無人機傾斜攝影測量技術在水工建筑物精細化建模中的應用

◎ 張占勇 廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司

1.引言

根據(jù)水利部《關于大力推進智慧水利建設的指導意見》《“十四五”期間推進智慧水利建設實施方案》[1]等意見和條例，各級水利單位在開展組織水利數(shù)字孿生建設，在數(shù)字孿生流域建設過程中，一些重要的水工建構物如大壩、水閘等需要精細化建模提供可視化分析參考。無人機航攝在數(shù)據(jù)采集時具有快速、便捷的優(yōu)點在模型數(shù)據(jù)的采集時被廣泛應用，但如何利用無人機的傾斜攝影測量技術建立精細化的水工建筑物模型需要更多的實踐和探索，本文根據(jù)水工建筑物的特點提出優(yōu)化航線來提供數(shù)據(jù)采集的精度和效率。

無人機傾斜影像三維建模的關鍵技術包括數(shù)據(jù)預處理、空中三角測量、多視影像密集匹配、紋理映射等[2-3]。通過對影像數(shù)據(jù)做畸變差改正、增強處理等操作預處理，在進行影像的空三解算時根據(jù)特征點進行聯(lián)合平差來生產(chǎn)正射影像和三維模型。根據(jù)項目的需要采用特定的輸出格式和目標坐標系，在模型初步生產(chǎn)完畢再利用后處理軟件對模型進行修飾、單體化操作等。李煜東提出利用傾斜攝影技術建立實景三維模型可以對大型水利橋閘的除險加固工程進行三維可視化設計和管理[4]；姚永祥等提出利用無人機傾斜影像和GPS、BEIDOU數(shù)據(jù)相結合的方式建立精細化三維模型，可以在模型紋理上更加的清晰，但是在數(shù)據(jù)采集時航飛工作量比較大，數(shù)據(jù)處理時間較長[5]；卞敏等提出利用低空傾斜攝影測量進行精細化三維模型的建立，但是需要利用多個不同的飛機進行手動補拍來進行空地一體化建模[6]；王永生等提出利用單鏡頭和多鏡頭傾斜攝影聯(lián)合作業(yè)的模型對水利工程進行實景三維建模，在庫區(qū)的BIM建設和施工管理方面可以提供全周期的技術支持[7]；王啟龍通過使用精靈4RTK調(diào)整不同的拍攝角度來獲取水庫的實景三維模型，然后結合BIM構建了水庫的內(nèi)外實體結構，為水利工程的智能化管理應用提供了參考[8]；馬廣恩等利用無人機航測獲取了文川溪流域的實景三維模型，為數(shù)字流域提供了基礎地理數(shù)據(jù)，這種方法在智慧水利的建設中發(fā)揮了效率高、成本低的優(yōu)勢[9]。以上研究人員和工程技術人員通過利用多鏡頭和單鏡頭采集模型所需要的數(shù)據(jù)，雖然可以取得較好的成果，但是作業(yè)過程中會采集大量的照片，并且有時需要手動進行補拍，在重疊率方面無法獲得準確的保證，造成后續(xù)數(shù)據(jù)處理出現(xiàn)掉片、空三不通過等問題，本文通過采用單鏡頭設備只需優(yōu)化航線就能達到數(shù)字孿生建設所需要的三維模型，可以較大地減少照片數(shù)量和處理的工作量，為后續(xù)技術人員提供一種新的航攝方案。

2.試驗區(qū)域與技術路線

2.1 工程背景概況

飛來峽水利樞紐位于清遠市東北約40公里的北江河段上，是廣東省最大的綜合性水利樞紐工程。泄洪閘為一等1級建筑物，采用混凝土重力式結構，前沿總長285米，最大壩高52.3米，壩頂高程34.8米，壩頂公路橋?qū)?米。溢流壩共設16個溢流孔，孔口尺寸為14×12米，堰頂高程9米，工作門為弧形鋼閘門，固定式卷揚機啟閉。2022年6月，北江發(fā)生百年一遇大洪水，飛來峽水利樞紐發(fā)揮了巨大的防洪作用，為了更好的預防洪水的到來，需要建立數(shù)字化水閘實景三維模型。

2.2 技術路線

數(shù)字化水閘實景三維模型的建立需要對水閘進行精細化數(shù)據(jù)采集，包括水閘的閘門、閘墩、底板、工作橋、交通橋等部位。本項目根據(jù)水利部印發(fā)的《數(shù)字孿生流域數(shù)據(jù)底板地理空間數(shù)據(jù)規(guī)范（試行）》要求壩址及重點水工建（構）筑物區(qū)域的實景三維模型應優(yōu)于3cm，采取航線優(yōu)化及建模軟件優(yōu)選的方案對數(shù)據(jù)進行采集。在設備采集方面選用大疆精靈4RTK，航線規(guī)劃方面采用航跡大師軟件對測區(qū)進行帶狀防地飛行，模型重建方面采用大疆智圖軟件。具體的技術路線如圖1所示。

3.水工建筑物精細化模型構建

3.1 數(shù)據(jù)獲取

本次測區(qū)位置位于飛來峽水利樞紐的壩址位置，具體范圍如圖2所示，測區(qū)范圍較小，大壩精細化建模長度為500米，但水工建筑物結構復雜。利用的無人機采集設備為精靈4RTK，航線設計可以為“井”字飛行或五向飛行進行數(shù)據(jù)采集，但需要采集優(yōu)于3cm的實景三維模型，此方案不僅需要采集大量的影像數(shù)據(jù)，在效果上也不能獲取到精細的水工建筑物結構。

圖2 大壩位置示意圖

圖3 一控雙機作業(yè)圖

圖4 CC軟件空三傾斜前后對比

圖5 大疆智圖空三處理

圖6 大疆智圖重建模型

本項目使用航跡大師進行航線規(guī)劃，相比傳統(tǒng)的“井”字飛行和五向飛行節(jié)約數(shù)量和時間，本次使用的是區(qū)域環(huán)繞方式進行航線規(guī)劃，利用航跡大師軟件在飛行前根據(jù)分辨率設定飛行高度、旁向和航向重疊率、相機拍攝角度即可。可保證數(shù)據(jù)分辨率的一致性，且可生成任務航線直接導入精靈4RTK中執(zhí)行。為了提高數(shù)據(jù)采集的效率，在航線規(guī)劃時可以選擇雙機執(zhí)行的航線規(guī)劃，即在飛行時利用一控雙機的方式采集數(shù)據(jù)，可以節(jié)省時間50%，提高數(shù)據(jù)采集的效率。

如果使用五向飛行，按照重疊率航向80%，旁向70%計算，飛行高度73米，分辨率同樣是2cm，需要照片數(shù)量4 629張，需要采集時間210分鐘。使用航跡大師規(guī)劃航線，采用區(qū)域環(huán)繞方式進行規(guī)劃，飛行高度50米，航向重疊率和旁向重疊率均為50%，分辨率優(yōu)于2cm，照片數(shù)量1349張，采集時間120分鐘。

本項目中沒有采用手動補拍的方案，在實際生產(chǎn)中雖然手動補拍可以生產(chǎn)出更高精度的三維模型，但是面對水工建筑物本身的特點，存在金屬結構較多和大面積水面等弱紋理信息。手動補拍不能保證重疊率和在模型生產(chǎn)時出現(xiàn)掉片等現(xiàn)象。

3.2 模型構建

本項目中根據(jù)采用的設備和航線設計方案，采用大疆智圖軟件進行實景三維模型的生產(chǎn)，在實際生產(chǎn)中大疆智圖軟件對大疆無人機采集的數(shù)據(jù)具有更好的適配性，而且生產(chǎn)建模效率較高。模型構建過程主要包括空中三角測量、模型重建、模型修飾部分。

1）空中三角測量。建立新的工程項目文件，將影像數(shù)據(jù)導入工程中，根據(jù)影像的相對位置進行空中三角測量，由于數(shù)據(jù)采集是采用環(huán)繞方式進行，一次空三并不一定可以通過，可能會出現(xiàn)空三以后數(shù)據(jù)傾斜。在空三數(shù)據(jù)出現(xiàn)傾斜后，大都是由于GPS位置和飛行高度不一造成的，本次我們采集的高度為相對高度50米。在空三數(shù)據(jù)處理時選擇了大疆智圖和ContextCapture軟件進行對比，在使用CC軟件進行空三數(shù)據(jù)處理時出現(xiàn)了空三傾斜問題，針對本次試驗出現(xiàn)的這個問題，可以對空三數(shù)據(jù)再次進行空三，并適當?shù)恼{(diào)整空三前的參數(shù)設置，如連接點的密度設置為高等，通常再次進行一到二次空三即可解決空三傾斜的問題。

雖然CC軟件空三數(shù)據(jù)通過，但是通過對生成的點云進行查看發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)數(shù)據(jù)分層，無法直接用于三維重建。需要通過添加關鍵點和連接點等方式調(diào)整空三直至數(shù)據(jù)不分層通過。在通過大疆智圖軟件進行空三處理時，單機處理數(shù)據(jù)只用了10分鐘一次性空三通過。

2）模型重建及修飾。待空三通過以后，根據(jù)電腦的內(nèi)存配置，設置輸出的規(guī)則格網(wǎng)大小，通常不超過內(nèi)存的三分之二，按照給定的范圍線進行模型的重建。在使用大疆智圖軟件進行模型重建時重建場景選擇環(huán)繞，分辨率選擇高，選擇水面平整，輸出格式為OSGB 格式進行模型的重建。在使用電腦配置為CPU:Intel Core(TM) i9-9900X CPU @3.50GHz 20 cores，GPU: NVIDIA GeForce RTX 2080使用了100分鐘即完成了模型的重建。

模型重建完成后，通過觀察模型效果較好，完整地將大壩模型建立起來且泄洪閘等金屬構件清晰可見，無拉花模糊等問題。由于在生產(chǎn)時已經(jīng)將水面平整，故模型也沒有水面隆起等問題，只是局部有漂浮的水面、雜物等，需要利用DPModel等修模軟件對局部模型進行刪除處理，根據(jù)項目需要添加水面等即可完成水閘的精細化模型重建。

3.3 模型精細化評估

在模型重建完成及修飾后，為了評估模型是否達到精細化，將從以下幾個方面進行評估。

1）將生產(chǎn)的模型和實際的水工建筑物進行目視觀測對比，觀察模型的紋理、結構等與實際建筑物存在的差別。模型的紋理越清晰，說明模型的精細度越高。

2）從模型生產(chǎn)時空三的精度和實際精度進行分析?？杖戎灰獏⒖寄Ｐ蜕a(chǎn)時自動生成的精度報告從而判定是否符合要求。實際精度通過與RTK采集的檢查點對比進行評估。外業(yè)檢查點精度報告如表1所示，檢查結果符合《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》[10]。

表1 外業(yè)檢查點精度統(tǒng)計

4.結語

本項目中水工建筑物模型從數(shù)據(jù)采集到重建修飾完成用時約5小時，利用本項目中的技術方案在面對精細化水工建筑物建模方面具有很大的優(yōu)勢，可以快速高效地生產(chǎn)高精度實景三維模型。

利用無人機傾斜影像進行三維模型制作是目前廣泛采用的三維建模方式，它提高了三維建模的效率，在降低成本的同時提高了建模效果。根據(jù)數(shù)字孿生項目中水工建筑物精細化建模的需要，采用本方案可以使無人機自動執(zhí)行航線任務，獲取高精度的水工建筑物實景三維模型，相比使用手工補拍可以保證重疊率和精度，在數(shù)據(jù)處理時也不容易出現(xiàn)掉片等現(xiàn)象。為后續(xù)中小型水閘等水工建筑物模型的精細化建立提供了一種可行的參考方案。