貼近攝影與傾斜攝影測量技術(shù)融合在水電站高壩精細(xì)建模中的應(yīng)用

張 釗，吳 鋒，尚海興，呂文康，王吉鴻

(1.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065;2.新疆絲路坤元能源有限責(zé)任公司，新疆 哈密 839000)

0 前 言

貼近攝影測量技術(shù)是由張祖勛院士團(tuán)隊于2019年提出[1]，其具有更高的空間分辨率和“多角度”觀測的優(yōu)勢[2-3]，但需要飛行器擁有可進(jìn)行姿態(tài)控制的云臺和高精度定位系統(tǒng)兩項條件作為技術(shù)支撐。在水電站高壩建模應(yīng)用領(lǐng)域中，此技術(shù)可以提供常規(guī)傾斜攝影無法拍攝區(qū)域的影像，在增加被關(guān)注區(qū)域紋理質(zhì)量的同時，可靈活實施多角度的補(bǔ)攝漏洞，甚至使興趣面達(dá)到毫米級分辨率，優(yōu)化其模型量測精度。

常規(guī)傾斜攝影測量技術(shù)在三維建模工作中表現(xiàn)良好[4]，但應(yīng)用于已建成的水電站高壩中，壩后區(qū)域遮擋嚴(yán)重、弱光照、分辨率不統(tǒng)一等問題無法有效解決。在該類建筑物精細(xì)建模時，無人機(jī)如果過于接近被攝面，就會因影像重疊度不足，導(dǎo)致空中三角測量計算失敗或模型成果存在漏洞；若直接進(jìn)行變高航攝，又會面臨電站上空輸電線路帶來的飛行風(fēng)險。為解決該類問題，本文以青海某水電站三維實景建模工作為例，將“貼近攝影測量技術(shù)”和“傾斜攝影測量技術(shù)”融合后進(jìn)行三維實景建模試驗，闡述2種技術(shù)融合后在水電站高壩模型精化時，如何優(yōu)化飛行線路、補(bǔ)充遮擋區(qū)域影像、統(tǒng)一模型精度，為解決常規(guī)傾斜攝影建模中常見的模型分辨率不統(tǒng)一、模型出現(xiàn)漏洞等問題提供方法。

1 技術(shù)方案及應(yīng)用案例

1.1 試驗概況

本次試驗區(qū)為壩后式水電站，大壩壩體與壩后地面近乎垂直。試驗區(qū)面積約為1 km2，包含電站上游部分庫區(qū)，下游廠房和一定長度的河道。試驗區(qū)壩前水域范圍大，整體像控點布設(shè)少，壩高約160 m，壩長約410 m，兩側(cè)山體陡峭，壩后“凹陷區(qū)”內(nèi)全天光照不足、陰影重，壩體與壩后廠房間距平均約為40 m，空中有數(shù)條不同高度的輸電線路跨過。因工程需要，需航攝生產(chǎn)3 cm分辨率的三維實景模型。電站位置關(guān)系示意如圖1。

圖1 水電站位置關(guān)系示意圖

使用KWT-X6L-15六軸多旋翼無人機(jī)搭載RB-DG4Pros長焦五鏡頭航攝儀(以下簡稱KWT-RB航攝系統(tǒng))分兩層航高對試驗區(qū)進(jìn)行傾斜攝影。首次攝影相對壩后地面航高為340 m；第二次相對壩后地面航高為180 m。“凹陷區(qū)”、大壩起重機(jī)、廠房等興趣區(qū)使用大疆Phantom 4 RTK航攝系統(tǒng)(以下簡稱Phantom 4R航攝系統(tǒng))配合貼近攝影測量技術(shù)進(jìn)行分區(qū)補(bǔ)攝，無人機(jī)貼近被攝影面距離為20 m左右。兩套航攝系統(tǒng)影像重疊度參數(shù)均設(shè)為航向80%，旁向80%。航攝系統(tǒng)的參數(shù)見表1。

1.2 技術(shù)流程及思路

無人機(jī)高精度定位技術(shù)為貼近攝影測量最主要的支撐技術(shù)之一，一般POS輔助空中三角測量平差中線元素效果更強(qiáng)于角元素[5]，加之貼近補(bǔ)攝時云臺角度的記錄準(zhǔn)確性不高，故本次空中三角測量計算時，僅使用2種技術(shù)中POS的位置信息，而角度信息不參與計算。要將2種不同分辨率、不同設(shè)備獲取的影像進(jìn)行融合，需盡量保證兩者的拍攝時間、光照強(qiáng)度、氣象條件接近，防止陰影過大和庫區(qū)霧氣變化過大等不利因素造成影響。

表1 航攝系統(tǒng)參數(shù)表

本次首先使用KWT-RB航攝系統(tǒng)對電站整體進(jìn)行傾斜攝影，降低航高后對壩后低高程區(qū)域再次進(jìn)行傾斜攝影，將兩次影像進(jìn)行空中三角測量，完成初次建模；然后使用擁有三軸云臺的Phantom 4R航攝系統(tǒng)對弱紋理立面和存在漏洞的興趣區(qū)域、構(gòu)件進(jìn)行貼近攝影，最終將2種航攝系統(tǒng)生產(chǎn)出的影像融合后進(jìn)行統(tǒng)一聯(lián)合空中三角測量，完成二次建模。本次試驗總體技術(shù)流程如圖2。

圖2 總體技術(shù)流程圖

1.2.1攝影前準(zhǔn)備

有關(guān)文獻(xiàn)[6-7]中提到的方法在對航攝儀檢校且滿足精準(zhǔn)相機(jī)參數(shù)、高分辨率高質(zhì)量的原始影像等條件后可以減少部分像控點。本次試驗區(qū)內(nèi)，因近一半為水域，導(dǎo)致無全區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)像控布設(shè)條件，故在試驗區(qū)四周與壩頂中間均測設(shè)平高像控點，如圖1所示；同時在大壩上下游不同高度使用RTK技術(shù)均勻測設(shè)若干檢查點，用于后期對模型精度的檢查。因貼近攝影時無人機(jī)距被攝面近，故攝影前需踏勘了解擬作業(yè)區(qū)域飛行安全隱患，確定操控人員觀察點及無人機(jī)起降點，確保操控人員可以通過目視與圖傳系統(tǒng)結(jié)合后進(jìn)行安全飛行。此外，由于飛行失誤可能會造成嚴(yán)重后果，航攝前應(yīng)向有關(guān)管理部門對作業(yè)空間進(jìn)行申請。

1.2.2傾斜攝影

影像間的重疊度越大，相鄰影像間的差異就越小，同名特征的搜索和匹配也就越容易[8]，本次將航向和旁向重疊度均設(shè)為80%。由于大壩高差大，為保證大壩不同高度分辨率接近，傾斜攝影時按照2種航高進(jìn)行飛行：先通過公開的低精度DEM數(shù)據(jù)對試驗區(qū)內(nèi)按高程劃分區(qū)域，進(jìn)行全區(qū)高航高航線飛行后，再規(guī)劃低航高航線。2次航攝完成后整理影像并進(jìn)行空中三角測量，建立初次模型。該模型與現(xiàn)場踏勘記錄結(jié)合，更精準(zhǔn)、多視角的了解被攝區(qū)域情況，為貼近攝影規(guī)避更多的飛行風(fēng)險。

1.2.3貼近攝影

貼近攝影測量的本質(zhì)是對“面”攝影，若僅使用垂直的攝影影像，高程精度無法保證，所以需要加入傾斜影像，兩者優(yōu)勢互補(bǔ)能得到更準(zhǔn)確、更優(yōu)質(zhì)的模型[9]。在初次模型上選出需提高分辨率、增強(qiáng)紋理、補(bǔ)攝漏洞等所有興趣體和興趣面，對這些區(qū)域進(jìn)行貼近攝影，針對不同的區(qū)域規(guī)劃概略航線，調(diào)節(jié)云臺攝影角度，使相機(jī)鏡頭與每處被攝面盡量垂直后攝影。因貼近攝影測量的自動航線規(guī)劃系統(tǒng)尚未成熟，航攝時，利用Phantom 4R航攝系統(tǒng)，采用手控飛行模式，在初次模型的基礎(chǔ)上，完成貼近攝影測量航攝參數(shù)計算后進(jìn)行手控航攝。配合實時圖傳系統(tǒng)，通過目視，可以實現(xiàn)較安全飛行，最終將每一興趣區(qū)域單獨(dú)進(jìn)行空中三角測量。

(1) 興趣面攝影

對“凹陷區(qū)”等需要補(bǔ)攝的興趣面，通過初次模型量取、計算，確定貼近攝影測量航攝參數(shù)，后通過公式(1)計算出無人機(jī)貼近飛行的曝光點距離、相對于被攝面的方向[10]。

(1)

式中:Δs為水平方向兩曝光點的距離,m；Δh為垂直方向兩曝光點的距離,m；ox、oy為水平、垂直方向上期望重疊率；d為無人機(jī)貼近目標(biāo)的距離,m；fovx、fovy分別為相機(jī)在水平、垂直方向的視場角，°。貼近攝影測量航攝示意如圖3。

圖3 貼近攝影測量航攝示意圖

(2) 興趣體攝影

為了增大貼近攝影測量的交會角，保證精細(xì)三維建模精度，需對被攝面進(jìn)行相對“傾斜”的多角度攝影，將被攝面中容易遮擋忽略的細(xì)節(jié)覆蓋[9]。對大壩起重機(jī)、大壩壩體等興趣體進(jìn)行貼近攝影補(bǔ)充，一般使用無人機(jī)對被攝興趣體進(jìn)行分層環(huán)繞飛行，并保證影像重疊度。興趣體環(huán)繞攝影示意如圖4。

圖4 興趣體環(huán)繞攝影示意圖

1.2.4生產(chǎn)及檢查

不同航攝儀獲取的多源遙感影像之間匹配難度往往較大[11]。直接將2種航攝儀拍攝的不同分辨率、不同攝影角度的影像同時進(jìn)行空中三角測量，大概率會出現(xiàn)空中三角測量失敗或模型“錯層”。故需將每個興趣區(qū)域單獨(dú)空三成果與初次傾斜攝影空三成果進(jìn)行聯(lián)合空中三角測量，將兩種航攝影像匹配到可靠的同名點，失敗時需要手動添加部分連接控制點再繼續(xù)計算。多處多源的影像融合流程為建立多種影像的像點坐標(biāo)系，使其產(chǎn)生映射的數(shù)學(xué)關(guān)系，然后根據(jù)此關(guān)系進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，最后融合[12-13]。貼近攝影影像與傾斜攝影影像之間的對應(yīng)關(guān)系記為：

(2)

數(shù)學(xué)關(guān)系f表示為二元n次多項式：

(3)

式中:u,v分別為傾斜攝影影像坐標(biāo)；x,y分別為貼近攝影影像坐標(biāo)，稱為u,v的共軛點；aij,bij為待定的多項式系數(shù)，n=1,2,3…。

聯(lián)合空中三角測量完成后，進(jìn)行二次建模。在本次使用的建模軟件中，軟件會自動檢測并使用同一位置分辨率相對較高的影像，修補(bǔ)初次模型漏洞，提升興趣區(qū)分辨率。由于水域影像匹配困難，壩前庫區(qū)模型中大面積出現(xiàn)漏洞，下游河流異常凸起或凹陷，需使用模型編輯軟件對異常部分進(jìn)行編修。建模完成后通過前期測量的檢查點對模型進(jìn)行精度檢查。

2 分 析

2.1 模型成果觀感、紋理情況

將二次建模成果和初次建模成果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)僅使用傾斜影像建立的初次模型在遮擋區(qū)域存在一定漏洞，且壩體立面紋理弱，低處比高處更加明顯；而貼近攝影測量融合傾斜攝影測量方法生產(chǎn)的模型成果漏洞更少，壩體上下紋理顯示均勻，“凹陷區(qū)”模型質(zhì)量良好，空中輸電線路明顯，立面上樓梯紋理清晰，色彩對比度高。初次建模成果與二次建模成果特征、紋理對比如圖5、6。

圖5 立面紋理及漏洞對比圖

圖6 立面細(xì)節(jié)紋理對比圖

2.2 模型成果精度質(zhì)量

使用檢查點對本次模型量測精度檢查，發(fā)現(xiàn)興趣區(qū)二次建模成果精度優(yōu)于初次建模成果精度，且滿足相應(yīng)測圖規(guī)范要求。在壩體不同高度處選取若干立面檢查2次模型成果分辨率，發(fā)現(xiàn)初次模型中，立面位置與傾斜攝影曝光點相對高差越大，分辨率越低；而二次模型中相對高差大于60 m后分辨率不降低。在相對高差小于40 m時，2次模型成果分辨率相同；在最大相對高差180 m的壩下地面處，兩次建模成果分辨率差距均最大。立面位置與傾斜攝影曝光點相對高差對應(yīng)分辨率變化如圖7所示。

圖7 立面位置與傾斜攝影曝光點相對高差對應(yīng)分辨率變化圖

2.3 貼近攝影測量技術(shù)與傾斜攝影測量技術(shù)融合方法的分析

在興趣區(qū)，使用“傾斜”和“貼近”2種技術(shù)融合的方法航攝生產(chǎn)的成果精度、分辨率明顯優(yōu)于僅使用傾斜攝影測量技術(shù)的成果。貼近攝影技術(shù)成果能對傾斜攝影模型進(jìn)行精化，而初次建模成果對貼近攝影的航線規(guī)劃又有很大意義，兩者相輔相成。目前2種技術(shù)的融合需使用2種不同傳感器在不同時間段進(jìn)行。因此，2種傳感器拍攝時陰影面積、通透性、曝光度等應(yīng)盡量保持一致，否則將會給多源數(shù)據(jù)的融合帶來困難，對最終生產(chǎn)的模型在觀感和精度方面產(chǎn)生負(fù)面影響。手動航飛雖然自由度大但對飛行器的操控技術(shù)要求高，且不能嚴(yán)格執(zhí)行預(yù)設(shè)參數(shù)，現(xiàn)階段迫切需求用于貼近攝影智能航線規(guī)劃、云臺自動控制的軟件系統(tǒng)。專業(yè)設(shè)備若能實現(xiàn)對云臺角度自動控制且精準(zhǔn)記錄，或可進(jìn)一步提升影像融合成功率和模型精度。

3 結(jié) 語

本次介紹的多次空中三角測量方法給多源、不同分辨率影像融合提供了一種思路。試驗后發(fā)現(xiàn)，采用傾斜攝影測量與貼近攝影測量技術(shù)融合可在水電站高壩精細(xì)建模過程中發(fā)揮重要作用，較僅使用傾斜攝影測量技術(shù)優(yōu)勢明顯，尤其是可以對壩體立面、陡峭邊坡、弱光照、陰影等區(qū)域的紋理進(jìn)行有效補(bǔ)充，提升分辨率，生產(chǎn)出整體質(zhì)量滿足要求的水電站模型。但受飛行器云臺角度限制，無法實現(xiàn)上視攝影，故對構(gòu)建筑物某些空間面無法進(jìn)行拍攝，還需進(jìn)一步研究解決此類問題，或可以通過地面補(bǔ)攝裝置與特殊無人機(jī)補(bǔ)攝系統(tǒng)配合作業(yè)來實現(xiàn)[14]。