海洋工程设施三维实景建模技术研究及其应用

李建锋

摘 要 大型工程建设项目中普遍采用了三维建模技术，随着数字工厂、工程改造、容积计量和古文物保护等的市场规模的不断扩大，三维激光扫描和实景建模技术在陆地应用得到了极大的发展和提高。实景建模技术作为后起之秀，在海洋工程设施的应用比较少，本文着重对比研究分析三维激光扫描和三维实景建模技术的优缺点，研究如何使用实景三维建模技术与其他三维建模技术的结合来提高海洋工程设施的三维建模效率。

关键词 三维建模;三维实景建模;三维激光扫描;海洋工程设施

随着三维实景建模技术的发展，该技术被广泛应用于众多领域。传统建模方法主要是正向建模法，该方法主要依据设计图纸和厂家资料来完成建模工作。逆向建模法作为另一种重建方法，主要是通过三维激光扫描以及三维实景技术对已有的实体进行数字化测量，然后依据测量数据重建数字模型。本文主要通过对比正向建模和逆向建模方法的优缺点，重点研究如何使用实景三维建模技术与其他三维建模技术的结合来提高海洋工程设施的三维建模效率。

1传统建模方法的缺点

在运用传统建模方法完成建模的过程中，建模人员主要依据设计图纸和厂家资料作为建模参考依据，并依靠相应的建模软件实现建模工作，同时结合工作中形成的个人经验，运用基础的三维几何体，构建模型，经过多次反复的调整，形成最终的成果模型。运用此种建模方法，存在许多问题：

（1）需要耗费较长的时间，工作量巨大。在建模过程中，工作人员需要先大量的对平面图进行识别，读取建模所需数据，随后依据设计资料完成对应建模。在这一过程中存在着庞大的工作量，需要花费相当多的时间。

（2）对参与建模的工作人员具有较高的要求。建模人员在建模中主要依据经验进行判断与调整，这种经验的积累需要在日积月累的实践过程中才能实现。需要工作人员在实践中不断摸索、总结，反复尝试、训练。

（3）可能存在一些需要被建模的目标并没有图纸作为载体，建模人员无从知晓实物，仅仅只能依靠描述和图片，发挥主观判断进行建模工作，这就很可能引起建模的失真。

以上三点不足之处，阻碍了传统建模方法在海洋工程设施的应用，尤其是在役设施，因此我们需要在工作中不断创新，寻求新的建模方法[1]。

2三维激光扫描技术的缺点

为了克服传统建模的不足之处，逆向建模技术出现，它能够根据实体的建筑物或构筑物的实体，运用一定的设备与工具进行数据采集，随后在3D的环境下进一步运用激光点云数据构建出模型。三维激光扫描技术就是逆向建模技术的一种，它能一定程度上解决了缺少资料物体模型的重建难题，在满足模型高精度、真实感的要求下，提高了建模效率，但是依然存在着一些不足之处：

（1）激光扫描对扫描的实物有一定的要求，有一些实物难以进行扫描，就无法通过该方法实现建模。如：玻璃、水等具有透明性的实物。

（2）激光扫描对实物的尺寸大小有一定的要求，面对无法布置标志点和架设仪器的体积巨大的实物，三维激光扫描便难以实现。

（3）激光扫描需要在距离物体一定距离架设仪器，需要仪器支点，对于海上设备设施的外部扫描无法实现[2]。

3三维实景建模技术的优势

三维实景建模是逆向建模的另一种方法，它是以图像为基础，对图像实行三维重建，简单来说，它是拍摄照片的逆向过程，从二维图像转化为三维建模，所见即所得。该方法能够以数码相机为拍摄的主要工具，结合对图片的相关处理，于图像中提取三维空间所需的相关数据，并依靠这些数据完成对目标的三维重构。该技术具有极大的优势，主要表现为以下几个方面：

（1）极大削减了工作量。运用数码相机进行拍摄，能够非常迅速地收集到三维建模所需要的相关数据，通过进一步处理，能快速完成三维重建。

（2）相对而言降低了对建模工作人员的技术要求。工作人员仅仅只需掌握拍摄以及数据处理的相关技巧就能够完成建模工作。

（3）所受限制较少。运用该方法完成建模工作，既不会受到实物大小的限制，也不会受到实物状态的限制。

（4）成本较低，无须高昂的相关设备。工作人员所需的主要工具就是数码相机，若遇到较大的实物目标，如海洋工程设施的外部輪廓，可改用无人机设备。

以上优势，克服其他建模技术的不足之处，发展和推广实景建模技术，不仅仅使得空间信息从二维延伸到三维，更重要的是会给测绘领域带来变革[3]。

4三维实景建模技术结合激光扫描技术在海洋工程设施三维建模中的应用

本文以单镜头航摄为例来阐述三维实景建模技术结合三维激光扫描技术在海洋工程设施三维建模工作中应用。

总体技术路线主要包含两部分内容。其一是收集海洋工程设施现有相关资料并对其进行航空拍摄，其二是对相关数据进一步进行处理。

4.1 数据采集阶段

在数据的采集阶段，首先使用无人机多视角航空摄影技术对海洋工程设施进行多角度高分辨率影像获取。获取得到的航空影像数据不但包含高精度GNSS位置信息，同时所搭载的航摄仪经过专业的几何参数检校，能够提供准确的内方位元素，为后期构建严密的数学关系提供保障。对海洋工程设施外部目标区使用多旋翼无人机搭载专业航摄仪，采用大重叠飞行方式，以保证三维成果的质量。

对海洋工程设施内部空间，通过三维激光扫描技术进行数据采集。例如对大范围空旷内部区域，可采用静态激光扫描仪获取点云数据;对复杂内部环境，可采用基于SLAM的三维移动扫描仪获取点云数据;对于难以采集的密闭区域，可改用手持式三维扫描仪进行补充扫描获取点云数据。通过该技术获取的高密度、毫米级精度的空间点云数据，并能在三维成果中直接进行模型的测量与管理。

4.2 数据预处理阶段

数据预处理包括影像数据预处理和点云数据预处理。对影像数据的预处理：对每架次飞行获取的影像数据进行及时、认真地检查和预处理，不断调整，最终获取所需数据。所有成果进行自身质量检查合格后整理归档，得到最终航摄成果。在无人机摄影采集的影像中，影像预处理中的匀光匀色的调校及处理速度是影响影像效果的关键因素。对点云数据预处理就是对激光扫描的点云数据进行合并、分割、降噪处理等[4]。

4.3 模型创建

（1）海上设施外轮廓基于无人机数据的三维实景建模

目前能用于创建实景模型的软件不少，例如ContextCapture软件。倾斜影像数据的空中三角测量可采用实景建模软件进行，具体方法为：

1）将相机中的照片导入，并提取外方位元素以及相关的检验文件，据此摄像区空三工程相关的文件被构建出，同时，依据外方位的数据能够确定摄区像的主点方位。

2）将摄区外业像控点量导入空三工程。每个控制点在每个镜头上要刺一个点位及以上，以此确保控制点测量的准确度，并根据刺点点位的信息，将控制点量录入软件模块中。

3）在实景建模软件中进行空中三角测量计算设置，所有倾斜摄区影像及量测的像控点均需参与运算，最终得到摄区空中三角测量成果。

4）创建实景三维模型及输出：以前面测量的空三成果作为基础数据创建模型，并输出最终的实景三维模型。

5）三維模型成果展示：三维实景建模软件可以输出多种不同格式的三维模型成果，可直接对接国内外主流GIS平台及设计平台软件。

（2）海上设施内部建模与空天一地化处理

海洋工程设施内部设备建模由激光扫描设备获取的彩色点云成果，直接进行三维网格的构建，得到具有真实色彩的设备三维模型。

①导入点云数据。实景建模软件支持多格式的点云数据导入。②创建三维模型：摄区模型制作的计算任务量非常大，为了提高数据处理的速度，可以将摄区分割成若干个小块模型进行处理[5]。

5结束语

在海洋工程设施三维建模中，例如针对海洋终端周边环境、地貌等方面的建模，如采用人工测量结合传统的建模方式是相当困难的，而且需要花费大量的人力和物力。如采用倾斜摄影技术结合三维激光扫描技术，在项目前期就能快速采集到海洋终端的相关建模数据，利用这些数据快速建立精细的地表三维模型，有效提高海洋终端的三维建模效率，为项目前期决策提供重要参考。本文阐述的三维实景建模技术中采用的是多旋翼无人机搭载单镜头的航摄仪，在无人机拍摄中也可使用双摄像技术，这样获得的影像数据效率会更高。

参考文献

[1] 韩宇.三维激光扫描技术在虚拟三维校园实景模型中的应用[J].四川水泥，2014，（11）：236-237.

[2] 李晖，吴禄慎.三维激光扫描技术在虚拟现实中的应用[J].南昌大学学报（工科版），2007，29（3）：239-242.

[3] 赵典刚.基于三维激光扫描+实景建模的建筑逆向建模关键技术研究[D].青岛：青岛理工大学，2018.

[4] 张小宏，赵生良，陈丰田.基于SLAM和倾斜摄影测量的工业园区室内外一体化三维实景建模与技术应用研究[J].智能城市，2018，4（5）：54-55.

[5] 李伟哲.实景三维模型在峡谷地形中的建立[J].陕西水利，2019，（3）：139-141.