路海濤

【摘 要】闡述了無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的特點(diǎn)、基本原理、作業(yè)流程，以王家壩閘工程應(yīng)用為例，利用無人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測量，基于BIM+GIS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量數(shù)據(jù)的快速獲取，搭建直觀的三維展示平臺(tái)，為工程日常管理和防汛搶險(xiǎn)提供技術(shù)支持。

【關(guān)鍵字】無人機(jī)傾斜攝影測量；三維建模；水利信息化；BIM+GIS

中圖分類號：P231.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）24-0213-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.102

【Abstract】This paper expounds the the characteristics，basic principles and operation flow of UAV Oblique Photography Technique. Take the application of Wangjiba Gate as a example， It helps the staff get high-quality data quickly and and complex 3D structure based on the BIM+GIS. Therefore the efficiency of routine work and flood control and emergency rescue could be improved.

【Key words】UAV Oblique Photography Technique； 3Dmax； Water Resources Informatization； BIM+GIS

0 引言

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)是近年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，傾斜攝影技術(shù)三維數(shù)據(jù)可真實(shí)反映地物的外觀、位置、高度等屬性；借助無人機(jī)，可快速采集影像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化三維建模，它的出現(xiàn)滿足了人們對三維信息的需求。

隨著水利信息化事業(yè)的推進(jìn)，BIM+GIS技術(shù)已廣泛應(yīng)用到水利行業(yè)，而無人機(jī)傾斜攝影測量在其中也發(fā)揮著越來越重要的作用。

1 傾斜攝影簡介

傾斜攝影技術(shù)，是通過在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器（目前常用的是五鏡頭相機(jī)）同時(shí)從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息。垂直地面角度拍攝獲取的是垂直向下的一組影像，稱為正片，鏡頭朝向與地面成一定夾角拍攝獲取的四組影像分別指向東南西北，稱為斜片。 攝取范圍如下圖1：

在建立建筑物表面模型的過程中，相比垂直影像，傾斜影像有著顯著的優(yōu)點(diǎn)，它能提供更好的視角去觀察建筑物側(cè)面，這一特點(diǎn)正好滿足了建筑物表面紋理生成的需要。同一區(qū)域拍攝的垂直影像可被用來生成三維建筑物模型或是對生成的三維建筑物模型的改善。

2 傾斜攝影技術(shù)特點(diǎn)

2.1 反映地物真實(shí)情況并且能對地物進(jìn)行量測

傾斜攝影測量所獲得三維數(shù)據(jù)可真實(shí)地反映地物的外觀、位置、高度等屬性，增強(qiáng)了三維數(shù)據(jù)所帶來的真實(shí)感，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)人工模型仿真度低的缺點(diǎn)，增強(qiáng)了傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用。

2.2 高性價(jià)比

傾斜攝影測量數(shù)據(jù)是帶有空間位置信息的可量測的影像數(shù)據(jù)，能同時(shí)輸出DSM、DOM、DLG等數(shù)據(jù)成果?？稍跐M足傳統(tǒng)航空攝影測量的同時(shí)獲得更多的數(shù)據(jù)。同時(shí)使用傾斜影像批量提取及貼紋理的方式，能夠有效地降低城市三維建模成本。

2.3 高效率

傾斜攝影測量技術(shù)借助無人機(jī)等飛行載體可以快速采集影像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的三維建模。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明：1～2年的中小城市人工建模工作，借助傾斜攝影測量技術(shù)只需3～5個(gè)月就可完成。

3 作業(yè)流程

利用建模軟件將照片導(dǎo)入到建模軟件中，通過計(jì)算機(jī)圖形計(jì)算，結(jié)合POS信息空三處理，生成點(diǎn)云，點(diǎn)云構(gòu)成格網(wǎng)，格網(wǎng)結(jié)合照片生成賦有紋理的三維模型。區(qū)域整體三維建模方法生產(chǎn)路線圖如下：

4 案例介紹

4.1 工程概述

王家壩閘上距淮源365公里，接近淮河黃金分割線，位于三個(gè)交點(diǎn)上：淮河上游與中游的交點(diǎn)，兩省三縣（安徽省和河南省，阜南、固始和淮濱）的交界點(diǎn)，三河（淮河、洪河和白露河）的交匯點(diǎn)。王家壩閘是濛洼蓄洪區(qū)的進(jìn)洪閘，興建于1953年，設(shè)計(jì)防洪保證水位29.30m，設(shè)計(jì)進(jìn)洪流量1626m3。王家壩水位被譽(yù)為淮河防汛的“晴雨表”和災(zāi)情的“風(fēng)向標(biāo)”，當(dāng)水位達(dá)到29.30m且繼續(xù)上漲時(shí)，王家壩閘由國家防總調(diào)度運(yùn)行，省淮河河道管理局負(fù)責(zé)實(shí)施。建成至今，王家壩閘已有12個(gè)洪水年份15次開閘蓄洪，累計(jì)蓄洪總量75億m3，有效削減了淮河洪峰，確保了淮北大堤、兩淮煤礦、沿淮重要城市及交通大動(dòng)脈安全。

為推進(jìn)王家壩閘工程管理信息化，進(jìn)一步提高技術(shù)管理水平，通過無人機(jī)對王家壩閘工程管理范圍及其周邊進(jìn)行傾斜攝影測量，搭建三維模型，并接入工程周圍河道地形數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)、工程運(yùn)行信息及視頻監(jiān)控信息等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，形成三維展示系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工程信息的立體化、實(shí)時(shí)化展示，為工程日常管理和防汛搶險(xiǎn)提供技術(shù)支持。

4.2 外業(yè)航飛

本工程外業(yè)采用六旋翼無人機(jī)配置五鏡頭傾斜相機(jī)航拍。在地面站設(shè)置及無人機(jī)組裝完成后，即可開始航測作業(yè)，無人機(jī)將依據(jù)指定的航線及參數(shù)設(shè)置，自動(dòng)完成航拍任務(wù)。傾斜航測采集的數(shù)據(jù)包括各拍攝點(diǎn)的多角度影像信息和對應(yīng)的POS數(shù)據(jù)。影像信息由五鏡頭相機(jī)獲取，無人機(jī)搭載相機(jī)以恒定速度對地面進(jìn)行等距拍照，采集到具有70%重疊率的相片；POS數(shù)據(jù)由飛控系統(tǒng)在相機(jī)拍照時(shí)生成，與相片一一對應(yīng)，賦予相片豐富的信息，包括經(jīng)緯度、高度、海拔、飛行方向、飛行姿態(tài)等。

4.3 數(shù)據(jù)處理

采用Context Capture軟件完成本次航測的后期影像數(shù)據(jù)處理。Context Capture是基于影像自動(dòng)化進(jìn)行三維模型構(gòu)建的并行軟件系統(tǒng)，軟件建模對象為靜態(tài)物體，輔以相機(jī)傳感器屬性、照片位置姿態(tài)參數(shù)、控制點(diǎn)等信息，在進(jìn)行空中三角測量計(jì)算、模型重建計(jì)算后，輸出相應(yīng)成果，以供瀏覽或后期加工。

4.4 模型修飾

基于Context Capture建立的三維模型，由于錯(cuò)誤的影像匹配或者較差的幾何姿態(tài)造成建筑變形（紋理拉花、結(jié)構(gòu)扭曲、破面缺面等）、懸浮物、丟失部件等問題。通過單體化軟件對模型進(jìn)行精修重建，使地物要素完整，從而達(dá)到后期應(yīng)用。通過利用建筑物、道路、橋梁、樹木等對應(yīng)的矢量面，對傾斜攝影模型進(jìn)行切割，把連續(xù)的三角面片網(wǎng)從物理上分割開，從而實(shí)現(xiàn)單體化。

本項(xiàng)目采用DP-Modeler軟件進(jìn)行模型單體化和模型修飾。DP-Modeler是一款可對三維模型進(jìn)行精細(xì)化修飾的單體化軟件，可針對第三方建模軟件自動(dòng)建模的成果進(jìn)行單體化精修、懸浮物刪除等工作，可得到精細(xì)化模型，達(dá)到后期應(yīng)用要求，其單體化精修流程如下：

4.5 效果展示

經(jīng)無人機(jī)傾斜攝影測量得到的王家壩閘工程及其管理設(shè)施三維模型展示如下：

4.6 實(shí)際應(yīng)用

通過對王家壩閘進(jìn)行三維建模，可直觀全方位瀏覽水工建筑物三維模型。結(jié)合BIM技術(shù)，通過傾斜攝影構(gòu)建技術(shù)構(gòu)建真實(shí)的建筑物外建構(gòu)面模型，利用BIM技術(shù)對建筑物內(nèi)部空間信息和屬性信息進(jìn)行科學(xué)化的管理；后期根據(jù)管理需要，通過接入王家壩水文信息、王家壩閘閘門自動(dòng)化控制系統(tǒng)相關(guān)信息，獲取水情、工期實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)在一張圖上展示和分析各類數(shù)據(jù)信息，為防汛決策提供準(zhǔn)確、詳實(shí)的立體化、實(shí)時(shí)化數(shù)據(jù)支撐。

5 技術(shù)局限

傾斜攝影測量技術(shù)作為新興的高科技成果，它的出現(xiàn)滿足了人們的需求，具有廣泛的應(yīng)用前景。但是作為一項(xiàng)新技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中還存在著一定的技術(shù)局限：

（1）匹配傾斜航空攝影后期數(shù)據(jù)影像的過程中，由于傾斜影像攝影比例尺不一致、分辨率差異、地物遮擋等情況造成獲得的數(shù)據(jù)當(dāng)中含有非常多的粗差，嚴(yán)重威脅著后續(xù)的影像空三精度。可見，如何使用傾斜攝影測量中的冗余信息進(jìn)行數(shù)據(jù)的高精度匹配是提升傾斜攝影技術(shù)實(shí)用性的關(guān)鍵。

（2）由于傾斜攝影測量的技術(shù)特點(diǎn)，其所形成的三維模型在表達(dá)整體的同時(shí)，某些地方存在模型缺失或失真等問題。對于水利工程而言，水閘造型復(fù)雜，其閘孔和閘墩處由于匹配影像較少，造成模型扭曲變形；在水面、玻璃等表面紋理少的地方，匹配不到特征點(diǎn)，容易產(chǎn)生漏洞。因此，為了三維模型的完整準(zhǔn)確地表達(dá)需要進(jìn)行局部區(qū)域的補(bǔ)測，常用方法是近景攝影測量系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)測，甚至可以采用機(jī)載或者車載激光雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行掃描。

（3）目前海量傾斜影像三維模型的存儲(chǔ)、管理、發(fā)布、應(yīng)用等方面，尚存在不少技術(shù)難點(diǎn)。

6 展望

當(dāng)前，信息化技術(shù)在水利工程建設(shè)中的普及和發(fā)展，有效的促進(jìn)了水利現(xiàn)代化的進(jìn)程，能夠?qū)崿F(xiàn)水利工程建設(shè)效率與質(zhì)量的雙重提高。使用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)可以快速的建立逼真的三維模型，實(shí)現(xiàn)水工建筑物空間全方位、高精度的可視化表達(dá)，對于水利信息化的發(fā)展有著不可忽視的推動(dòng)作用。未來，BIM+GIS協(xié)同應(yīng)用越來越廣泛，也為水利行業(yè)帶來思路上的大轉(zhuǎn)變，而無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的重要性也將更加突出。

【參考文獻(xiàn)】

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