基于无人机航拍的实景三维建模在消防重大安保中的应用

国家综合性消防救援队伍作为“国家队、主力军”，承担着“全灾种、大应急”的任务，其中无人机在应急救援中的应用必不可少，在消防实战和重大活动安保中发挥着重要作用，如空中巡查、火情侦查、有毒气体检测、高空喊话、夜间照明、通信中继等，其中空中巡查在消防中的应用最为广泛。无人机搭载可见光和热成像镜头，对火场区域的地表温度进行探测生成温度分布状态图，及时调配战斗员对火场区域进行扑救；无人机搭载变焦高清摄像头，对受灾区域实时监控追踪，回传精准的灾情变化情况，为指挥员提供辅助决策。目前，无人机在消防领域应用越来越广泛，笔者提出利用无人机进行多角度、多机位进行航拍，生成三维模型，通过模型直观掌握消防安保防范的重点核心区域以及消防人员和执勤车辆部署情况，进一步拓展无人机航拍在消防应急救援领域中的应用。

一、无人机倾斜摄影定义

倾斜摄影测量技术在传统摄影测量的基础上，将倾斜角度拍摄的影像参与空三运算和纹理附着，满足了大批量实景三维建模生产需求，它通过在同一个飞行器上搭载一台或多台传感器同时从多个角度获取目标区域的影像数据，与地面垂直角度拍摄获取的一组影像，称为正片，镜头朝向与地面构成一定夹角拍摄获取的影像，称为斜片，如图1。通过倾斜摄影测量，同时获得同一个位置多个不同角度的、高分辨率的影像，通过计算机对这些影像预处理，影像密集匹配自动识别同名影像点，空三求取拍摄物体的三维坐标，构建三角网络模型和纹理贴图，生成高精度的三维模型。

图1

（一）倾斜摄影航线规划

无人机航线规划软件有很多种：Altizure、DJIGsPro、DJIPilot 等，本文使用多旋翼无人机五镜头进行航拍，利用DJIPilot 进行航线规划，要求建筑区2cm分辨率。具体航线规划如下：进入DJIPilotAPP 界面，点击航线飞行，创建航线，航摄划分区域尽量为矩形，整体航线沿着划定的矩形区域长边方向敷设，点击建图航拍，进入卫星地图界面，勾选高清地图模式，检查飞行高度、返航高度和失控行为，飞行器实际需要的飞行范围要超出既定任务范围的1个航高，同时划分的区域内地形高差小于1/2 航高，检查避障系统和遥控设置，设置航高、航速、航向和旁向重叠率，当既定的航拍区域内有超过30米的建筑物时，最小相对航高应按100米加上建筑物高度计算，同时航向重叠度大于85%，旁向重叠度大于80%，所有任务设置完成后，点击开始按钮，准备执行飞行任务。如图2所示划定的航线区域。

图2

（二）航测数据加工处理

航拍后获得的影像图片需要加工处理，目前处理数据的软件主要有：德国Inpho 公司的核心产品Inpho 摄影测量系统、俄罗斯的Photoscan、法国Bentley 公司的ContextCapture、瑞士的PIX4D 等。本文使用的是ContextCapture 软件对航拍数据进行加工处理。

倾斜影像的数据处理流程为：数据的预处理、多视影像区域网联合平差、多视影像密集匹配、数字表面模型生产、三维模型的生成及真正射影像的生成与纠正，流程图如下：

图3

1.数据预处理

处理航拍相片和POS 信息数据，航拍的图片处理有：图片格式转换、对比度和曝光度调整、色彩曲线、图片降噪等。通过对图片的预处理，生成所要区域的图像，图像可以清晰地显示地物，并且层次分明、反差适中、色彩明朗、色调一致。

2.多视影像区域网联合平差

倾斜摄影获得的数据有垂直图像和倾斜图像，而部分传统空中三角测量系统主要以处理垂直图像数据为主，不能很好地处理倾斜图像，因此，采用多视影像联合平差处理倾斜摄影数据，充分考虑相片间的几何变形和遮挡关系，使得这个难题得到有效解决，通过POS数据得到的倾斜影像外方位元素，采取由粗到精的金字塔匹配策略在每一级影片上进行同名点自动匹配和区域网光束法平差，能够得到较好的同名点匹配结果。

3.多视影像密集匹配

倾斜影像覆盖范围大、分辨率高，密集匹配过程中会产生大量的冗余信息，为此，如何在匹配过程中充分考虑冗余信息，同时迅速精准获取倾斜影像上的同名点坐标，进而获取地面物体的三维信息是倾斜影像密集匹配的关键。

4.数字表面模型生产

密集匹配得到高密度真彩色点云，进一步构成TIN 三角网，形成了高精度、高分辨率的数字表面模型（DSM），采取滤波处理，空三解算出来的各倾斜影像外方位元素，分析与选择合适的影像匹配单元进行有差异的匹配融合，引入并行算法，提高计算效率，可以充分表达地形、地物起伏特征。

5.三维建模及真正射影像纠正

倾斜影像的真正射纠正是基于数字表面模型的，它可分为物方和像方同时进行，根据物方不间断的地形地貌以及离散的地物几何特点，通过轮廓提取、面片拟合、屋顶重建等方法提取物方语义信息，再由影像分割、边缘信息的获取以及纹理聚类等方法得到像方语义信息，再根据前期的匹配结果建立物方和像方的同名点对应关系，从而优化全局采样策略和考虑到几何辐射特性的联合纠正，同时对整个图像进行匀光处理，实现多视影像的真正射纠正。

二、实景三维模型在消防中的应用

消防重大安保活动是一项耗时耗力繁重而又带有政治性任务必要的工作，利用无人机对重点安保区域进行航拍实景化建模，建立可视化、立体化、数字化三维模型，便于安保执勤人员在模型上对场景进行熟悉，执勤人员、车辆装备的力量部署。本文以2020年央视中秋晚会录制现场应天门为例，以应天门为中心周围1km 为半径进行了无人机航拍，建立实景三维模型。应天门的北侧即为晚会录制现场搭建的舞台，在模型中清晰显示了消防安保执勤队站的名称，每个队站执勤所处的位置，可以添加执勤车辆、人员、消防携带装备等信息元素，制定数字化消防安保方案，相当于在实际场景中进行排兵布阵，满足了消防可视化指挥的需求，为领导在灭火救援作战中提供辅助决策参考，如图4。同时实景三维模型也可用3D 打印机按照比例缩小打印出来变成实体沙盘模型，结合消防车辆定位和单兵定位，将人车位置、轨迹在实景三维场景中进行显示。

图4

三、结语

笔者结合消防2020年央视中秋晚会录制现场消防安保的工作实际，阐述了一种基于无人机航拍进行实景三维建模的方法，针对重大安保核心区域，建立可视化、立体化、数字化的三维实景模型，在模型中编制数字化预案，实现可视化指挥的同时，给领导的辅助决策提供了可靠的数据依据。随着无人机技术的进一步发展和成熟，无人机在消防工作中的应用必将越来越深入广泛。