基于倾斜摄影与BIM的矿山实景建模方法研究_曾微波.pdf

基于倾斜摄影与BIM的矿山实景建模方法研究 曾微波 1， 2 童矿 3 江岭 1， 21 （1. 滁州学院地理信息与旅游学院， 安徽 滁州239000； 2. 安徽地理信息集成应用协同创新中心， 安徽 滁州 239000； 3. 中国民航大学通航学院， 天津 东丽 300300） 摘要针对传统矿山建模缺乏真实感、 地表及其附着物缺乏可控性、 无法实时监控露天矿山开采进度等不 足， 提出了基于倾斜摄影和建筑信息模型 （Building Ination Model， BIM） 的矿山实景建模方法。通过利用倾斜摄 影技术生产的DEM与DOM构建矿山实景地形模型， 再结合最优相片选择、 遮挡修正、 纹理编辑、 纹理映射等处理 技术， 将倾斜影像映射到BIM地物模型上构建实景地物模型， 最后在Unity3D平台中进行集成发布， 实现对露天矿 山开采进度的实时监控。研究表明 利用所提建模方法一方面可以构建具有极强真实感的矿山地表及地物模型， 为矿山三维场景提供良好的可控性和交互性， 另一方面可以实现对露头矿山开发进度的精确监控， 对于促进智慧 矿山建设具有一定的借鉴意义。 关键词智慧矿山矿山实景建模倾斜摄影BIMUnity3DDEMDOM 中图分类号TD17文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -10-172-06 DOI10.19614/ki.jsks.201910027 Research on Mine Real Scene Modeling Based on Oblique Photography and BIM Zeng Weibo1， 2Tong Kuang3Jiang Ling1， 22 （1. School of Geographic Ination and Tourism， Chuzhou University， Chuzhou 239000， China； 2. Anhui Center for Collaborative Innovation in Geographical Ination Integration and Application， Chuzhou 239000， China； 3. School of General Aviation， Civil Aviation University of China， Tianjin 300300， China） AbstractAiming at the lack of realism on the traditional mine modeling， the lack of controllability of the surface and its attachments， and the inability to monitor the progress of open pit mining in real time， a real scene modeling based on tilt photography and building ination model（BIM）is proposed.By using DEM and DOM produced by tilt photography technology， the mine real terrain model is constructed， and the optimal image selection， occlusion correction， texture editing， texture mapping and other processing techniques are combined to map the oblique image to the BIM feature model to construct the real landscape.The model is finally integrated and released in the Unity3D plat to achieve real-time monitoring of open pit mining progress.The study results show that the above can construct a mine surface and ground object model with strong realism， and provide good controllability and interaction characteristics for the three-dimensional scene of the mine；besides that， it can reach the precise monitoring on the development progress of the outcrop mine， which has a certain reference for promoting the construction of smart mine. KeywordsSmart mine， Mine real scene modelling， Oblique photography， BIM， Unity3D， DEM， DOM 收稿日期2019-08-10 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 41501445） ， 安徽省自然科学基金项目 （编号 1608085QD77） 。 作者简介曾微波 （1978） ， 男， 讲师， 博士。 总第 520 期 2019 年第 10 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 520 October 2019 随着现代工业生产过程越来越复杂、 规模越来 越庞大， 矿山企业对降低生产成本、 提高生产效益、 强化环境保护的要求也越来越高， 粗放型的传统管 理模式已经难以支撑企业发展 ［1］。随着信息时代的 发展， 我国矿业软件的发展主要基于生产、 财务等方 面的管理信息系统 （Management Ination System， MIS） ， 在图件生产、 测量数据、 勘探数据管理方面， 基 于二维图形系统的矿业地理信息系统软件近年来也 得到了大力发展 ［2］。但是， 矿山系统在实景地表建模 方面的发展相对落后， 制约着数字矿山向智慧矿山 迈进 ［3-8］。 自1999年首届国际数字地球大会提出数字矿山 172 ChaoXing 概念以来， 数字矿山向智慧矿山的发展一直是重要 研究方向 ［9-11］。疏礼春［12］将地理信息系统 （GIS） 、 全景 图像等技术运用到数字矿山建设， 增强了数字矿山 系统的二三维同步显示能力； 曹希等 ［13］、 张玉侠等［14］ 对倾斜摄影和建筑信息模型 （BIM） 技术在智慧矿山 实景建模方面的应用进行了探索， 但在矿山建模兼 具可控性和真实性方面的研究稍有欠缺。 本研究将倾斜摄影技术与BIM模型进行有机结 合， 实现矿山实景建模。首先基于倾斜摄影技术生 产的数字正射影像图 （DOM） 和数字高程模型 （DEM） 进行矿山地形模型构建； 然后利用倾斜摄影生产的 密集点云构建矿山地物BIM白模， 并进行纹理映射 构建实景BIM地物模型； 最后在Unity3D平台中对实 景地形模型、 实景BIM地物模型及地下模型进行集 成并发布。 1矿山实景建模 倾斜摄影技术是近年来发展起来的一项新的测 量技术 ［15］。传统建模生产工艺复杂、 成本高、 建模精 度不高， 无法满足大范围三维建模需要， 倾斜摄影通 过无人机平台对地物进行垂直、 多角度航拍获取影 像， 在Context Capture、 PhotoMatrix等软件中通过对多 分辨率、 多视角影像进行密集匹配、 空中三角测量计 算、 构建TIN模型、 构建三维白模、 纹理映射等步骤 （图 1） ， 可以快速获得三维实景模型和 4D （DEM、 DOM、 DSM、 DLG） 产品 ［16］。 虽然倾斜摄影生产的三维模型具有精度高、 纹理 真实等特点， 但是其生产的三维模型是一张整体不 具有场景可控性的三角网 （TIN） 。BIM是在微观方面 专门处理建筑物内部信息的一项技术， 具有完善的 内部信息， 但是缺少真实纹理信息及定位信息 ［17］。 本研究综合考虑倾斜摄影和BIM模型的特点， 首先 利用倾斜摄影生产的DEM与DOM进行矿山地形快 速建模； 然后通过在Revit中对BIM模型进行纹理映 射； 最后将实景BIM地物模型与实景地物模型导入 到Unity3D平台中融合并打包发布， 从宏观和微观两 方面， 为实现数字矿山向智慧矿山的实景可视化提 供服务。 1. 1实景地形模型构建 为更真实地再现和还原矿山场景， 需要创建真实 的三维实景矿山模型。相较于传统方法在Unity3D 中利用World Composer插件处理卫星影像和高度图 进行地形建模， 通过倾斜摄影技术生产的DEM精度 更高、 DOM纹理更真实。本研究矿山地表实景模型 构建主要有DEM和DOM生产、 DOM和DOM预处理、 高度图加载、 地形纹理贴图、 矿山地形模型融合5个 步骤， 如图2所示。 （1） DEM 和 DOM 生产。利用 Context Capture 软 件平台对无人机获取的矿山影像和控制点 （GCP） 数 据进行空三加密， 获得规则格网DSM。利用DSM直 接制作正射影像， 会导致房屋或突起地物边缘出现 波浪或锯齿现象， 影响正射影像的成图质量。本研 究对DSM进行自动或人工辅助过滤， 仅保留地面上 的点， 构建DEM； 而后对DSM进行影像匀光和正射纠 正处理， 获取矿山DOM。其中， DEM是为了生成高度 图， 导入Unity3D后创建矿山地形， DOM则是用作地 形图的纹理。 （2） DOM 和 DEM 预处理。在 ArcMap 软件中将 DOM和DEM的投影坐标统一并叠加； 然后裁剪出需 要的区域， 并将DOM导出为JPG格式； 最后通过Pho- toshop软件将TIF格式的DEM转化成RAW格式， 如 图3所示。 （3） 高度图加载。在Unity3D中新建场景和 “Ter- rain” ， 将事先导出的 RAW 格式高度图添加到 “Ter- rain” 中， 并输入合适的长、 宽、 高尺寸， 从而生成矿山 地形模型， 在Unity3D中加载高度图后的效果如图4 所示。 （4） 地形纹理贴图。在矿山地形模型生成后， 将 事先导出的JPG格式DOM添加到Unity3D工程资源 文件夹 （Assets） 中， 用作智慧矿山实景地形模型的纹 理， 如图5所示。 1. 2实景地物模型构建 目前， 对于地表模型构建大体有3种方式 ①倾 斜摄影地物模型与DEM地形模型直接结合； ②BIM 地物模型与DEM地形模型直接结合； ③BIM、 倾斜摄 影地物模型与DEM地形模型相结合。其中， 第一种 方式可以快速实现实景模型三维可视化， 但是地表 2019年第10期曾微波等 基于倾斜摄影与BIM的矿山实景建模方法研究 173 ChaoXing 模型不具有可控性； 第二种方式地表模型具有可控 性但缺失实景纹理； 第三种方式兼顾了BIM的可控 性特点但是失去了纹理的真实性。本研究基于BIM 白模， 通过最优像片选择、 纹理几何纠正、 纹理映射3 个步骤实现BIM真实纹理自动映射 ［18-20］， 具体流程如 图6所示。 1. 2. 1最优像片选择 首先采用多边形角点判断法判断BIM白模每个 面对应的所有像片， 然后采用视角法优选出最优像 片。多边形角点判断法是以BIM白模各个面多边形 的n个顶点和多边形中心点共n1个点的物方坐 标， 利用像片外方位元素反求像点坐标， 若n1个点 使用同一个外方位元素都能得到有效像点坐标， 则 该面应该选择对应的外方位元素的像片组 ［21］。由于 金属矿山2019年第10期总第520期 174 ChaoXing 对应的像片组不止一个， 故通过视角法即根据 “法向 矢量与相机摄影中心连接矢量夹角θ最小” 的原则 选择最佳像片， 如图7所示。 1. 2. 2纹理几何纠正 对于挑选出的角度最小的倾斜像片， 通过间接纠 正法对倾斜像片纹理进行逐像素纠正， 即将倾斜纹 理纠正为正射纹理 ［22］， 具体方法如下。 （1） 计算地面坐标。BIM白模中点P正射纠正计 算出对应的地面坐标为 { XX0MX YY0MY ，（1） 式中，X,Y为任意一点P（像素中心） 相对于纹理面 的像点坐标；X0,Y0为正射纹理面左下角BIM白模侧 面角点的地面坐标；M为正射纹理所在影像的比例 尺分母。 （2） 计算像点坐标。设任意像元在原始图像和纠 正后图像中的坐标分别为x,y和X,Y， 可用反解公 式 （共线方程） 计算原始图像上的像点坐标Px,y ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ x-x0-f a1X-X5b1（Y-Y5）c1（Z-Z5） a3X-X5b3（Y-Y5）c3（Z-Z5） y-y0-f a2X-X5b2（Y-Y5）c2Z-Z5） a3X-X5b3（Y-Y5）c3（Z-Z5） ， （2） 式中， Z为点P高程值； x， y为像点的像平面坐标；x0， y0， f为影像的内方位元素；X5，Y5，Z5为摄站点的物方 空间坐标； X， Y， Z为物方点的物方空间坐标； ai， bi， ci （i 1， 2， 3） 为影像的3个外方位角元素组成的9个方 向余弦值。 （3） 灰度内插与赋值。计算的像点坐标Px,y 不一定位于像元中心， 有必要进行逐像灰度内插。 首先采用双线性内插法求得P点灰度值gx,y， 而 后 将P点 灰 度 值 赋 值 给 纠 正 后 的 像 元 ， 即 GX,Y gx,y， 从而实现倾斜纹理逐像素正射纠 正。 1. 2. 3纹理映射 对于最终得到的BIM白模每个面的正射像片， 在 开源图形库 OSG 中进行纹理映射生成实景 BIM 模 型， 其效果如图6所示。 2试验分析 本研究采用可垂直起降的固定翼无人机， 安装1 台Sony DSC-RXRM2相机， 其焦距为35 mm， 像幅大 小为7 9525 304 像素， 航线相对航高100～150 m， 航向和旁向重叠度均为75， 共飞行3次 （正射一次， 固定倾角与航线相反航向各一次） 以达到五摄像头 效果， 共获取了639幅像片。用Context Capture为数 据处理平台生成DOM、 DEM及密集点云数据。首先 采用获取的DOM和DEM数据在Unity3D中进行实景 地形模型构建； 然后基于倾斜摄影获取的密集点云 数据在Revit软件中构建矿山地物BIM白模， 通过最 优像片选择、 纹理几何纠正、 纹理映射步骤实现实景 BIM地物模型构建； 最后通过Datasmith插件将BIM 模型从Revit中导出并导入Unity3D中与实景地形模 型进行集成， 最终的建模效果如图8所示。 由于倾斜摄影数据采集受地物之间的遮挡限制， 导致地物部分页面区域的纹理信息无法采集或者采 集不全， 使得实景BIM地物模型存在扭曲或空洞现 象， 如图9所示。 试验表明 虽然可以实现实景地形模型和实景 BIM地物模型构建， 但存在的不足有 ①由于倾斜摄 影无法采集死角和遮挡区域的纹理信息， 导致在构 建实景BIM地物模型进行纹理映射阶段产生了纹理 缺失、 纹理扭曲等问题； ②只能实现BIM地物模型表 面纹理映射， 无法实现BIM模型内部及构建纹理映 射。 3结语 将倾斜摄影与BIM相结合， 对矿山实景建模方法 进行了研究。研究表明 所提出的矿山实景建模方 法可有效兼顾倾斜摄影数据纹理的真实性和BIM模 型的可控性， 在今后工作中， 将进一步充分利用倾斜 2019年第10期曾微波等 基于倾斜摄影与BIM的矿山实景建模方法研究 175 ChaoXing 摄影、 BIM的优势， 实现智慧矿山实景室内、 室外和地 表、 地下一体化建模。 参考文献 吕鹏飞， 郭军.我国煤矿数字化矿山发展现状及关键技术探讨 ［J］ .工矿自动化， 2009， 35 （9） 16-20. Lyu Pengfei， Guo Jun.Development status and key technologies of digitized coal mines in China［J］ .Industrial and Mining Automa- tion， 2009， 35 （9） 16-20. 王金华， 汪有刚， 傅俊皓.数字矿山关键技术研究与示范 ［J］ .煤 炭学报， 2016， 41 （6） 1323-1331. Wang Jinhua， Wang Yougang， Fu Junhao.Research and demonstra- tion of key technologies in digital mines［J］ .Journal of Coal Sci- ence， 2016， 41 （6） 1323-1331. 李国清， 侯杰， 胡乃联.地下矿山生产接续与设备调度集成优 化模型 ［J］ .工程科学学报， 2018， 40 （9） 1050-1057. Li Guoqing， Hou Jie， Hu Nailian.Integrated optimization model for underground mine production connection and equipment scheduling ［J］ .Journal of Engineering Science， 2018， 40 （9） 1050-1057. 张立亚.矿山智能视频分析与预警系统研究 ［J］ .工矿自动化， 2017， 43 （11） 16-20. Zhang Liya.Mine intelligent video analysis and early warning sys- tem research ［J］ .Industrial and Mining Automation， 2017， 43 （11） 16-20. 刘晋尧， 禹申申， 孙世杰， 等.基于WEB的矿山井下人员定位系 统上位机软件 ［J］ .煤矿安全， 2017， 48 （9） 127-129. Liu Jinyao， Yu Shenshen， Sun Shijie， et al.Web-based software for mine underground personnel positioning system based on WEB［J］ . Safety in Coal Mines， 2017， 48 （9） 127-129. 孙效玉， 涂鸿渐， 诸子轩， 等.露天矿设备调度图表绘制及设备时 间利用率分析系统 ［J］ .金属矿山， 2016 （7） 160-164. Sun Xiaoyu， Tu Hongzeng， Zhu Zixuan， et al.Open-pit mine equip- ment scheduling chart drawing and equipment time utilization anal- ysis system ［J］ .Metal Mine， 2016 （7） 160-164. 余小波.基于矿山物联网的移动视频监控系统关键技术研究 ［D］ .杭州 浙江大学， 2016. Yu Xiaobo.Research on Key Technologies of Mobile Video Surveil- lance System Based on Mine Internet of Things ［D］ .HangzhouZhe- jiang University， 2016. 王国法， 王虹， 任怀伟， 等.智慧煤矿2025情景目标和发展路 径 ［J］ .煤炭学报， 2018， 43 （2） 295-305. Wang Guofa， Wang Hong， Ren Huaiwei， et al.Scenario goal and de- velopment path of intelligent coal mine 2025［J］ .Journal of Coal Mine， 2018， 43 （2） 295-305. Zhang S R， Wang B T， Li X E， et al.Research and application of im- proved gas concentration prediction model based on grey theory and BP neural network in digital mine ［J］ .Procedia CIRP， 2016， 56 471-475. 唐敏， 方源敏.一种针对相交矿山巷道的三维建模方法 ［J］ .测 绘科学， 2011， 36 （4） 240-241. Tang Min， Fang Yuanmin.A three- dimensional modeling for intersecting mine roadways［J］ .Science of Surveying and Map- ping， 2011， 36 （4） 240-241. 张夏林， 蔡红云， 翁正平， 等. “玻璃国土” 建设中的矿山高精度三 维地质建模方法 ［J］ .地质科技情报， 2012， 31 （6） 23-27. Zhang Xialin， Cai Hongyun， Weng Zhengping， et al.High-precision 3D geological modeling for mines in the construction of “Glass Land” ［J］ .Geological Science and Technology Ination， 2012， 31 （6） 23-27. 疏礼春.基于二三维与全景一体化的数字矿山综合管理平台研 究与应用 ［J］ .中国煤炭， 2016， 42 （12） 81-85. Shu Lichun.Research and application of integrated management plat of digital mine based on two-dimensional and panoramic integration ［J］ .China Coal， 2016， 42 （12） 81-85. 曹希， 孙承帅.基于无人机倾斜摄影数据的矿山建模研究 ［J］ . 矿业工程， 2018， 16 （1） 58-60. Cao Xi， Sun Chengshuai.Mine modeling based on UAV tilt photog- raphy data ［J］ .Mining Engineering， 2018， 16 （1） 58-60. 张玉侠， 兰鹏涛， 金元春， 等.无人机三维倾斜摄影技术在露天矿 山监测中的实践与探索 ［J］ .测绘通报， 2017 （S1） 114-116. Zhang Yuxia， Lan Pengtao， Jin Yuanchun， et al.Practice and explo- ration of UAV three- dimensional tilt photography technology in open-pit mine monitoring ［J］ .Surveying and Mapping Bulletin， 2017 （S1） 114-116. Dewez T J B.Reconstructing 3D coastal cliffs from airborne oblique photographs without ground control points ［J］ .ISPRS Annals of Pho- togrammetry， Remote Sensing and Spatial Ination Sciences， 2014， Vol.II-5（1） 113-116. 李德仁.论可量测实景影像的概念与应用从4D产品到5D 产品 ［J］ .测绘科学， 2007 （4） 5-7. Li Deren.On the concept and application of measureable real scene imagefrom 4D product to 5D product ［J］ .Science of Surveying and Mapping Science， 2007 （4） 5-7. 吕琳.BIM技术在智慧矿山建设中的应用探讨 ［C］ //中国煤炭 学会矿山建设与岩土工程专业委员会.矿山建设与岩土工程技 ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ ［15］ ［16］ ［17］ 金属矿山2019年第10期总第520期 176 ChaoXing ［18］ ［19］ ［20］ ［21］ ［22］ 术新进展2017年全国矿山建设学术年会论文集.北京 中 国煤炭学会矿山建设与岩土工程专业委员会， 2017259-262. Lyu Lin.Discussion on the application of BIM technology in the con- struction of smart mines ［C］ //Mine Construction and Geotechnical Engineering， China Coal Society.New Developments in Mine Con- struction and Geotechnical Engineering Proceedings of the 2017 National Annual Conference on Mine Construction.BeijingMine Construction and Geotechnical Engineering， China Coal Society， 2017259-262. 刘力荣， 左建章， 岳贵杰.SWDC-5倾斜摄影建筑物纹理自动映 射方法 ［J］ .测绘科学， 2015， 40 （8） 68-71. Liu Lirong， Zuo Jianzhang， Yue Guijie.SWDC-5 tilt photography building texture automatic mapping ［J］ .Science of Survey- ing and Mapping， 2015， 40 （8） 68-71. 闫利， 程君.倾斜影像三维重建自动纹理映射技术 ［J］ .遥感 信息， 2015， 30 （2） 31-35. Yan Li， Cheng Jun.Automatic texture mapping technology for three- dimensional reconstruction of tilted images ［J］ .Remote Sensing In- ation， 2015， 30 （2） 31-35. 杨田.倾斜摄影测量与BIM技术实现三维模型的研究 ［D］ .成 都 成都理工大学， 2016. Yang Tian.Research on Tilt Photographic Measurement and BIM Technology to Achieve Three- dimensional Model［D］ .Chengdu Chengdu University of Technology， 2016. 刘力荣， 左建章， 赵文吉.建筑物白模倾斜纹理自动配赋 ［J］ .测 绘科学技术学报， 2014， 31 （6） 620-623. Liu Lirong， Zuo Jianzhang， Zhao Weiji.Automated oblique texture mapping of blank building models ［J］ .Journal of Geomatics Science and Technology， 2014， 31 （6） 620-623. 张祖勋， 张剑清.数字摄影测量学 ［M］ .武汉 武汉大学出版社， 2007. Zhang Zuxun， Zhang Jianqing.Digital Photogrammetry ［M］ .Wuhan Wuhan University Press， 2007. （责任编辑王小兵） 2019年第10期曾微波等 基于倾斜摄影与BIM的矿山实景建模方法研究 177 ChaoXing