傾斜攝影技術(shù)在水利工程中的應用研究

吳仰鋒

(廣東珠榮工程設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510000)

1 工程概況

某大型水庫調(diào)蓄樞紐工程，位于中低山區(qū)峽谷區(qū)，由攔河壩、引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房及開關(guān)站等建筑物組成。水庫大壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂總長220.0 m，壩頂寬6.0 m，最大壩高51.0 m，最大壩底寬42.4 m。大壩壩頂中段設(shè)泄洪表孔，為開敞式泄洪方式，共2孔，溢流總凈寬12 m，孔頂設(shè)6.0 m寬交通橋連接大壩兩端。溢流壩面以半徑12.0 m的圓弧段接消力池，消力池全長18.0 m、寬13 m，邊墻高5.0 m。場地地形整體呈寬緩“V”字形，地表植被發(fā)育豐富，主要以低矮樹木和灌木為主，大壩基礎(chǔ)范圍內(nèi)上覆地層為第四系河流相沉積層和沖積層，以粉質(zhì)黏土為主，下部基巖為泥質(zhì)粉砂巖和灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀主要為270°∠15°～20°，基巖內(nèi)發(fā)育多條構(gòu)造擠壓破碎帶。研究采用無人機傾斜攝影技術(shù)對水庫大壩進行測繪，試驗區(qū)域面積約1.46 km2，東西方向長2240 m，南北方向?qū)?50 m。

2 基于無人機傾斜攝影的水利工程三維數(shù)據(jù)重建

2.1 基于無人機傾斜攝影的傾角

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°[1]。無人機傾斜攝影儀鏡頭的角度變化對于構(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。在三維水利工程實景圖像模型構(gòu)建中，需要利用無人機傾斜攝影獲得的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[2]。

相比于傳統(tǒng)的RTK測繪技術(shù)或者衛(wèi)星影像攝影技術(shù)，無人機傾斜攝影搭載了航攝儀器，能夠直觀采集光學影像，由于其具有快速采樣、精度較高、體積小、重量輕的特點在工程測繪中得到廣泛應用，特別是在水利工程中，測繪人員無法到達流速較大的河流以及陡峭的懸崖中進行實地測繪，或者獲得的測繪數(shù)據(jù)精度較低，而無人機傾斜攝影技術(shù)成為最優(yōu)的選項[3]。在無人機傾斜攝影中，為構(gòu)建水利樞紐工程的三維數(shù)據(jù)，首先需對研究區(qū)域圖像進行數(shù)據(jù)采集，無人機設(shè)備搭載的光學相機按照導航裝置和人工地面操縱的設(shè)置進行低空巡航，并從不同的角度對研究區(qū)域的地形地物進行光學攝影，以獲得高精度的影響，并通過后期圖片處理技術(shù)自動化和智能化地構(gòu)建高分辨率的三維數(shù)據(jù)模型，基于無人機傾斜攝影技術(shù)的水利工程基本地形圖測繪流程如圖1所示。

圖1 無人機攝影技術(shù)在水利工程基本地形圖測繪中應用流程

采用的飛行器為大疆M600PRO[4]。在無人機傾斜攝影中，最大傾角對于傾斜水平分辨率和傾斜垂直分辨率的計算尤為重要，因此將相機鏡頭的最大傾角設(shè)置為42°，相機采用紅鵬AP2600，其的傳感器類型為CMOS，以滿足具有植被發(fā)育的山區(qū)地形測繪精度，影像的分辨率可以達到4096像素×2160像素，相機設(shè)備的有效像素為2000萬像素，焦距為8.8 mm，IOS范圍為100～3200像素，拍照時采用人工控制，機械快門速度可以達到8/2000～1/2000 s，而如果采用相機預定的自動控制，電子快門速度可以達到8/8000～1/8000 s。在采用整體航線法采集圖像參數(shù)時，將無人機的巡航高度設(shè)置為232 m，航向重疊率設(shè)置為80%，傍向重疊率設(shè)置為70%，以保證相鄰兩張攝影圖像之間有70%的重疊度，滿足地面分辨率0.03的要求，而采用局部疊加法采集圖像參數(shù)時，將無人機的巡航高度設(shè)置為155 m，航向重疊率設(shè)置為80%，傍向重疊率設(shè)置為70%，以滿足地面分辨率0.02的要求[5]。本研究共獲取整體航線法攝影圖像1590張，局部疊加法攝影圖像740張。

采集圖像借助Smart3D(12-15)和PhotoScan(1.4.5)軟件進行三維實景建模。通過PhotoS(8.0)軟件強大的空三能力，對無人機傾斜攝影原始圖像進行空三加密，并導入到Smart3D軟件中進行自動化三維建模，生成三維尺度的密集點云數(shù)據(jù)，利用密集點云數(shù)據(jù)構(gòu)建TIN不規(guī)則三角網(wǎng)、提取特征點坐標，構(gòu)建的水利工程TIN不規(guī)則三角網(wǎng)絡(luò)(trianglated irregular network)模型。水利樞紐工程的紋理和3D虛擬模型主要通過軟件自帶的S3CComposer工具編輯索引，完成水利樞紐工程建筑物和地形地物實景與提取特制點的相互融合，結(jié)果繪制呈三維白膜模型。

在水利樞紐工程建筑物與地形地物三維白膜模型構(gòu)建完成后，需要將采集到的二維紋理信息與三維白膜模型信息相互關(guān)聯(lián)，重構(gòu)研究區(qū)域豐富的表面紋理，并將二維信息轉(zhuǎn)化為三維信息，實現(xiàn)紋理的點面映射。在圖像紋理的映射過程中，由于現(xiàn)場采集的二維圖片具有海量信息，并且這些紋理投影與構(gòu)件的三維白膜模型之間存在的對應關(guān)系為多對一。在處理圖像過程中為了避免紋理變形和保證渲染準確，在二維圖像信息中篩選出最優(yōu)的映射成為關(guān)鍵，具體的實現(xiàn)方式是保持紋理法向向量與TIN不規(guī)則三角網(wǎng)絡(luò)模型中點相互對應，最終形成的高精度三維數(shù)字實景模型，構(gòu)建的水利調(diào)蓄樞紐工程以及地形地物的實景模型，紋理清晰、三維效果顯著、地形地物區(qū)分明顯，能夠真實反映實際物體的工程狀態(tài)。

2.2 無人機傾斜攝影和地面三維激光掃描的精度對比

表1為基于無人機攝影技術(shù)地物測繪解算結(jié)果和地面近景攝影圖像技術(shù)的地物測繪精度成果對比。從表中可以看出，兩種測繪方法得到的地物坐標結(jié)果十分相近，坐標x的誤差Δx最大值為0.0765 m，最小值為0.0145 m，平均值為0.0428 m；坐標y的誤差Δy最大值為0.0798 m，最小值為0.0083 m，平均值為0.0512 m。坐標點的平面誤差Δxy計算如式(10)所示。

表1 無人機攝影技術(shù)和地面三維激光掃描技術(shù)的地物測繪成果對比

(10)

坐標點的平面誤差Δxy的最大值為0.1056 m，最小值為0.0233 m，平均值為0.0704 m。

由以上分析表明，無論是坐標x的誤差Δx還是坐標y的誤差Δy還是坐標點的平面誤差Δxy，其最大值均遠遠小于0.5 m，因此滿足測繪成果規(guī)范的要求，無人機傾斜攝影在水利樞紐工程基本地形圖測繪中具有適用性，解譯精度高。

3 結(jié) 論

(1)基于無人機傾斜攝影的三角函數(shù)關(guān)系，推導了無人機傾斜攝影的傾斜水平分辨率和傾斜垂直分辨率。

(2)基于無人機傾斜攝影技術(shù)采集了大量的現(xiàn)場影像，通過后期數(shù)字圖片處理技術(shù)構(gòu)建了高精度的TIN不規(guī)則三角網(wǎng)絡(luò)模型、白膜模型，并將二維圖片紋理與白膜模型進行映射，生成高精度的三維數(shù)字實景模型，構(gòu)建的實景模型紋理清晰、三維效果顯著、地形地物區(qū)分明顯，能夠真實反映實際物體的工程狀態(tài)。

(3)基于無人機攝影技術(shù)地物測繪解算結(jié)果表明，測繪成果精度滿足規(guī)范要求，無人機傾斜攝影在水利樞紐工程基本地形圖測繪中具有適用性，解譯精度高。