李 鵬

（內(nèi)蒙古烏海市消防救援支隊海南區(qū)消防救援大隊，內(nèi)蒙古 烏海 016000）

0 引言

隨著城市的發(fā)展，人員向中心城區(qū)集聚，將建設(shè)的高大居住建筑和商業(yè)建筑解決了居民的居住和交易問題，但也給消防安全帶來巨大的挑戰(zhàn)[1]。一方面這些建筑物中人員密集，火災(zāi)發(fā)生后導(dǎo)致的救援難度增大，另一方面火災(zāi)引發(fā)的財產(chǎn)損失和人口傷亡給人的身心健康帶來傷害[2]?；馂?zāi)監(jiān)測和預(yù)防是降低火災(zāi)災(zāi)害程度的有效方法，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)具有靈活性強、適合復(fù)雜環(huán)境高空監(jiān)測的優(yōu)點，同時可以融合建筑三維信息技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，為消防輔助救援提供性的解決方案，同時也賦予了無人機(jī)傾斜攝影的測量、偵察、監(jiān)測和信息化的新應(yīng)用內(nèi)涵。該研究基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的三維消防輔助救援系統(tǒng)為無人機(jī)在消防領(lǐng)域中的推廣應(yīng)用提供了十分重要的理論基礎(chǔ)。

1 基于無人機(jī)傾斜攝影的傾角數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)

為了獲取不同影像角度、影像覆蓋范圍和影像分辨率的圖像，無人機(jī)傾斜攝影在采集影像圖片時，需要將航攝儀設(shè)置一定的鏡頭傾斜角和巡航高度，如徠卡RCD30 航攝儀，其巡航時鏡頭傾斜角為35°[3]。無人機(jī)傾斜攝影儀鏡頭的角度變化對構(gòu)建三維實景圖像模型產(chǎn)生一定的影響，表現(xiàn)為攝影成果圖像特征提取、模型紋理清晰度和模型匹配精度等[4]。在三維消防實景圖像模型構(gòu)建中，需要利用無人機(jī)傾斜攝影獲得的2 種影像數(shù)據(jù)，分別是下視影像和傾斜影像。前者主要是獲得地形地物的表面影像信息，其分辨率為傳統(tǒng)意義上的分辨率，而后者主要獲得地形地物的側(cè)面影像數(shù)據(jù)，其分辨率為傾斜水平分辨率和傾斜垂直分辨率[5-6]。

為了使影像數(shù)據(jù)與實際模型更好地匹配，在無人機(jī)傾斜攝影中應(yīng)保證一定程度的影像重疊，提高影像分辨率，同時影像的最大分辨率和最小分辨率的比值應(yīng)小于2.0。無人機(jī)傾斜攝影的下視分辨率可以按公式（1）進(jìn)行計算。

式中：GSD為無人機(jī)傾斜攝影的下視分辨率；H為無人機(jī)相機(jī)鏡頭巡航高度；f為相機(jī)鏡頭的焦距；a為相機(jī)鏡頭視場角的一半。

傾斜影像分辨率的求解數(shù)學(xué)模型如圖1 所示，圖中of為相機(jī)的主光軸，be為像元，EF為像物，K為相機(jī)主光軸和像物EF延長線的角點，航攝儀傾角為θ。根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系以及中心投影原理，可以推導(dǎo)得到無人機(jī)傾斜攝影的傾斜水平分辨率AB，如公式（2）、公式（3）所示[7]。

圖1 無人機(jī)傾斜攝影傾斜水平分辨率和傾斜垂直分辨率的計算原理

同樣地，可對無人機(jī)傾斜攝影的傾斜垂直分辨率進(jìn)行計算，結(jié)果如公式（4）、公式（5）所示。

2 基于無人機(jī)傾斜攝影的三維消防實景模型構(gòu)建

在構(gòu)建三維消防實景模型前，需要獲取消防建筑物的航空影像數(shù)據(jù)。該研究以烏海市海南區(qū)某獨棟大樓作為試驗?zāi)Ｐ?，采用無人機(jī)傾斜攝影設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，建筑物高度為8 層，高度約23 m，建筑物周邊較為空曠，適宜作為試驗場區(qū)，建筑結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，對無人機(jī)傾斜攝影三維消防建模試驗具有一定的適宜性[8]。無人機(jī)傾斜攝影設(shè)備為大疆DJI-Phantom-4Pro 無人機(jī)，搭載多個相機(jī)鏡頭攝影儀對建筑物進(jìn)行多角度的拍攝，相機(jī)類型為DJIFC6319，相機(jī)傳感器為Sony Exmor R2 英寸 CMOS，焦距為8.5348mm，像素元為5472×3648pixel，像幅尺寸/CCD 尺寸為12.8333×8.5556 mm，像元大小為2.34527 um，航向視場角為±26.2234°，攝影范圍為120m×90m。

在拍攝的過程中，沿著建筑物周邊共布置6 個像控點，像控點坐標(biāo)通過RTK 進(jìn)行采集，無人機(jī)設(shè)備設(shè)定縱橫向5個巡航入選進(jìn)行拍攝，巡航高度為55 m，沿著建筑物垂直面外擴(kuò)進(jìn)行拍攝，外擴(kuò)的距離為30m，平均面航向重疊度為82%，拍攝高度分為3 個等級，分別為距離地面6 m、距離地面12 m、距離地面18 m 和距離地面55 m，共獲取無人機(jī)傾斜攝影影像1090 張，其中東西方向185 張，南北方向268 張，西東方向160 張，北南方向262 張，下視拍攝215張。采集圖像通過Smart3D 和PhotoScan 軟件進(jìn)行三維消防建筑實景建模。通過PhotoScan 軟件強大的空三能力，對無人機(jī)傾斜攝影原始圖像進(jìn)行空三加密，并導(dǎo)入Smart3D 軟件中進(jìn)行自動化三維建模，利用密集點云數(shù)據(jù)構(gòu)建TIN 三角網(wǎng)、生成建筑物的紋理和3D 虛擬模型，并通過軟件自帶的S3CComposer 工具編輯索引，完成建筑實景與三維模型的相互融合，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 基于無人機(jī)傾斜攝影的三維點云模型與實景融合構(gòu)建

為了驗證構(gòu)建的三維實景模型的精細(xì)化程度，對建模過程中的紋理映射進(jìn)行研究，分別采用傳統(tǒng)的圖像紋理模型構(gòu)建、點云融合紋理模型構(gòu)建以及實景融合紋理模型構(gòu)建3 種方法，得到的三維實景模型如圖3 所示。從圖3（a）中可以看出，采用傳統(tǒng)的圖像紋理模型構(gòu)建，圖中橢圓形中存在明顯的紋理數(shù)據(jù)空洞，而在模型房檐遮擋部位，則存在數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)模糊現(xiàn)象，這是因為傳統(tǒng)的圖像紋理模型在較薄結(jié)構(gòu)實體和有遮擋物存在的區(qū)域，密集匹配的點云較少，運算時容易存在紋理映射缺失，TIN 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)稀疏，導(dǎo)致空洞出現(xiàn)；從圖3（b）中可以看出，與傳統(tǒng)的圖像紋理模型構(gòu)建相比，點云融紋理模型構(gòu)建使空洞現(xiàn)象和細(xì)節(jié)拉花現(xiàn)象得到顯著改善，如圖中橢圓形和矩形位置，模型中的細(xì)部紋理也更清晰，這是因為采用點云融合數(shù)據(jù)時，統(tǒng)一的空三加密點云數(shù)據(jù)能夠得到有效加密，對點云稀疏位置可以得到紋理映射；從圖3（c）中可以看出，基于實景融合的紋理模型構(gòu)建，橢圓形中的數(shù)據(jù)空洞現(xiàn)象得到明顯改善，但是仍沒有解決在模型房檐遮擋部位的細(xì)節(jié)模糊問題，這是因為實景融合同樣具有較好的點云數(shù)據(jù)加密功能，對近地影響TIN 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)能夠與紋理建立較為完整的映射函數(shù)。

圖3 不同融合方法得到的三維建筑實景模型紋理

3 融合多傳感器信息的無人機(jī)三維消防輔助救援系統(tǒng)應(yīng)用效果

在無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)建立的三維實景建筑模型的基礎(chǔ)上，采用無人機(jī)飛行平臺搭載多種傳感器提取火災(zāi)因子，以建立建筑物火災(zāi)信息和消防救援輔助系統(tǒng)，搭載的傳感器主要有二氧化碳傳感器、一氧化碳傳感器、煙霧傳感器、溫度傳感器等[9]。由于實際尺寸的建筑物中進(jìn)行火災(zāi)測試，具有危險性大、測試成本高的缺點，該文基于建立的三維實景建筑模型的基礎(chǔ)上，通過交互式PACT 設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)而FDS 計算程序，研究火災(zāi)中消防輔助救援無人機(jī)測試的煙霧濃度和溫度的效果。溫度測試結(jié)果見表1。從表1 中可以看出，搭載溫度傳感器的無人機(jī)能夠較為可靠地測試到建筑物發(fā)生火災(zāi)時溫度的變化，在停留的180 s 中，距離墻體5 m 的溫度呈現(xiàn)劇烈變化，溫度最大值達(dá)到57.8 ℃，而距離墻體10m時，溫度變化程度相對較小，溫度最大值為35.4 ℃。

表1 不同墻面距離處的溫度測試結(jié)果

煙霧濃度測試結(jié)果見表2。從表2 中可以看出，搭載煙霧濃度傳感器的無人機(jī)能夠較為可靠地測試到建筑物發(fā)生火災(zāi)時煙霧濃度的變化，在停留的180 s 中，距離墻體5 m 的煙霧濃度呈現(xiàn)劇烈變化，煙霧濃度最大值達(dá)到967.84×10-4%，而距離墻體10 m 時，溫度變化程度相對較緩，煙霧濃度最大值達(dá)到695.25×10-4%。

表2 不同墻面距離處的煙霧濃度測試結(jié)果

4 結(jié)論

該文以烏海市海南區(qū)某獨棟大樓為研究對象，通過數(shù)學(xué)理論分析、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集以及仿真分析的方法，研究三維建筑消防實景模型的建立方法、模型精細(xì)化程度，得到以下3個結(jié)論：1）基于無人機(jī)傾斜攝影的傾角數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)的傾斜水平分辨率和傾斜垂直分辨率、下視影像分辨率，為三維消防實景模型的建立提供了分辨率計算基礎(chǔ)。2）與傳統(tǒng)的圖像紋理模型和實景融合紋理模型相比，點云融合紋理模型的精細(xì)化程度更高，模型中的空洞現(xiàn)象和細(xì)節(jié)拉花現(xiàn)象得到顯著改善。3）搭載煙霧濃度傳感器和溫度傳感器的無人機(jī)能夠較為可靠地測試到建筑物發(fā)生火災(zāi)時煙霧濃度的變化，融合多傳感器信息的三維消防實景模型可為消防救援提供可靠的溫度和煙霧濃度等參數(shù)。