空地一体化影像三维建模技术在工程地质中的应用

0　引言

人类利用摄影影像数据来获取地物三维立体影像由来已久。随着技术D 高速发展，三维影像和模型的获取已经实现自动化，并进入数字摄影阶段。随着数字影像获取途径的多源化，三维影像和三维建模利用的数据源既包括大飞机、旋翼低空无人机倾斜摄影、机载雷达、制高点云台摄影等航空影像数据源，还包括车载移动采集设备、手持相机+定位定姿设备、地面点云采集设备、摄影全站仪等地面摄影数据源，可称为基于空地一体实景影像的三维建模技术。

 

图1　空地一体影像采集源

工程地质勘察是较传统的专业，需要不断融入新技术、新工作方法，不断突破专业限制，提质增效。三维建模技术具有很好的应用前景，通过三维地表建模技术形成的三维地表模型，能提供不同精度需求的地质体三维几何特征和遥感解译基础特征。通过无人机等航空手段获取高空实景影像，可高效获取高山峡谷工作区的影像图，且大大降低工作人员的安全风险和工作成本。

1　基于实景影像的三维建模技术

1.1　三维建模技术的主要工作内容

基于实景影像的三维建模技术的主要工作内容包括以下几个方面：

（1）连接点提取。首先是特征提取，目前多采用不变特征检测器进行；然后是进行特征匹配，即利用计算生成特征描述向量。

（2）空三解算。即建立非量测相机所拍照片与地理信息目标物体之间的数学关系。

（3）影像的密集匹配。匹配两张或者多张影像上的所有像素，获得密集点云（当存在特征点局部变形信息时，可利用外方位元素修正得到）。

（4）三角网重建。利用上述获得的密集点云进行建立。

（5）三角网优化。即网型结构使用更少的三角面，并通过格网平滑、模型修复等实现格网优化。

（6）纹理映射。将地物信息贴图或者纹理信息映射到已有三角格网上，最终生产出具有真实地物特征的三维模型。

1.2　实景影像三维建模技术软件

目前，国内外比较常用的实景影像三维建模软件主要有：Bently公司旗下的ContextCapture、Skyline旗下的PhotoMesh 6.6、Agisoft PhotoScan Professional，武汉天际航的全自动建模系统DP-Smart和倾斜摄影精细化三维建模系统DP-Modeler。这些三维建模软件可以按照数字照片地理位置定位、自动创建具有照片纹理、几乎任意尺寸的极其详尽的三维模型，并且提供多种环境背景，可帮助做出更好的工程设计、施工和运营决策。

天际航的DP-Modeler软件除了建模功能外，还与Autodesk公司合作，不仅有自动可实现单个建筑物或地物模型的单体化，还可在模型后期快速精细化修饰，与工程BIM技术无缝联接。

1.3　实景影像三维建模技术的应用优势

（1）能够反映地物周边真实情况。相对于正射影像，实景影像通过实景三维建模软件，能够将实景平面照片影像进行重建，建立实景三维模型，让用户从多个角度观察地物地貌，更加真实地反映地物的实际情况，极大地弥补了基于正射影像应用的不足。

（2）可量测单张影像图。通过配套软件的应用，可直接基于成果影像进行包括高度、长度、面积、角度、坡度等的量测。

（3）地物侧面纹理可采集。针对智慧城市应用、智慧城市地下管廊建设和工程地质灾害调查，利用航空摄影大规模成图的特点，加上从实景影像批量提取及纹理映射的方式，能够有效降低三维建模成本。

（4）易于网络发布。三维GIS技术应用的三维数据一般是相当庞大的、通过应用实景三维建模技术获取的三维模型，其数据格式可采用成熟的技术快速进行网络发布，为实现共享应用提供重要的技术支撑。

2　三维建模技术在地质勘察行业中的应用现状与展望

近几年，随着无人机技术的不断成熟与应用的不断深入，基于空地一体实景影像的三维建模技术在多个行业中的应用优势也越来越显著。

无人机倾斜摄影系统能够方便快捷地对工程区进行影像数据采集、数据传输及三维建模等一系列数据处理和分析，并根据结果对项目是否按设计要求及工程进度施工进行动态监测，快速核实各单体工程的施工完成情况。一方面，可以实时了解项目进展，减少因缺少监控造成的因施工指标问题造成的资金流失等问题的发生；另一方面，通过影像数据比对分析、其他地质勘察数据辅助，较准确地发现地质灾害危险源，及时做出对应的预案和防治措施，降低因地质问题带来的工程经济损失，保证工程能够保质、按计划完成。无人机在地质行业的广泛应用，让地质由“陆军”变为“空地一体化联合作战军”。

2015～2017年这几年间，国内越来越多的地质研究机构企业公司陆续将无人机技术应用在地质勘测、地质灾害动态监测等相关方面。

2015年，中国电建集团成都勘测设计研究院将无人机技术与三维建模技术很好地融合应用到西藏某水电规划工程地质勘察工作中；2016年7月，宜昌市地质环境监测站采购大疆悟Inspire 1 PRO低空无人机15台作为地质灾害监测应急无人机，进行地质灾害监测；2015年，四姑娘山景区启用无人机监测地质灾害点；2015年7月，西南交通大学以四川汉川县七盘沟泥石流为研究对象，基于无人机高分影像进行灾区评价因子信息提取，并采用经典的风险性评价模型，设计了基于无人机高分影像的风险评价流程，开展了风险性评价与分析试验。

3　应用案例分析

本文以某电站库岸稳定调查为例。该库岸不良地质体发育，且地形较陡、高，人工勘察的费用非常高，且非常耗时耗力。通过项目组综合比较分析，确定选用DJI大疆牌悟Inspire1 Pro无人机，搭载1个禅思X5镜头来采集影像，航飞设置的旁向重叠度和航向重叠度约为80%，航高随调查对象做相应调整，一般在50～300m范围内，影像分辨率控制在2～5cm之间。经过野外影像数据获取、室内数据处理和校正等一系列工作流程，获得的实景三维地表场景见图3。

 

图3　库岸某段实景三维地表模型

3.1　主要地质特征量测

将获取的地表三维模型加载至地质BIM分析软件中，可通过在模型的某一表面选取3个点，即可测算出该结构面的产状，量测过程和结果见图4。与此同时，通过真实影像的三维模型，还可目视解译出构造带、破裂带、节理面的个数和特性，并可量测出对应的长度、方位角等基本信息，具体见图5。

 图4　产状分析             

 图5　宽度分析

如果能圈出边坡等地质体的底面，确认高度，就可自动估算该地质体的体积，甚至是土方量、渣土量、工程量和造价等参数估算。随着模型变化，这些参数也会随着发生动态变化，对于技术和管理直观且高效。

 

图6　体积、方量分析

3.2　三维仿真场景遥感地质解译

（1）解译地质体。可以在三维场景上，结合高分辨率影像，解译不同地质体及其边界。

（2）不良地质体界线勾绘。在三维场景上可以勾绘不良地质体边界，见图7。

 

图7　不良地质体界线勾绘

（3）地形地貌分析。基于已有的密集点云生成DEM，然后利用DEM数据开展高程分带分析、地表水文分析，当影像分辨率达到2mm级别，可以实现比例尺达到1:200左右的坡度分析、高程分带、地表水文分析、洼地提取等功能。

4　结语

随着空地一体实景影像三维建模技术在地质行业的广泛应用，地质工程师可根据项目需求，逐渐适应和掌握通过无人机或其他摄影设备去辅助收集获取地质勘察信息。但同时也要求，地质工程师应熟练应用三维建模软件进行三维建模和相关数据计算、分析工作，如地形分析、地貌判释、地层界线划分，地质构造判识，滑坡、泥石流等不良地质现象的判释。

基于实景影像的三维建模技术形成的是地表模型，并非实体模型，在地表地质调查、地质环境条件勘察、高山峡谷地区的地质灾害调查等方面有着较好的应用效果和前景。只有将实景三维模型与实体地质模型相结合，才能达到水电工程勘测设计的相关要求。

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收稿日期：2018-08-24

作者简介：王超（1983-），男（彝族），贵州黔西人，云南省能源投资集团有限公司建设管理中心工程验收与项目考核部经理，博士，研究方向：水利水电工程岩土工程设计、建设工程项目管理；姚翠霞，供职于中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司；周鹏，供职于青海省第一地质矿产勘查院。