芻議無(wú)人機(jī)航測(cè)在大型水利工程中的應(yīng)用①

陳東宇

(吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 吉林長(zhǎng)春 130021)

在大型水利工程航測(cè)工作中應(yīng)用無(wú)人機(jī)，可以將拍攝的資料處理為三維立體圖像，不僅圖像清晰，而且每個(gè)細(xì)節(jié)都準(zhǔn)確到位，特別是無(wú)人機(jī)采用傾斜攝影的方式，使得傳統(tǒng)的3D建模技術(shù)所存在的局限得以突破，不僅拍攝效率提高了，而且提高了精度，使得測(cè)量要求得到滿足。對(duì)于無(wú)人機(jī)拍攝的圖像應(yīng)用軟件數(shù)字軟件進(jìn)行處理，不會(huì)出現(xiàn)采編庫(kù)分離的問(wèn)題，測(cè)繪技術(shù)從數(shù)字化走向信息化，將無(wú)人機(jī)拍攝中所獲得的地理要素全部用骨架線+屬性描述方式表示，完全滿足GIS建庫(kù)，測(cè)繪應(yīng)用需求得到滿足。

1 水利工程案例

以某水庫(kù)的總庫(kù)容量為57540000m3，水庫(kù)壩高是99.4m，供水量可以達(dá)到的均值為5725m3/h。在對(duì)水庫(kù)進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中應(yīng)用無(wú)人機(jī)航測(cè)，做到了測(cè)量與測(cè)繪相結(jié)合。將航測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)建立起來(lái)，無(wú)人機(jī)在對(duì)水庫(kù)進(jìn)行航測(cè)的過(guò)程中，還可以將信息通信資料持續(xù)提供，保證信息資料實(shí)時(shí)更新，確保信息準(zhǔn)確完整。將航測(cè)所獲得的信息使用軟件處理，發(fā)揮ContextCapture軟件和Photoscan軟件的作用，操作簡(jiǎn)單，還可以制作為數(shù)字化的地圖，并將數(shù)據(jù)模型構(gòu)建起來(lái)，使得航測(cè)所獲得的資料立體直觀。

2 無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的基本介紹

在進(jìn)行水庫(kù)拍攝的時(shí)候，考慮到測(cè)繪環(huán)境比較復(fù)雜，特別是測(cè)繪區(qū)域內(nèi)有各種房屋，增加了測(cè)繪的難度，于是采用無(wú)人機(jī)拍攝，特別要結(jié)合傾斜拍攝，對(duì)于所獲得的資料需要使ContextCapture軟件和Photoscan軟件處理數(shù)據(jù)信息并構(gòu)建為模型。在拍攝的過(guò)程中，當(dāng)無(wú)人機(jī)沒(méi)有捕捉到水庫(kù)建筑物圖像的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)紋理區(qū)域能夠?qū)⑤^小的圖像映射出來(lái)。其實(shí)這種狀況與沒(méi)有拍建筑物的墻壁是比較類(lèi)似的。采用無(wú)人機(jī)傾斜拍攝的方法捕捉住墻壁紋理，或者使用特寫(xiě)鏡頭進(jìn)行拍攝，也可以調(diào)節(jié)軟件捕捉紋理信息并編輯。在具體的工作中，可以采用點(diǎn)云數(shù)據(jù)，基于此將預(yù)設(shè)的不規(guī)則三角測(cè)量預(yù)設(shè)出來(lái)，沒(méi)有紋理的三維模型生成，之后使Photoscan軟件就可以采集紋理信息，完成映射。當(dāng)圖像的數(shù)學(xué)關(guān)系完成后，確定位置信息，就建成了真實(shí)紋理的三維模型。

在制作圖像的時(shí)候，應(yīng)用Photoscan軟件采集資料信息，對(duì)水庫(kù)的占地情況初步統(tǒng)計(jì)，將無(wú)人機(jī)的飛行方案制定出來(lái)，并申請(qǐng)空域；根據(jù)道路的線型以及無(wú)人機(jī)所具備的性能進(jìn)行勘測(cè)，對(duì)于航拍的高度要明確，將各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置好，包括無(wú)人機(jī)的架次、拍攝的間隔以及無(wú)人機(jī)的航向和旁向重疊等等各項(xiàng)參數(shù)都要準(zhǔn)確無(wú)誤。使用Photoscan軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)信息采集，要按照飛行方向獲得地形數(shù)據(jù)。使用Photoscan軟件對(duì)數(shù)字進(jìn)行編輯處理，表面模型生成后，用無(wú)人機(jī)正攝影像的范式對(duì)數(shù)據(jù)模型予以糾正并可視化處理，最終獲得三維模型[1]。

ContextCapture軟件的具體應(yīng)用中，需要將軟件平臺(tái)建立起來(lái)，將獲得的數(shù)據(jù)信息構(gòu)建模型。ContextCapture軟件運(yùn)行中，可以對(duì)無(wú)人機(jī)拍攝所獲得的信息實(shí)時(shí)更新，可集成操作建立三維立體模型。這種無(wú)人機(jī)航拍與軟件數(shù)據(jù)處理相結(jié)合的方式，是由于ContextCapture軟件和Photoscan軟件都具備很好的兼容性，可以與其他的平臺(tái)兼容采集信息。將這兩種軟件系統(tǒng)用于無(wú)人機(jī)測(cè)繪工作中，所獲得的圖像能夠發(fā)揮軟件的功能將高精度的3D模型建立起來(lái)，拍攝的區(qū)域通過(guò)3D模型能夠更好地傳遞真實(shí)信息。

3 水利工程中對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行航測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

與實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)和全站儀測(cè)量技術(shù)相比，無(wú)人機(jī)主要用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，改善了施工測(cè)量環(huán)境。由于內(nèi)部矢量化，提高了生產(chǎn)效率，縮短了項(xiàng)目周期，有效地控制了外部測(cè)量成本。與傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)相比，技術(shù)操作人員數(shù)量少，操作方便。在測(cè)量過(guò)程中，無(wú)需使用立體眼鏡和跑步機(jī)直接采集數(shù)據(jù)信息來(lái)建立三維模型。如果采用傳統(tǒng)的攝影測(cè)量技術(shù)，使用立體圖形拍攝在一個(gè)方向上有深度感，但是不能準(zhǔn)確地確定轉(zhuǎn)角的位置。使用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可以對(duì)具體的拍攝位置準(zhǔn)確定位。

3.1 無(wú)人機(jī)航測(cè)中采集紋理信息

在數(shù)字航空攝影測(cè)量的過(guò)程中，考慮到測(cè)繪環(huán)境比較復(fù)雜，特別是測(cè)繪區(qū)域內(nèi)建筑物比較多，而且該水庫(kù)附近的山多、河流多，在這樣的環(huán)境中就會(huì)增加測(cè)繪難度，所以采用無(wú)人機(jī)拍攝，結(jié)合ContextCapture軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模處理。ContextCapture基于物方mesh進(jìn)行全局優(yōu)化。ContextCapture的軟件使用有一定的復(fù)雜性，而且專(zhuān)業(yè)性很強(qiáng)，包括主從模式、JobQueue、控制點(diǎn)編輯、Tiling操作、水面約束等，使用之前都需要經(jīng)歷一段實(shí)踐的學(xué)習(xí)，使用中更加靈活。為了保證建模輸出獲得良好的效果，ContextCapture可以從不同的角度對(duì)靜態(tài)建模主體拍攝，輸入數(shù)據(jù)源即為拍攝得到的照片，還附帶著輔助數(shù)據(jù)。這些都是默認(rèn)拍攝，并保留設(shè)置，其中涵蓋傳感器的屬性，諸如焦距、傳感器的規(guī)格、主點(diǎn)以及鏡頭失真等等，還包括位置參數(shù)（全球定位系統(tǒng)），照片姿態(tài)參數(shù)（慣性導(dǎo)航系統(tǒng)）以及控制點(diǎn)等等，才能使得所輸出的三角網(wǎng)格模型具有較高的分辨率，建模主體的色澤得以復(fù)原，幾何形態(tài)及細(xì)節(jié)都清晰顯示。在具體工作中，做好像控點(diǎn)的影響標(biāo)識(shí)工作非常重要，還要解算數(shù)據(jù)內(nèi)容的，包括水庫(kù)工程項(xiàng)目的相關(guān)信息以及規(guī)格控制點(diǎn)位、新加的項(xiàng)目等等都要體現(xiàn)出來(lái)，做好數(shù)據(jù)處理工作，對(duì)數(shù)據(jù)核對(duì)準(zhǔn)確無(wú)誤之后就可以導(dǎo)出[2]。

對(duì)于這個(gè)水庫(kù)工程項(xiàng)目，因?yàn)槭切陆ǖ乃孕枰獙?dǎo)入圖像數(shù)據(jù)相關(guān)信息，將圖像的設(shè)計(jì)坐標(biāo)創(chuàng)建起來(lái)，保證坐標(biāo)的位置與拍攝所獲得的信息匹配，經(jīng)過(guò)參數(shù)的調(diào)整之后進(jìn)行有效設(shè)計(jì)，使得數(shù)據(jù)內(nèi)容準(zhǔn)確，而且相關(guān)信息的處理效率提高。使用編輯器設(shè)置像控點(diǎn)。使用行之有效坐標(biāo)系，將已經(jīng)定義好的資料信息導(dǎo)入其中，然后將布控?cái)?shù)據(jù)信息導(dǎo)入，做好航測(cè)標(biāo)記工作。將數(shù)據(jù)信息導(dǎo)出之后，構(gòu)建立體模型，采用這種方式可以檢測(cè)航測(cè)所獲得的成果是否準(zhǔn)確，保證各項(xiàng)平面的誤差控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。遵照數(shù)據(jù)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)規(guī)范與要求，進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)圖工作，生成數(shù)字的線性畫(huà)圖。增強(qiáng)數(shù)字化的技術(shù)模型，綜合區(qū)域中的具體情況，確保航測(cè)的精讀。對(duì)于加密點(diǎn)，經(jīng)過(guò)把有關(guān)元素整合，采用實(shí)際測(cè)量的方式結(jié)合線段測(cè)繪方法，將CAD Civil3D加入其中，采用數(shù)字分析的方法，以獲得真實(shí)有效的測(cè)量結(jié)果。當(dāng)這些工作完成之后，做好核對(duì)工作，平面精讀要高，符合規(guī)定，使得采集的信息有較高的應(yīng)用價(jià)值。

3.2 無(wú)人機(jī)航測(cè)中對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理

在處理數(shù)據(jù)信息的時(shí)候使用Photoscan軟件。Photoscan在對(duì)數(shù)據(jù)信息處理中更需要遵循的流程是，安裝好軟件之后將信息導(dǎo)入其中，軟件會(huì)將照片自動(dòng)對(duì)齊，將拍攝的角度以及拍攝的距離確定之后，將密集云全部建立起來(lái)，將每一點(diǎn)之間的關(guān)系計(jì)算出來(lái)，將每一個(gè)識(shí)別出來(lái)的點(diǎn)列入密集計(jì)算中就會(huì)形成網(wǎng)格，有了各個(gè)點(diǎn)間的矢量函數(shù)關(guān)系，從實(shí)際情況出發(fā)建立連接，3D模型就會(huì)構(gòu)建起來(lái)，此時(shí)的模型中涵蓋所收集的各種數(shù)據(jù)信息，初步的3D模型形成。Photoscan軟件的使用中，可以隨時(shí)采集和編輯信息，采集和建立數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息。無(wú)人機(jī)拍攝獲得的信息可以傳輸?shù)街付ǖ臄?shù)據(jù)庫(kù)中，并實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)信息。它可以采集、編輯、存儲(chǔ)最終將數(shù)據(jù)信息構(gòu)建為模型。改進(jìn)紋理映射算法后，還可以將原始的二維紋理圖像傳輸?shù)饺S模型的位置。拍攝區(qū)域可以通過(guò)三維模型更好地傳輸真實(shí)信息[3]。

無(wú)人機(jī)采集的圖像由Photoscan軟件處理，采集與編輯庫(kù)不分離。測(cè)繪技術(shù)由數(shù)字化向信息化轉(zhuǎn)變。在Photoscan軟件搭建的平臺(tái)上，將無(wú)人機(jī)拍攝中所獲得的所有地理元素用數(shù)字描述方法，完全滿足了地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)和制圖應(yīng)用的要求。在圖像顯示和打印高亮顯示過(guò)程中，可以動(dòng)態(tài)、符號(hào)化地進(jìn)行操作，符合方案規(guī)范，滿足設(shè)計(jì)圖紙要求，實(shí)現(xiàn)了地理信息系統(tǒng)與繪圖的統(tǒng)一。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上面的研究可以明確，在對(duì)大型水利工程進(jìn)行航測(cè)的過(guò)程中發(fā)揮無(wú)人的作用，一些細(xì)節(jié)都可以拍攝到位。但是，要確保無(wú)人機(jī)拍攝的圖像更為直觀，就需要轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的三維模型，采用Pix4Dmapper軟件是非常必要的，這種軟件具有采集信息和編輯信息的功能，而且在處理這些問(wèn)題的過(guò)程中可以直接建立數(shù)據(jù)庫(kù)，將建立的模型存儲(chǔ)在指定的數(shù)據(jù)庫(kù)中，這樣可以保證三維模型具有較高的精確度。