无人机建模及VR技术在灭火救援数字化预案中的应用研究

李恒

摘要：对利用无人机建模、全景图技术和VR技术制作灭火救援数字化预案的方法进行研究，并对VR技术制作数字化预案的优缺点及应用进行讨论。

关键词：灭火救援；数字化预案；VR技术；倾斜摄影三维建模

消防救援队伍专业化、职业化的发展对基层消防救援站制作灭火救援预案的科学性提出了更高的要求，深化利用VR（虛拟现实）技术制作数字化预案，有利于提升预案的直观性、可操作性，方便学习使用。目前，基层消防救援队伍多用全景相机拍摄建筑各部位全景图，之后通过phpstudy软件合成带UI的exe文件方式制作全景图预案，此方法方便查看建筑内部重点部位情况，但也具有无法移动视角、无法全方位体现单位整体情况、力量部署图依旧是传统方式制作插入、无法快速修改等缺点。距离真正的VR技术仍有一些差距。

无人机倾斜摄影建模技术的迅速发展使得利用VR技术制作三维数字化预案成为可能，本文研究一种无人机建模结合全景图的方法制作VR预案。通过无人机对消防安全重点单位进行5个角度倾斜摄影，建立重点单位三维模型，三维模型可作为电子沙盘，在上面快速布置灭火救援力量，无人机无法拍摄到的室内通过在模型上设置超链接的方式连接到全景图，制作完成的三维预案可通过二维码分享，利用手机、平板等电子设备查看。通过Unity3D或虚幻4等引擎，结合VR设备制作出的VR预案可使基层消防救援站指战员在虚拟现实场景身临其境地熟悉各灭火救援重点部位。

1 无人机建模及VR技术制作灭火救援数字化预案的方法

1.1  通过无人机进行倾斜摄影并拍摄室内全景图

本文使用无人机为大疆精灵4Pro V2.0，利用Altizure或DJI Pilot等第三方无人机控制手机App进行自动倾斜摄影，以Altizure为例，进入App后选择自动航拍，将建模区域框选，选择飞行高度，使用需注意开启坐标纠偏，点击右下角勾开始任务，无人机将自动飞行拍照，飞完五条线路后完成拍摄（见图1）。拍摄较大区域可中途保存任务。

无人机倾斜摄影需注意以下几点：①禁飞区需提前一周向空军申请空域，并与当地治安部门及机场塔台做好沟通协调。②航线拍摄航向影像重叠度75%以上，旁向重叠度70%以上。③尽量选择光照均匀时段进行拍摄，重点部位可手动补拍细节照片，提高建模精度。④照片切勿导入PS等图像处理软件中进行任何修改。⑤拍摄前按照需求精度设定焦距和拍摄距离，可按以下公式计算：影像精度（m/像素）×焦距（mm）×图像的最大尺寸（像素）=传感器宽度（mm）×拍摄距离（m）⑥完成建筑外部拍摄后，通过全景相机进行室内重点部位全景图拍摄。本文使用设备为得图F4 PLUS。

1.2  通过照片建立三维模型

将拍摄完的照片导入Agisoft Metashape（Photoscan）或Context Capture等软件中生成三维模型。以Agisoft Metashape为例（见图2）。

在工作流程中选择添加照片，选中倾斜摄影拍摄的建筑照片进行添加，选择对齐照片，照片对齐后，可以看见每个照相点位置，可以删除不要的照片，确定建模区域，之后依次选择建立密集点云、生成网格、生成纹理，每运行完一步后保存，选择下一步流程运行，在弹出的选项中选择质量，质量越高建立的模型精度越高，消耗内存越大，运行时间越长。运行完这几步后三维模型生成完成，选中文件－导出选项可导出为obj或fbx等通用三维模型格式。运行完成后的三维模型见图3。

此软件建模对电脑配置有极高要求，若电脑内存较小，可使用Context Capture软件分多个区块运行，或使用多台电脑进行集群运算，使用Context Capture软件需提前选择生产模型格式。电脑配置较低的单位可将照片上传至Altizure网站进行建模，免费用户可建模照片数约为600张。

模型生成完毕后可导入Meshmixer软件中对模型有错误的部分进行补洞、平整地面、贴图修复和减面处理。

1.3  通过三维模型和全景图制作预案

将得图相机拍摄的照片通过DetuStitch软件一键拼接为全景图，上传至得图官网（www.detu.com）制作可通过链接和二维码分享的全景图漫游，在全景图漫游右下角选择添加热点（见图4），之后选择图文展示（见图5），可将预案需要的力量部署图、水源分布图、行车路线图、单位内消防设施等图表插入到全景图漫游中。

全景图漫游制作完成后，制作三维预案，将三维模型导出为obj格式，会得到.obj（模型文件）、.mtl（模型材质库文件）、.jpg（模型纹理文件）三个文件，将这三个文件压缩为zip格式上传Altizure官网（www.altizure.cn）制作可通过链接和二维码分享的三维预案。

点击altizure网站顶部的创建项目选项（见图6），选择第三方模型，可上传之前建立的建筑实景模型，也可根据需要上传消防车、消防员、消火栓等预案中需要重点反映的自制模型。上传完成后，待网页处理完毕，再次选择创建项目选项，选择星球选项将三维模型创建为可编辑的预案。

还可以通过一些工具选项对模型的长度、面积、体积、距离等信息进行测量，可用于测量泥石流、山体滑坡、堰塞湖等灾害事故现场三维模型的塌方体积、蓄水量等信息。

三维模型只能反映单位外部信息，反映建筑内部信息需插入内部全景图，选中画笔－标签选项，在需要插入全景图的部位插入标签后，点击简介右边方框，在弹出的编辑框中选择内嵌图标，将之前在得图网制作的全景图链接插入即可在三维模型中插入全景图（见图7）。

1.4  通过Unity3D制作VR预案

VR技术可以给使用者带来极大的沉浸感，戴上VR眼镜就能使人感觉置身现场，现已广泛应用于教育、医疗培训、看房、景区漫游等行业。前文制作的单位三维模型，也可通过VR技术制作为可供人在其中漫游的预案。

在Agisoft Metashape中将模型导出为fbx格式。Unity3D右上角点击新建选项，新建3D项目（路径和名称不能有中文），将建筑模型、消防车、消火栓等模型的fbx格式文件和jpg纹理文件复制到刚建立的Unity项目路径文件夹，即可在Unity中导入模型（见图8）。将建筑模型拖入场景中，将消防车、消火栓、供水线路模型拖入须放置的位置。

点击上方Asset Store搜索SteamVR Plugin，导入后可使用VR插件，使用插件创建VR角色，编写控制脚本，即可制作VR预案场景，戴上VR眼镜即可查看（见图9）。室内全景图和预案相关图表也可导入通过制作菜单查看（见图10）。

2 无人机建模及VR技术在灭火救援数字化预案中的应用展望及优缺点

辖区“六熟悉”是一项贯穿全年的工作，任务繁重且耗时。消防体制改革后，各项工作均向专业化、职业化转变，人员分岗位训练、不同岗位的比武竞赛成为常态，这些工作一定程度上压缩了辖区“六熟悉”的时间，难以做到组织所有人对重点单位进行熟悉，加之消防员有时退出或调动，“六熟悉”的成果难以继承和共享[1]。通过对辖区重点单位的建模及三维预案制作，可使熟悉成果可视化、数字化、立体化，便于在基层消防救援站继承。制作好的三维预案可设置多个管理员共同维护，可通过二维码快速分享到每一名指战员手机上，方便快速查看，出警时可根据情况快速修改，快速测量各不规则部位的长度、面积、体积等参数，为指挥决策提供辅助参考，克服传统全景图预案难以查看单位整体细节、修改难度大、不能分享至移动设备的缺点。

Unity3D引擎制作的VR预案可使指战员身临其境地在虚拟现实环境中熟悉单位重点部位、消火栓位置、力量部署、供水线路等信息，方便新来的指战员快速熟悉辖区情况。下一步可通过编写脚本和相关功能，实现在VR环境中进行真实环境中难以设置情形的重点单位灭火救援演练。

此方法在基层消防救援站应用存在以下缺点：一是制作周期长。以松赞林寺为例，无人机航拍申请空域耗时7d，航拍耗时1d，建模耗时5d，制作三维和VR预案耗时2d，共耗时15d。二是存在一定技术需求，若软件建出的模型存在瑕疵和精度问题需手动修改，需要一定建模知识，制作VR预案需要一定Unity3D和编程知识，须指定专人学习和制作。三是硬件要求极高，本文使用设备为戴尔precision 7740图形工作站（I9-9980HK处理器，Quadro RTX4000显卡，96G内存），若硬件配置较低，会出现建模失败或成倍增加建模时间的问题。四是无人机航拍存在安全隐患，无人机航拍受天气影响较大，突发暴雨时存在坠落伤人隐患，部分单位会栖息大量鸽子，鸽子有撞击无人机的习性，起飞前须做好安全评估。

3 结语

本文结合消防救援工作实际，研究了一种无人机倾斜摄影建模结合全景图制作三维及VR预案的方法，通过此方法可做出可视化、立体化、数字化的三维预案，成果便于共享、继承，对于平时“六熟悉”，战时辅助指挥决策具有一定意义，但基层队伍应用此方法也存在一定困难。随着各软件功能模块的进一步发展和更新，三维及VR数字化预案的制作方法将进一步简单化、智能化，便于非专业人员使用，其他应用也将更加丰富。

参考文献：

[1]孙春辉，成锡平.基于无人机的实景三维建模在消防中的应用[J].消防科學与技术，2018（4）：501-504.

Application of drone modeling and VR technology in fire fighting and rescue digital plan

Li Heng

（Diqing Tibetan Autonomous Prefecture Fire and Rescue Brigade， Yunnan Diqing 674400）

Abstract： The paper studies the methods of making digital fire fighting and rescue plans using drone modeling， panorama technology and VR technology， and discusses the advantages， disadvantages and applications of VR technology in making digital plans.

Keywords： fire fighting and rescue; digital plan; VR technology; 3D modeling of oblique photography