孫少楠，張 瑞，于景波，楊仲洪

(1.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450046;2.中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001)

隨著水利事業(yè)的發(fā)展，水利項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的提高，BIM技術(shù)在水利行業(yè)的應(yīng)用逐漸興起，三維可視化模型作為其主要部分，越來(lái)越被人們關(guān)注。傳統(tǒng)的三維地形模型往往是由人工外業(yè)采集數(shù)據(jù)信息，用地形處理軟件建立三維地形模型，而水利工程一般處于深山峽谷，地形條件較為復(fù)雜，測(cè)量工作較難開(kāi)展，且山區(qū)一般植被覆蓋較多，二維外業(yè)數(shù)據(jù)的采集受到測(cè)區(qū)內(nèi)樹(shù)木等植被遮擋、GPS信號(hào)不穩(wěn)定、全站儀通視不理想等因素的制約，需要專(zhuān)門(mén)的作業(yè)人員進(jìn)行相關(guān)的處理，且其地形表面紋理主要是依靠專(zhuān)業(yè)的3D渲染軟件(如3DS MAX，Lumion等)進(jìn)行人工黏貼，工作量大，效率較低，不能真正反映實(shí)際地形的表面情況，無(wú)法滿足大面積的三維地形建模要求[1]。無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)極大地調(diào)節(jié)測(cè)繪內(nèi)外業(yè)的協(xié)同工作，具有效率高、成本低、數(shù)據(jù)精確、操作靈活、側(cè)面信息可用等特點(diǎn)，滿足測(cè)繪行業(yè)的不同需求。無(wú)人機(jī)航拍可廣泛應(yīng)用于國(guó)家重大工程建設(shè)、災(zāi)害應(yīng)急與處理、國(guó)土監(jiān)察、公路選線[2]、新農(nóng)村和小城鎮(zhèn)建設(shè)[3]等方面，尤其在基礎(chǔ)測(cè)繪、土地資源調(diào)查監(jiān)測(cè)[4]、土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)字城市建設(shè)[5]和應(yīng)急救災(zāi)測(cè)繪數(shù)據(jù)獲取[6]等方面，具有廣闊的前景。孫濤文[7]等利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)與VR技術(shù)，與BIM技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)虛擬體驗(yàn)，來(lái)制訂房間的價(jià)格，通過(guò)高效率的攝影采集設(shè)備和高精度的數(shù)據(jù)處理方式，能夠以真實(shí)的效果和測(cè)繪級(jí)精度反映出研究對(duì)象的外觀特征、度及位置等信息；Claudia[8]等人以西班牙安達(dá)盧西亞的案例研究了無(wú)人機(jī)航測(cè)在溝渠測(cè)量中的應(yīng)用；李東[9]對(duì)山區(qū)水利項(xiàng)目實(shí)施無(wú)人機(jī)航測(cè)的必要因素進(jìn)行了研究。

1 無(wú)人機(jī)航測(cè)基本理論

1.1 無(wú)人機(jī)測(cè)繪系統(tǒng)組成

無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)主要由兩大部分組成。以數(shù)據(jù)采集為主的外業(yè)部分包括無(wú)人機(jī)主體、數(shù)碼傳感器、地面控制系統(tǒng)，以及用于無(wú)人機(jī)定位的GPS系統(tǒng)，系統(tǒng)組成如圖1所示。

(1)無(wú)人機(jī)主體。無(wú)人機(jī)主體包括固定翼和多旋翼。民用固定翼多為彈射式起飛，柔軟地面硬著陸，相對(duì)于固定翼而言其起落場(chǎng)地要求條件較為苛刻，在一些山勢(shì)較為復(fù)雜的地方活動(dòng)受限，而多旋翼對(duì)各種環(huán)境都能較好地適應(yīng)，續(xù)航方面多旋翼不如固定翼。

(2)數(shù)碼傳感器。數(shù)碼傳感器是數(shù)據(jù)獲取的主要場(chǎng)所。無(wú)人機(jī)作為搭載平臺(tái)可以搭載各種傳感器，受限于無(wú)人機(jī)的載重，傳感器重量不能太大。選擇像幅大、分辨率高的傳感器不僅能提高精度，也能減少運(yùn)算的工作量。

(3)GPS定位模塊。集成在無(wú)人機(jī)內(nèi)部的GPS定位模塊提供了粗略的飛行器定位。數(shù)據(jù)解析需要非常精細(xì)的相片方位元素，GPS模塊提供的坐標(biāo)信息并不能滿足要求，但在解析之前的相片配對(duì)中有重要作用，可以加快相片配對(duì)。目前，小體積、質(zhì)量輕的差分儀器的出現(xiàn)，極大地改善了這一狀況。無(wú)人機(jī)可攜帶式的差分儀器可大量減少像控點(diǎn)的布設(shè)，可減少90%以上的像控點(diǎn)，對(duì)于小片區(qū)域，甚至可以完全免像控點(diǎn)。

(4)地面操作系統(tǒng)。地面操作系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)和控制無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)。操作系統(tǒng)可以手動(dòng)實(shí)施控制飛行，也可以事先規(guī)劃好航線，讓無(wú)人機(jī)沿航線自動(dòng)飛行。無(wú)人機(jī)航測(cè)對(duì)數(shù)據(jù)完整性要求很高，手動(dòng)操作費(fèi)時(shí)間，而且完整性難以保證，因此航測(cè)時(shí)多為自動(dòng)飛行。自動(dòng)飛行也會(huì)帶來(lái)一定的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)實(shí)時(shí)觀察，預(yù)測(cè)到有潛在危險(xiǎn)時(shí)，及時(shí)轉(zhuǎn)換到手動(dòng)操作。

(5)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。數(shù)據(jù)處理平臺(tái)分為云計(jì)算和工作站兩種。由于航測(cè)數(shù)據(jù)處理工作量非常大，必須選擇高性能的平臺(tái)，否則非常占用時(shí)間，甚至?xí)?dǎo)致平臺(tái)的頻繁崩潰而無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。

圖1 無(wú)人機(jī)測(cè)繪系統(tǒng)組成

1.2 無(wú)人機(jī)測(cè)繪實(shí)施流程

在實(shí)施之前應(yīng)確定實(shí)施范圍并規(guī)劃出航測(cè)路線，航線的規(guī)劃對(duì)航測(cè)的效果有直接影響。實(shí)地考察，合理劃分航測(cè)區(qū)域，充分發(fā)揮無(wú)人機(jī)電池的功效。評(píng)估天氣情況，在良好天氣情況下，外業(yè)實(shí)施對(duì)數(shù)據(jù)的采集。作為數(shù)據(jù)處理的地圖，外業(yè)數(shù)據(jù)的檢查處理直接影響成果的精度，單架次的航攝影片質(zhì)量評(píng)定如下：

(1)飛行返航前對(duì)索引像片進(jìn)行檢查，看設(shè)計(jì)時(shí)的計(jì)算數(shù)量和返回的像片數(shù)量是否一致，確保無(wú)漏飛。

(2)影像清晰，分辨率滿足要求，無(wú)云影及煙霧，色調(diào)一致，色影分明，層次豐富、反差適中、灰霧度小。

(3)像片上不應(yīng)有云影、陰影、雪影，不存在大面積的反光現(xiàn)象。

(4)像片上不應(yīng)有斑點(diǎn)、擦痕、折傷及其他情況的藥膜損傷，沒(méi)有明顯模糊、重影及錯(cuò)位; 同像片上所有時(shí)鐘、框標(biāo)、像片號(hào)等齊全且清晰可辯。

(5)相同地物影攝影標(biāo)志，如圓水準(zhǔn)器、像色調(diào)應(yīng)基本一樣，不同架次像片的色調(diào)效果也要基本一致，像片應(yīng)具有一定的現(xiàn)勢(shì)性。

檢測(cè)滿足要求后，進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理形成初步成果；將內(nèi)業(yè)成果無(wú)損的引入到 BIM 工作流當(dāng)中，輔助工程管理，航測(cè)流程圖如圖2所示。

圖2 航測(cè)流程圖

1.3 無(wú)人機(jī)測(cè)繪與傳統(tǒng)測(cè)繪方式對(duì)比

隨著高新技術(shù)的發(fā)展與革新，航空攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，與傳統(tǒng)方法相比，航空攝影測(cè)量所需人員較少、拍攝范圍廣，但是價(jià)格昂貴、外界設(shè)施要求高。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)技術(shù)有了長(zhǎng)足發(fā)展，在航空攝影的基礎(chǔ)上，無(wú)人機(jī)攝影成為一項(xiàng)高新技術(shù)，其中傾斜攝影測(cè)量技術(shù)作為測(cè)繪遙感領(lǐng)域的又一突破，被廣泛應(yīng)用。

傳統(tǒng)的地形測(cè)繪技術(shù)一般使用GPS基站與全站儀測(cè)繪等。制作1km2的11000三維地形圖，用傳統(tǒng)方法與使用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)所消耗資源情況如表1所示。

表1 制作1km2 的11000三維地形圖所消耗資源表

表1 制作1km2 的11000三維地形圖所消耗資源表

方法耗時(shí)/h平坦區(qū)域山地人力/人設(shè)備投入/萬(wàn)元傳統(tǒng)方法20501030航測(cè)法610470

在人力方面，傳統(tǒng)測(cè)繪方式大約需要10位外業(yè)工作人員，且每位工作人員都需配備相應(yīng)的測(cè)繪設(shè)備；而無(wú)人機(jī)測(cè)繪只需要4人(1名工作人員標(biāo)畫(huà)控制點(diǎn)，1名飛手，2名工作人員設(shè)置地面控制點(diǎn))，可節(jié)省大量的人力資源。同時(shí)，無(wú)人機(jī)測(cè)繪工作人員的工作強(qiáng)度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)測(cè)繪方式。

在精度方面，傳統(tǒng)測(cè)繪方式的精度取決于測(cè)點(diǎn)的多少，而測(cè)點(diǎn)的多少又會(huì)直接影響測(cè)量耗時(shí)與工作人員的工作強(qiáng)度。無(wú)人機(jī)測(cè)繪的精度取決于飛機(jī)的飛行高度以及飛機(jī)所攜帶傾斜相機(jī)的參數(shù)，無(wú)人機(jī)測(cè)繪并非“單點(diǎn)式”測(cè)量方法，每平方公里可得到上萬(wàn)個(gè)測(cè)點(diǎn)。

2 無(wú)人機(jī)航測(cè)主要內(nèi)容

2.1 部分技術(shù)參數(shù)

(1)飛行器部分參數(shù)

類(lèi)型：四旋翼；全載重量：3060g；電池容量：4500mAh；最大水平飛行速度：22m/s。

(2)傳感器系統(tǒng)部分參數(shù)

云臺(tái)角度抖動(dòng)量：±0.005°；有效像素：26MP；照片最大分辨率：4000*3000；電子快門(mén)速度：1/8000-8s；鏡頭：20mm,f/2.8；傳感器尺寸：23.5*15.7mm；ISO范圍：100-25600。

2.2 航空攝影要求

根據(jù)《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》(CH/Z3005-2010)要求[10]，確定地面分辨率，相對(duì)航高，絕對(duì)航高和飛行路線。根據(jù)大比例尺航測(cè)圖的特點(diǎn)，結(jié)合測(cè)區(qū)的地形條件，各個(gè)飛行架次的飛行時(shí)間間隔依據(jù)實(shí)際情況而定，保證采集的影像照片有足夠的重疊度。

因此，本次測(cè)量地區(qū)位于河南省，為宜抽水蓄能電站的下水庫(kù)，測(cè)區(qū)由一部分平地及一小部分山地組成，受山地地勢(shì)影響，本次測(cè)量的相對(duì)航高為110m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%，測(cè)區(qū)內(nèi)設(shè)置控制點(diǎn)共19個(gè)，獲取影像的地面分辨率為3cm，共計(jì)獲取照片403張，所獲取的影像符合航攝影片的質(zhì)量評(píng)定要求。

2.3 影像數(shù)據(jù)處理

此階段使用ContextCapture Master軟件做影像的數(shù)據(jù)處理，將航拍的影像數(shù)據(jù)以及POS數(shù)據(jù)等輸入到軟件中，最終生成非單體對(duì)象化模型?？刂泣c(diǎn)坐標(biāo)見(jiàn)表2。

其處理過(guò)程如下所示：

(1)導(dǎo)入影像，并確定傳感器尺寸與焦距信息完整。

(2)將控制點(diǎn)與影響相關(guān)聯(lián)，在進(jìn)行空三角運(yùn)算拼合之前，人工對(duì)已測(cè)得的控制點(diǎn)與相應(yīng)的影像相關(guān)聯(lián)。

(3)確定導(dǎo)入數(shù)據(jù)完善后，提交空三角加密運(yùn)算。

3 無(wú)人機(jī)攝影三維地形模型精度分析

如圖3所示，在測(cè)區(qū)內(nèi)設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)，與模型中的點(diǎn)位相對(duì)應(yīng)，檢驗(yàn)由傾斜攝影技術(shù)建立的地形模型(圖4～圖7)精度是否達(dá)到大比例尺測(cè)圖精度，得出的誤差值見(jiàn)表3，誤差折線圖見(jiàn)圖8。

表2 控制點(diǎn)坐標(biāo)

圖3 控制點(diǎn)、誤差觀測(cè)點(diǎn)布置圖

圖4 空三角運(yùn)算結(jié)果

圖5 點(diǎn)云圖

圖6 點(diǎn)云構(gòu)建TIN(不規(guī)則三角網(wǎng)格)圖

圖7 灰度與RGB三維模型

由于工程建設(shè)領(lǐng)域目前還沒(méi)有制定類(lèi)似的標(biāo)準(zhǔn)，在此參照《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果 1500，11000，12000 數(shù)字規(guī)劃圖》對(duì)航測(cè)結(jié)果的誤差進(jìn)行評(píng)判。國(guó)家測(cè)繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)判依據(jù)是中誤差。中誤差是一種用來(lái)衡量觀測(cè)精度的數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)，又被稱(chēng)作“標(biāo)準(zhǔn)差”或“均方根差”。實(shí)際上是一組真誤差平方均數(shù)的平方根。中誤差求解公式如下：

其中:m表示中誤差；n表示檢查測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)；Δi表示檢查點(diǎn)的誤差。

表3 航測(cè)數(shù)據(jù)及誤差統(tǒng)計(jì)表

圖8 誤差折線圖

國(guó)家測(cè)繪的具體標(biāo)準(zhǔn)如表4和表5所示。

表4 平面位置中誤差

注：最大允許誤差為2倍中誤差

表5 高程中誤差

按照公式對(duì)航測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，得出誤差分析結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 航測(cè)誤差分析表

綜合以上內(nèi)容，可以得出以下結(jié)論：X精度、Y精度相差不多，在 0.04 左右波動(dòng)；高程精度略大于平面精度，在 0.055 左右波動(dòng)。航測(cè)精度可滿足測(cè)圖規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，可將精細(xì)化的實(shí)景模型與BIM模型相結(jié)合。

4 航測(cè)成果結(jié)合BIM技術(shù)應(yīng)用分析

4.1 土石方工程中無(wú)人機(jī)航測(cè)應(yīng)用

利用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)和 BIM模型建立精確的土石方調(diào)配模型，對(duì)合理利用開(kāi)挖石料、減少工程造價(jià)有重要意義。

(1)通過(guò)無(wú)人機(jī)航拍所得到的三維實(shí)景模型，在精度達(dá)標(biāo)的情況下，可進(jìn)行兩點(diǎn)之間距離、工作面面積、體積的測(cè)量工作。圖9為本工程水庫(kù)下游部分圍堰，實(shí)際總填方量為8412m3，使用此方法多次測(cè)量求平均值，得到的填方量為8352.6m3，與實(shí)際填方量相差不超過(guò)3%。

圖9 下游圍堰填方量

(2)與civil3D相結(jié)合的開(kāi)挖處理。如圖10～圖13，運(yùn)用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)，在開(kāi)挖區(qū)表土剝離和土方開(kāi)挖剝離工程完工之后，對(duì)暴露出的可上壩料層進(jìn)行航測(cè)，得出測(cè)區(qū)的點(diǎn)云模型，并導(dǎo)入 civil3d，由點(diǎn)云文件生成可上壩料層曲面。

圖10 航測(cè)地形圖

4.2 輔助邊坡危險(xiǎn)源識(shí)別與安全管理

本工程位于山區(qū)，施工區(qū)域大，地形復(fù)雜，施工過(guò)程中，地形受施工機(jī)械和爆破等人為因素干擾大，施工周期長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)施工條件多變。在施工人員活動(dòng)比較頻繁的區(qū)域往往存在著不穩(wěn)定因素，對(duì)這些不穩(wěn)定因素進(jìn)行及早判定，并實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警，是減少安全事故，保證施工人員人身安全的重要手段。

圖11 部分點(diǎn)云與等高線

圖12 導(dǎo)入civil3D開(kāi)挖

圖13 開(kāi)挖量的計(jì)算

根據(jù)《水電水利工程邊坡施工技術(shù)規(guī)范》，如圖14所示的區(qū)域邊坡高度大于30m，屬于高邊坡，且坡度在60°～ 90°之間，屬于急坡，然而此處明顯掛渣太多，存在安全隱患，應(yīng)進(jìn)行相關(guān)處理，以避免危險(xiǎn)事故的發(fā)生。

圖14 危險(xiǎn)源識(shí)別

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)作為一種成本相對(duì)低廉、快速有效的小區(qū)域測(cè)繪手段，輔助BIM技術(shù)進(jìn)行地形模型的建立，具有廣闊的應(yīng)用前景。本研究顯示了無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可快速建立三維地形模型的能力，且所得的地形模型具有一定的精度，可實(shí)現(xiàn)小區(qū)域內(nèi)批量化、自動(dòng)化的三維建模目標(biāo)，為BIM技術(shù)提供更加真實(shí)、可靠的三維模型產(chǎn)品，是BIM技術(shù)的有效補(bǔ)充。