李偉哲
(陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710000)
東莊水利樞紐工程是陜西省目前建設(shè)的設(shè)計(jì)庫容最大、大壩最高的水利樞紐工程。樞紐區(qū)位于渭北高原的大峽谷地區(qū),最大高差約600 m,河谷兩岸巖壁陡峭,多處呈倒坡狀態(tài),吊橋處峽谷深度170 m,底部河道最窄處僅15 m,吊橋位置處峽寬度175 m,壩址區(qū)域谷坡陡峻、谷底無法通行。
因?yàn)榈匦嗡拢瑐鹘y(tǒng)數(shù)字線畫圖(DLG)所含有的信息較為局限,與實(shí)際情況存在一定差異,無法為勘測設(shè)計(jì)人員提供可識(shí)別的地理位置信息。而如果建立較高分辨率的實(shí)景三維模型,可以較為真實(shí)且完整地展示現(xiàn)場樞紐區(qū)的地形地貌現(xiàn)狀,為勘察設(shè)計(jì)人員提供有效助力。
圖1 航攝范圍示意圖
航攝工作任務(wù)范圍見圖1 中紅線內(nèi)區(qū)域,周邊區(qū)域相對高差達(dá)到500 m,任務(wù)區(qū)域總面積約為1.2 km2。測區(qū)范圍內(nèi)有布設(shè)的平面和高程控制點(diǎn),作為像控點(diǎn)測量的起始點(diǎn)。
因周邊區(qū)域高差較大,體積較大的固定翼無人機(jī)無法采集到滿足精度原始影像,為滿足精度要求和飛行安全的要求下,決定采用大疆精靈4Pro 無人機(jī)進(jìn)行航攝,其自帶航拍器(型號(hào):DJI FC6310),焦距為 8.8 mm,使用 GPS/GLONASS 雙模定位并記錄影像位置信息。
樞紐區(qū)峽谷底交通困難、難以到達(dá),谷底無法布設(shè)像控點(diǎn),因此,像控點(diǎn)布設(shè)在峽谷邊沿(吊橋)以上可抵達(dá)區(qū)域;同時(shí)由于峽谷兩岸山體陡峭、植被茂密,布設(shè)了15 個(gè)像控點(diǎn),該間距足以滿足地形圖繪圖要求,見圖2。
像控點(diǎn)選在旁向重疊的中線附近,離開方位線的距離大于像幅寬的20%,距像片邊緣大于50 個(gè)像素[1]。
圖2 分層航攝范圍及像控點(diǎn)布設(shè)圖
航向重疊率大于75%、旁向重疊率大于65%。航向覆蓋超出攝區(qū)邊界線2 條基線,旁向覆蓋超出攝區(qū)邊界線大像幅的50%。
無人機(jī)傾斜攝影的飛行高度是航線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),相對行高確定的原則是需要根據(jù)任務(wù)要求選擇合適的地面分辨率[2],然后結(jié)合傾斜相機(jī)的性能參數(shù),按照計(jì)算公式:
式中:H 為航攝高度,分別取 30 m、150 m、300 m;f 為鏡頭焦距,大疆精靈4Pro 的鏡頭焦距為8.8 mm;GSD 為地面采樣間隔(地面分辨率),m;ɑ 為像元尺寸,大疆精靈4 Pro 的像元大小為2.4123 μm。
依此計(jì)算可以得到不同航高對應(yīng)的最低點(diǎn)的地面分辨率,依此決定分為三層航攝采集影像數(shù)據(jù)(見圖3):
1)相對航高300 m 航攝時(shí),航攝影像主要用于連接全局的像控點(diǎn),采用軟件規(guī)劃航線的方式由無人機(jī)自動(dòng)航攝。航攝區(qū)域如圖2 紅線范圍所示,相對河道底部的最大航高470 m,高處山脊的地面分辨率約為5 cm,河道底部的地面分辨率約為13 cm。
2)為了提高航攝范圍縱向中部的影像質(zhì)量,縮小航攝范圍,同時(shí)降低飛行高度[3],設(shè)定相對航高為150 m,航攝范圍如圖2 淺藍(lán)色所示,高處區(qū)域的地面分辨率約為4 cm,峽谷底部的最大航高320 m,河道底部的地面分辨率約為9 cm;為了避免兩岸山體對傳感器安全的影響,全程采用手動(dòng)模式航攝。
3)為了滿足谷底航攝地面分辨率達(dá)到5 cm 左右、同時(shí)保證峽谷底部兩岸側(cè)壁及谷底的航攝影像紋清晰,保證航攝傳感器安全,避免撞擊巖壁、吊橋等地物,經(jīng)反復(fù)計(jì)算優(yōu)化后,設(shè)定相對航高30 m,所示范圍如圖2 綠色區(qū)域;相對于谷底的最大航高200 m,該航攝高度航攝采用純手動(dòng)超低空飛行,緊貼峽谷兩側(cè)巖壁,使得采集峽谷底部的地面分辨率優(yōu)于5.5 cm。
圖3 航攝高度剖面示意圖
完成航拍影像的采集也需要對原始影像數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查,確保影像清晰,層次豐富,反差適中,色調(diào)柔和;能辨認(rèn)出與地面分辨率相適應(yīng)的細(xì)小地物影像。
空三解算軟件使用Bentley 公司的ContextCapture 軟件的AT 模塊,采用光束法局域網(wǎng)平差法進(jìn)行空三計(jì)算。
Bentley ContextCapture 軟件 AT 模塊經(jīng)過 Extracting Keypoints(提取特征點(diǎn))、Selecting Pairs(提取同名像對)、Initializati on Orientation(相對定向)、Matching Points(匹配連接點(diǎn))、Bundle Adjustment(區(qū)域網(wǎng)平差)等步驟的運(yùn)算處理,得到攝區(qū)空中三角測量成果。
多層影像與單層影像標(biāo)記像控點(diǎn)的方式相同,但是空三解算處理的連接點(diǎn)視圖結(jié)果經(jīng)常扭曲甚至失敗,多次嘗試增刪或修改像控點(diǎn)刺點(diǎn)片也無法完成空三解算[4]。利用ContextCapture軟件的“手動(dòng)連接點(diǎn)”的功能,在具有不同分辨率的影像之間,適當(dāng)添加手動(dòng)連接點(diǎn),以此加強(qiáng)不同分辨率影像之間的連接匹配,進(jìn)行強(qiáng)制匹配,減少軟件內(nèi)自帶算法的匹配失敗率,通過采用增加人工干預(yù)的方式解決空三解算自動(dòng)匹配失敗的問題,從而完成多層影像數(shù)據(jù)融合。
為了提高空中三角測量的成果精度,可以使用軟件對攝區(qū)進(jìn)行二次空三運(yùn)算,最終得到更精確的攝區(qū)空三結(jié)果。
建模處理工作站采用并行GPU 框架硬件,專用硬盤存儲(chǔ)可保證快速數(shù)據(jù)讀取及高效計(jì)算。另外,并行處理能力極大提高了計(jì)算機(jī)速度,減少了運(yùn)行時(shí)間。三維模型的生產(chǎn)使用ContextCapture 軟件處理的空三成果作為數(shù)據(jù)源。模型制作的計(jì)算任務(wù)量較大,為了提高數(shù)據(jù)處理的速度,處理過程中將測區(qū)分為多個(gè)處理單元,采用集群式運(yùn)算方式處理數(shù)據(jù)[5]。
Bentley ContextCapture 軟件根據(jù)航攝獲取的原始影像數(shù)據(jù)制作實(shí)景三維模型成果,真實(shí)地還原了地物的空間位置、形態(tài)和紋理。
輸出最終的可視化三維模型產(chǎn)品格式有:3MX、OSGB、STL、i3s 等,如圖4。其它附屬產(chǎn)品有:正攝影像圖、點(diǎn)云等。
圖4 實(shí)景三維模型截圖
在航攝區(qū)域內(nèi)GNSS-RTK 及全站儀外業(yè)采集73 個(gè)碎部點(diǎn)作為檢查點(diǎn),在三維模型產(chǎn)品完成后,根據(jù)檢查點(diǎn)相應(yīng)的位置,在三維模型產(chǎn)品上采集對應(yīng)位置的點(diǎn)高程,計(jì)算高程較差進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì),見表1。
利用實(shí)測點(diǎn)與三維模型采集的檢查點(diǎn)高程較差按同精度檢測的計(jì)算公式計(jì)算出高程注記點(diǎn)中誤差m注,見表2。
通過以上數(shù)據(jù)分析可以看出:
(1)采用1 m 等高距時(shí),高程注記點(diǎn)較差的粗差率為16%,超過限差規(guī)定的5%。
表1 三維模型的檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)表 單位:m
表2 高程注記點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)
(2)采用2 m 等高距時(shí),高程注記點(diǎn)較差的粗差率為1%,高程注記點(diǎn)中誤差m注為0.33 m,符合要求。
因此,根據(jù)檢測三維模型的高程精度檢查結(jié)果,其可以達(dá)到基本等高距為2 m 的1∶1000 比例尺地形圖的精度。
在大高差的峽谷地形區(qū)域內(nèi)無法通過航線規(guī)劃確保設(shè)備安全的情況下,可以通過手動(dòng)飛行來完成較小面積的航攝任務(wù),需要擁有一定的無人機(jī)的操控熟練度。
因航攝高度直接影響了采集數(shù)據(jù)的地面分辨率,故在起飛點(diǎn)規(guī)定的相對高度航攝的影像數(shù)據(jù)保證了較高處的數(shù)據(jù)精度,卻無法滿足較低處(如河道底部)的數(shù)據(jù)精度要求。所以無人機(jī)需要根據(jù)實(shí)際地面分辨率,采用分層航攝方式在不同的高度采集影像數(shù)據(jù),隨著航攝高度的降低覆蓋區(qū)域也需要縮小,保證航飛安全的前提下使不同高度航攝該高度重點(diǎn)區(qū)域的影像數(shù)據(jù),確保不同地形的模型皆滿足精度。
實(shí)景三維建模技術(shù)已經(jīng)逐漸被行業(yè)熟知,它包含非常豐富的地理信息,與其他專業(yè)相結(jié)合,就可以實(shí)現(xiàn)可視化水利工程的三維設(shè)計(jì),形成完整的、精確到構(gòu)件的地理信息數(shù)據(jù)庫,提供支撐項(xiàng)目各階段、各部分所需的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)信息,有效提升設(shè)計(jì)施工管理工作的效率。