基于無人機貼近攝影測量的高精度三維實景建模

摘要：為更好地將無人機貼近攝影測量應用于水利工程高精度三維實景建模中，通過對比貼近攝影測量技術與傾斜攝影測量技術，以溪洛渡水電站為例，研究對比了兩種技術方法得到的水工建筑三維模型呈現效果和模型精度。結果表明：傾斜攝影測量模型像素精度約1～2 cm，貼近攝影測量模型的像素精度約3 mm。貼近攝影測量三維模型能顯著提升模型紋理的精細度和形狀結構的準確度，但在長度測量精度方面的提升較小。研究成果可為無人機貼近攝影測量在水利工程中的應用提供參考。

關鍵詞：貼近攝影測量； 傾斜攝影測量； 無人機； 三維實景模型； 溪洛渡水電站

中圖法分類號：TV221.1;P231 文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.04.012 文章編號：1006-0081（2025）04-0061-05

0 引 言

隨著無人機技術的飛速發展，無人機技術與傳統攝影測量方法的結合得到越來越多的關注和研究，并被廣泛地應用于實景三維建模。現有的三維建模實景影像采集最常用的方式是使用無人機傾斜攝影測量，目前相關技術和應用已發展得較為成熟［1-2］。傾斜攝影測量可以獲取地物頂面及側面的高分辨率紋理信息，特別適合對側面信息豐富的目標進行數據采集，聯合無人機GPS差分、POS定位、慣性導航、光學傳感器等技術實現三維重現［3-6］。已有部分研究者將無人機傾斜攝影測量技術應用于水庫、水電站、大壩、堤防、邊坡、危巖體等水利工程及周邊環境的三維實景建模［7-13］和城市三維建模［14］。但是，無人機傾斜攝影測量在對非常規地面或人工物體表面進行精細數據采集時仍然面臨效率和數據質量兩方面的問題，特別是在采集建筑立面、高邊坡等垂直表面影像時，難以保證數據質量［15］。張永軍等［16］率先提出無人機貼近攝影測量的概念，利用無人機對非常規地面進行高精度影像自動采集，適用于邊坡、大壩、建筑物立面等，其采集影像精度及三維模型精度比傾斜攝影更高［17］。這種無人機攝影測量方法是通過縮短鏡頭與物體表面之間的距離獲取高清影像，同時為了避免距離過近，無人機根據初始地形調整拍攝角度和距離，輔以設置的俯仰角度和交向攝影角度，確保鏡頭垂直于拍攝表面。這種拍攝方式有效避免了冗余無效影像，最終獲取目標對象斜面、立面的完整表面紋理，并構建被攝目標的精細化三維模型。

大型水利工程的形態結構往往比較復雜，存在大量立面或斜面，如護坡斜面、壩面立面、壩頂建筑立面，使用傳統的無人機傾斜攝影難以有效地對其進行精細數據采集。本文使用貼近攝影測量方法［18］，充分利用無人機平臺在數據獲取方面的優勢，實現對溪洛渡水電站庫區邊坡亞厘米甚至毫米級別分辨率影像的自動化高效采集，并對傾斜攝影測量和貼近攝影測量技術的模型實景效果、測量精度進行對比分析。

1 研究區概況及數據獲取

1.1 研究區概況

溪洛渡水電站位于金沙江干流下游（攀枝花市至宜賓市）河段，是金沙江下游河段梯級開發中的第三個梯級水電站。電站于2003年開始籌建，2005年底開工，2007年工程截流，2009年3月大壩主體工程混凝土澆筑開工，2013年首批機組發電，2014年6月所有機組全部投產運行。電站最大裝機容量13 860 MW，是國家“西電東送”骨干工程。溪洛渡水電站以發電為主，兼有防洪、攔沙和改善上游航運條件等綜合功能效益，并可為下游電站進行梯級補償。

溪洛渡水電站工程位于四川省雷波縣和云南省永善縣接壤的金沙江峽谷段，屬于構造發育、侵蝕強烈的橫斷山地區，該處最大高差1 500 m。攔河大壩為混凝土雙曲拱壩，壩底高程324.5 m，壩頂高程610 m，壩高285.5 m，僅次于錦屏一級水電站（305 m）、小灣水電站（294.5 m），是國內第三高拱壩。大壩頂拱中心線弧長681.51 m，混凝土約680萬m3。樞紐泄洪設施為壩身7個表孔、8個深孔、壩后水墊塘和兩岸4條泄洪洞。

溪洛渡水電站庫區處于云貴高原和四川盆地兩大地貌單元所接壤的大涼山地帶向川中盆地的過渡地段，屬強侵蝕高山、中山地貌類型。由于庫岸線長、地質條件復雜，在庫區范圍內，巖層破碎，沖溝發育，地形起伏較大，風化剝蝕作用較強，降雨相對集中，滑坡等地質災害較頻繁，嚴重威脅庫區水電站的運行。

1.2 影像獲取和建模

1.2.1 無人機選型

該研究選用大疆科技創新公司的精靈Phantom 4 RTK無人機，配備2 000萬像素的24 mm等效焦距廣角相機。無人機搭載D-RTK系統，搭配RTK網絡服務或D-RTK2高精度GNSS移動站使用，配合TimeSync系統，實現飛控、相機與RTK的時鐘系統微秒級同步，可以獲取實時厘米級定位數據，這也是進行無人機高精度攝影測量所必須具備的功能。貼近攝影測量所需的另一功能是云臺的相機俯仰控制角度，以實現正對影像采集面的拍攝。該無人機搭載-90°到30°（俯仰）的高精度三軸增穩云臺，符合研究要求。

1.2.2 全景拍攝

通過常規的攝影測量，得到完整包含溪洛渡水電站樞紐區的大范圍低分辨率無人機影像。通過影像匹配、空中三角測量和密集匹配，得到水電站及其周邊環境的大致地形信息，為后續航線設計做準備。

1.2.3 航線設計

根據上述初始地形信息，設計溪洛渡水電站樞紐區的貼近攝影航線。電站的壩頂、壩面存在廠房、排水口等各類泄洪建筑物和引水發電建筑物，這些凸起的建筑、電線、路燈、金屬架等使無人機在這些區域進行低空飛行十分危險，無法規劃大范圍連續的貼近攝影測量航線。對存在凸起建筑的區域，將大范圍航線拆分為多個平面分別進行多次拍攝。

1.2.4 規劃拍攝斜面

選好研究區域后，依據所獲取的粗略地形信息，采用多個空間斜面對目標區域進行擬合。根據擬合斜面的角度，規劃出旋翼無人機的拍攝姿態及三維航跡，并設置飛行目標類型、最低安全飛行高度、飛行距離、起飛點高度等。傾斜攝影的飛行高度設置為20～40 m，航向、旁向重疊度均為70%左右。

根據多個空間斜面的坐標信息，無人機航飛的具體方式如下：每個空間斜面由2個上頂邊頂角坐標和2個下底邊頂角坐標確定，無人機每次由一個空間斜面確定航飛軌跡，以水平方向為主航跡方向，然后改變飛行高度以蛇形航線的方式覆蓋整個空間斜面。依次拍攝每個空間斜面，直至完成整個目標區域。由于精靈Phantom 4無人機只搭載一臺相機，為了實現傾斜攝影及后續三維建模，無人機對每一個空間斜面分別采用正視、左視、后視的方式拍攝，即在同一區域至少飛行3次。根據貼近攝影測量的方法，正視拍攝指相機正對目標建筑立面進行拍攝，而非正對大地水準面拍攝。

1.2.5 貼近攝影

將上述計算得到的三維航跡導入無人機飛行控制系統，確認飛行范圍和距離、航飛空間內無遮擋物后，自動進行貼近攝影，得到高分辨率的溪洛渡大壩邊坡影像。貼近攝影的飛行高度設置為5～20 m。貼近攝影航片的航向、旁向重疊度設置為80%。對邊坡兩端接近其他建筑物的區域及無人機無法自動飛抵的區域，采取手動操控無人機的方式進行近距離補拍。

1.2.6 建 模

對無人機獲取的高分辨率影像進行精確幾何定位和精細密集匹配，得到精細化高精度的三維模型。通過專業飛行控制軟件自動操控無人機完成數據采集后，采集到的航片使用Context Capture Center軟件自動進行空中三角測量，計算研究區域中影像的內、外方位元素。然后進行影像密集匹配，通過專業軟件自動匹配影像特征點，最終將融合點云導入Context Capture Center生成TIN格網。將采集的影像紋理映射到三維白模上，形成具有真實紋理的立體三維模型。模型的局部空洞和畸變位置通過3D Max軟件適當編輯修改。

為了測試貼近攝影測量對復雜水利工程立面的重建效果，將該方法應用于溪洛渡水電站樞紐區，建立了樞紐區貼近攝影測量模型。為了對比傾斜攝影測量技術與貼近攝影測量技術的成果精度，分別將兩種方法應用于溪洛渡庫區邊坡，對模型的實景效果、測量精度進行對比。

2 研究方法及過程

由于無人機傾斜攝影與貼近攝影存在飛行高度、飛行方式、拍攝角度等差異，想要比較貼近攝影測量和傾斜攝影測量兩種方法得到的成果精度，需要選取合適的地形進行對比研究。溪洛渡水電站庫區的邊坡區域地形較為平整規則、沒有凸起的建筑結構，可以實現整個區域的連續航線規劃，便于對比。因此，本文選取了同一邊坡區域進行貼近攝影測量模型和傾斜攝影測量模型的構建。

首先通過對比像素精度，對兩種模型進行精度評價。像素精度指無人機采集影像的分辨率，主要由相機參數和飛行高度決定。由于水工建筑并非平面地物，即便使用貼近攝影測量的方式調整拍攝斜面和拍攝角度，也無法保證相機正對目標建筑立面的拍攝距離不變。因此模型像素精度是基于平均飛行高度得到的平均值。

為了更直觀精確地對比兩種模型對實景地物還原的精度，在邊坡建模區域進行實地測量。由于貼近和傾斜三維模型的精度達到毫米級別，而GPS、GNSS、RTK等獲取絕對坐標的技術手段精度最高只能達到厘米級，因此無法有效地對模型的絕對坐標精度進行驗證。為了規避上述問題，在溪洛渡水電站庫區的邊坡區域選取了15條平整規則的護坡格網梁，使用卷尺人工測量其長度作為真實值，度量精度為毫米，從而實現模型上的相對距離精度對比。將真實值與傾斜模型長度、貼近模型長度進行對比。計算傾斜三維實景模型上測出的格網梁長度與實地手動測量的格網梁長度之差的絕對值，即傾斜模型絕對誤差。再計算貼近三維實景模型上測出的格網梁長度與實地手動測量的格網梁長度之差的絕對值，即貼近模型絕對誤差。15組誤差的平均值即為模型長度測量精度的中誤差。通過對比傾斜模型和貼近模型的中誤差，即可實現兩種模型精度的對比和評價。

3 結果與分析

3.1 樞紐區貼近攝影測量三維實景模型效果

得到的溪洛渡水電站樞紐區高精度貼近攝影測量三維模型如圖1所示。溪洛渡大壩主體和大壩馬道的結構、紋理均十分清晰真實。采用貼近攝影測量所采集影像空洞較少，壩面和馬道的豎直方向均能得到很好地呈現。通過對高精度三維模型采樣，模型像素精度在5 mm以內，大部分區域像素精度為2～3 mm。

3.2 庫區邊坡貼近模型和傾斜模型效果對比

溪洛渡水電站庫區邊坡區域的貼近攝影測量模型和傾斜攝影測量模型的區別主要體現在像素精度和實景呈現精細程度上。經過對三維模型成果的采樣測量，傾斜模型像素精度約為1～2 cm，高精度貼近模型的像素精度則達到3 mm以內。像素精度及其他參數對比見表1。

除了像素精度提升，高精度貼近模型更準確地展現了地物的三維形狀，如圖2的紅框處，傾斜模型格網梁凹陷處存在多處畸變、拉絲，貼邊處垂直方向存在多處三維形狀的缺失。高精度貼近模型則很好地構建出格網梁垂直方向的形態。

傾斜模型和高精度貼近模型對立體不規則物品形狀的識別能力也不同。圖3（a）傾斜模型中物品的形狀較圓潤平滑，圖3（b）高精度貼近模型中物品的形狀細節更豐富。這是因為貼近攝影測量能獲取到更密集的點云，建立的TIN網節點更多，最終模型成果也更真實詳細。

3.3 庫區邊坡貼近測量模型和傾斜測量模型精度對比

表2對比了3種方式測量的15條格網梁長度。傾斜測量模型的平均精度達到1.6 cm，貼近測量模型則為1.0 cm。盡管貼近模型的影像像素分辨率達到2～3 mm，遠高于傾斜模型的1～2 cm分辨率，但它的相對長度的測量精度與傾斜模型相差并不大，未能達到毫米級。這可能與卷尺測量的實測手段只能達到毫米級精度且測量值存在人工誤差有關。在格網梁表面凹凸不平的情況下，卷尺測量出的長度也存在誤差。

4 結 語

與傳統的傾斜攝影測量相比，無人機貼近攝影測量能更好地構建水電站樞紐區等復雜水工建筑的高精度實景三維模型，能更準確、清晰、精細地展現水利工程立面的結構和紋理，提升成果的實景紋理的精細度和三維形狀的準確度，但在長度測量的精度方面提升較小。這可能是因為貼近攝影測量側重于解決建筑立面的拍攝難點，能顯著提升無人機采集影像的分辨率，特別是垂直立面的分辨率。通過提高像素精度，更準確地定位地物邊線，使模型中地物的相對位置精度得到有限提升。貼近攝影測量適合用于實景展示，能很好地呈現物體高清細節，在測量精度方面的表現還需進一步驗證。

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（編輯：高小雲）

High-precision three-dimensional realistic modeling based on UAV nap-of-the-object photogrammetry

LI Yuncheng1，CHENG Zian2

（1.China Three Gorges Construction Engineering Co.，Ltd.，Yongshan 657300，China； 2.Changjiang Spatial Information Technology Engineering Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract： In order to address the application issues of UAV nap-of-the-object photogrammetry in high-precision three-dimensional realistic modeling of hydraulic projects，taking the Xiluodu Hydropower Station as an example，this paper compares nap-of-the-object photogrammetry with oblique photogrammetry，and investigates the presentation effect and accuracy of the three-dimensional models obtained by the two methods on hydraulic structures.It was found that the pixel accuracy of oblique photogrammetry models was approximately 1 to 2 cm，while the pixel accuracy of nap-of-the-object photogrammetry models was around 3 mm.Nap-of-the-object photogrammetry three-dimensional models can significantly enhance the fineness of model textures and the accuracy of shape structures，but exhibit minor enhancement in length measurement accuracy.The research results can provide a reference for the application of UAV nap-of-the-object photogrammetry in hydraulic projects.

Key words： nap-of-the-object photogrammetry； oblique photogrammetry； unmanned aerial vehicle； three-dimensional realistic model； Xiluodu Hydropower Station

收稿日期：2024-04-24

基金項目：湖北省自然科學基金計劃項目（2024AFB446）

作者簡介：李云城，男，高級工程師，主要從事水利水電工程、基礎處理工程及技術管理工作。E-mail：li_yuncheng@ctg.com.cn

作者簡介：程子桉，女，工程師，博士，主要從事水利遙感、地理信息系統及三維實景建模方面的研究工作。E-mail：chengzian@whu.edu.cn

引用格式：李云城，程子桉.基于無人機貼近攝影測量的高精度三維實景建模［J］.水利水電快報，2025，46（4）：61-65.