修改。平整的道路因为移动中的车辆产生不完整的车辆模型。大型屏幕广告牌因为画面的变动导致模型表面纹理失真。建筑物的侧立面常因为遮挡等因素出现结构扭曲、纹理拉花等现象。通过对扭曲平面的压平处理可以将异常扭曲恢复，选择合适角度的相片重新映射纹理，恢复道路、广告牌、建筑物侧立面的真实样貌。

2.3航线设计

航线设计使用航线设计软件，软件可按指令生成飞行计划文件。航线设计的目的是选择最佳路径，要考虑外界环境条件和无人机的性能，要考虑相机参数、重叠度等因素。照准正下方的相机的参数是航高设计的依据。因此，要先确定出相机焦距，再计算航高。因测区地形起伏较大，为提高精度，将其分为2部分分别航测。第一部分为较平坦的区域，基准面的高程是197m，绝对航高是525m，航带长45km；第二部分为丘陵区域，基准面的高程是315m，绝对航高是643，航带长34km。倾斜摄影需要较高的影像重叠度，设计为航向重叠80%，旁向重叠70%。

2.4三维示范应用

作为实景三维成果和智慧应用之间的桥梁，基于全空间基础信息平台可以构建哪些应用呢？我们在实践过程中，也积累了包括城市规划、建设、管理全生命周期的多维度多端应用。1）规划通过城市规划助手，实现城市规划方案比对、评估以及指标分析，为规划部门日常业务开展提供支撑。2）建设通过三维地下管线平台，实现城市地下管网的立体化管理，并可提供管线综合管理、开挖模拟等能力，例如通过开挖模拟，可以帮助工程建设单位提前知晓城市地下管网分布，可避免在城市建设过程中误挖地下设施。3）管理城市管理方面依托全空间基础平台，构建了城市一网统管可视化平台、智慧园区平台、公共安全指挥调度平台等全三维应用，服务于城市精细化治理。3三维建模技术在机械测量方面应用的构思工业加工精度不断上升是一个不可改变的大趋势，而如何将检测水平也同样上升到同一水平是一个值得学者们深思的问题。就目前测量的手段方法，笔者觉得三维建模技术的逆向应用也许能解决这一问题。首先可以逆向思考三维建模的应用。一般先通过相关软件设计出产品的三维数字模型，然后应用相应的加工手段来实现该产品。同样，可以先对产品实物进行激光或相应的光感手段进行实物的三维数字建模，再和标准的三维数字模型进行虚拟空间的尺寸比对。尺寸的测量尤其是特殊尺寸，无法用一般手段检测到的尺寸进行测量。这样做的优势有：第一，通过激光或光感手段成像，可以缩小误差，光在空间中是以波的形式存在的，而波本身的数量级精度很高。第二，可以直接成像，不用再去一个点一个点的扫描，节约时间。第三，不用进行一系列的机械校准，只要能空间成像即可。第四，操作维护简单，效率高。上述测量方法的关键步骤便是如何进行实物的三维成像。现阶段人们对这种方法已经有了较大发展，在国民经济、科学研究及国防建设方面的应用均较为广泛。诸如CloudForm、FastScan等三维建模方法的出现，使得实物的三维建模不再是难事，通过简单的扫描便可以实现实物的三维建模，得到三维模型之后再和标准模型进行空间虚拟比较，便可以很方便的知道哪里有误差，而通过虚拟空间距离的计算便可以知道误差究竟有多大，这一切看似复杂的东西通过现有的软件都可以实现。

结语

地理信息数据由二维向三维快速发展，基于倾斜摄影的实景三维成果优势较为明显。自动构建的三维模型仍然存在部分问题。文章探索了贴近摄影数据和倾斜摄影数据相融合的方法，成功实现了对局部模型精细化处理的效果。因倾斜摄影与贴近摄影的时相差异导致影像数据颜色差异较大，因此对于融合前的影像匀光匀色至关重要。贴近摄影时无人机的POS精度不高，在后续对贴近摄影进行空三加密以及两套空三成果融合时，需转刺同名点，投入的人工与时间较多。三维模型的后期编辑、修饰以及人工模型的构筑工作量大，效率较低。对于较大范围区域的城市级三维模型精细化，需在精细化效果与工作量平衡。

参考文献

[1]杨国东,王民水.倾斜摄影测量技术应用及展望[J].测绘与空间地理信息,2016,39(1):13-15,18.

[2]林万荣.倾斜摄影实景三维建模技术及其应用现状分析[J].测绘与空间地理信息,2022,45(1):209-211.