劉翰琪， 董阿忠， 趙 鋼

(1.南京工業(yè)大學 測繪科學與技術學院， 江蘇 南京 211800； 2.江蘇省水利科學研究院， 江蘇 南京 210017)

水利是現代化經濟體系的重要基礎，是供給側結構性改革的關鍵措施，是生態(tài)文明建設的重要內容。當前，中國特色社會主義進入新時代，水利發(fā)展的內外部環(huán)境都發(fā)生了重大而深刻的變化，面臨著全新的形勢和任務要求。江蘇省濱江臨海，河湖眾多，隨著經濟社會快速發(fā)展，水利高質量發(fā)展成為江蘇高質量發(fā)展的重要組成部分。為了加強生態(tài)文明建設，促進現代化水利的快速發(fā)展，常規(guī)的航空攝影測量單一的垂直航測影像已無法滿足現今的建設需求。因此，實現多視角傾斜影像的獲取具有重要的現實意義。

近年來，無人機低空攝影測量作為發(fā)展較為活躍的研究領域，具有機動靈活、方便高效、作業(yè)成本低、適用范圍廣闊和生產周期短等特點，在現代化水利發(fā)展中的應用也愈發(fā)廣泛。低空飛行平臺搭載多種航攝傳感器后可獲取地面影像或掃描點云數據，可隨時對河湖等情況進行了解。無人機航測在快速獲取飛行困難地區(qū)的高分辨率影像方面具有明顯優(yōu)勢，并能利用獲取的數據進行正射影像制作、多光譜影像分析、數字線劃圖生產以及快速實景三維建模等。

1 傾斜攝影測量技術

作為測繪領域新興發(fā)展的技術，傾斜攝影測量技術融合了傳統(tǒng)的航空攝影和近景測量技術，打破了傳統(tǒng)正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從1個垂直、4個傾斜共5個不同的角度采集影像,見圖1。結合無人飛行平臺搭載的GPS/IMU系統(tǒng)獲取POS數據和像控點數據，經過相關軟件處理獲取點云數據、數字正攝影像和三維模型。飛行姿態(tài)平穩(wěn)、抗外界干擾性強的無人機飛行平臺是系統(tǒng)的基本保障。文中使用的無人機平臺大疆M600Pro包含了A3Pro飛行控制器，提供了三模塊冗余，且基于3組GNSS單元的數據增強了精準度。在6kg的負載下，該機仍可提供長達16min的續(xù)航和5km飛行距離。

圖1 傾斜攝影測量原理

2 數據處理及關鍵技術

無人機攝影測量的一般作業(yè)流程為：像片控制測量、高分辨率航測影像數據獲取、空三加密、立體三維模型生成。整體的作業(yè)流程圖如圖2所示。

圖2 無人機作業(yè)流程

2.1 地面控制方案

無人機攝影測量的數據采集需要布設一定數量的控制點作為數學基礎。需獲取控制點坐標及高程，其數量和在像片上的位置需滿足圖像信息處理的要求。根據測區(qū)地形條件、攝影資料及信息處理方法采取不同的布設方案。像控點應選擇在航攝像片上影像清晰、目標明顯的像點，實地選點時，也應考慮側視相機是否會被遮擋，相鄰相對和航線之間的控制點盡量公用，必須選擇在像片上明顯的目標點，對于弧形地物、陰影、狹窄溝頭、水系、高程急劇變化的斜坡、圓山頂、與地面有明顯高差的房角、圍墻角等，以及航攝后有可能變遷的地方，均不能設點。

2.2 影像匹配

對比傳統(tǒng)航測垂直影像，傾斜攝影測量的影像的旋轉角更大，傾斜攝影測量獲取區(qū)域內同一地物不同視角的影像，具有更高的影像重疊度，增加了數據的冗余度。因此，基于小角度旋轉角的常規(guī)匹配算法無法較好應用于傾斜航測的影像匹配。傳統(tǒng)攝影測量的影像匹配由于傳感器等硬件設備性能問題，常以單基線影響匹配為主，易出現“病態(tài)解”，且匹配精度和可靠性低。顧及傾斜影像的匹配涉及相機運動過程中投影變換的所有參數，屬于抗仿射變換匹配算法的一種，因此傾斜影像匹配采用ASIFT算法，該算法以特征為匹配基元，具有完全仿射不變特性。利用對同一地物的不同視角的影像，將單基線的“病態(tài)解”轉換為多基線的“確定解”，提高了影像匹配的精度，增強其可靠性。

2.3 空三加密

空三加密是傾斜攝影測量中重要的步驟。根據少量外業(yè)實測的控制點，按一定的數學模型，平差解算出攝影測量作業(yè)過程中所需的全部控制點及每張像片的外方位元素。

獲取了內方位元素、航高、比例尺、控制點坐標以及控制點的像點坐標后利用后方交會可解算像片的外方位元素。根據共線方程式：

(1)

(2)

經空間后方交會，通過多余觀測方程提高解算外方位元素精度，最后根據最小二乘法間接平差原理，采用逐步趨近的方法決算出外方位元素和加密點坐標。通過空三加密可不觸及被量測目標測定其位置與姿態(tài)，獲得測區(qū)范圍內任意點的絕對坐標。獲取了一定數量的加密點即可生成密集點云，以便進行建模后續(xù)工作。

2.4 多視角紋理映射

多視角紋理映射技術是城市建模中的主要內容之一，其目的在于恢復模型的真實感，增強模型的可視化效果。通過獲取影像的內、外方位元素，匹配二維影像上的線段與三維建筑物模型三維線段的投影結果完成配準，綜合影像遮擋影響、影像分辨率、模型法向量等因素選擇高質量的紋理，最終形成紋理庫以備模型的渲染。

3 水利行業(yè)的應用

3.1 洪澇災害的預警

三維模型可用于洪澇災害的淹沒分析和災害預損失評估。利用三維模型并結合周期降水量及水域周邊地理信息等數據，可實時監(jiān)測水域水位變化，通過模擬分析其水利地理環(huán)境可對洪澇災害做出預警。結合已有的物理模型，對其進行參數化表達并定義模型的輸入、輸出接口及分析算法，可實現對洪水水位及其演進過程的模擬計算；根據洪澇指數以及風險等級，在數據庫的支持下，結合相關數據，采用三維可視化數據可綜合預評估災害造成的損失情況。

3.2 智慧水利的感知

智慧水利是利用安裝在水利設施的智能感知設備，通過移動互聯(lián)網、衛(wèi)星通信和云計算處理等實現數據采集傳輸、智能控制級集成處理的空間信息服務系統(tǒng)。水利地理信息是智慧水利發(fā)展的關鍵要素。實時監(jiān)測水利地理環(huán)境、水生態(tài)變化，獲取動態(tài)水利信息是智慧水利的重要手段。無人機傾斜攝影測量采用多視角影像構建三維模型，真實地反映水利情況，快速、高效的表達目標水域及其周邊的水利地理信息，通過對水利環(huán)境實時、動態(tài)、三維的可視化表達，可重現真實的水利地理環(huán)境，實現水資源與管理者實時信息互動。

3.3 長江大保護的輔助

“長江大保護”是針對長江流域生態(tài)環(huán)境修復及發(fā)展提出的戰(zhàn)略性決策。為了保護長江流域的生態(tài)資源、生物多樣性資源、礦物資源和空間資源，“長江大保護”提出的“生態(tài)優(yōu)先，綠色發(fā)展”理念具有重要的意義。采用無人機傾斜攝影測量獲取數據并構建三維模型是做好“長江大保護”的重要技術手段之一。利用水域及其周邊環(huán)境的實景三維模型可實時監(jiān)測河道生態(tài)環(huán)境，提升河道生態(tài)河道，加強沿河特色生態(tài)風貌。有利于控源截污，實現實時水質監(jiān)測，強化快速反應。能有效打擊各種非法捕撈和違法違建，保護生物的多樣性。通過對模型的分析能提高用水效率、加強水資源保護，實現管理者與水資源實時互動，有助于加強管理保護監(jiān)管。

4 實例分析

4.1 測區(qū)概況

為了驗證無人機傾斜技術測量技術的應用效果，我們選擇緊鄰洪澤湖的成河鄉(xiāng)進行了航飛實驗，該區(qū)域位于江蘇省泗洪縣東部，洪澤湖西岸(東經118°38'19.00"～118°40'12.94"、北緯33°20'23.98"～33°21'21.15")。

測區(qū)四面環(huán)水，整體呈東西方向狹向分布，東西方向長度約3km，南北方向長度約1.3km，總面積約4km2。測區(qū)內主要地物為水塘、農田，有少量低層建筑。如圖3所示，紅色標注區(qū)域為測區(qū)的具體位置。

圖3 測區(qū)位置

4.2 測量技術

像控點布置：共布設59個像控點，分布在地勢平坦區(qū)域，避開磚窯煙囪、垃圾桶、電線桿等地面明顯凸起物，見圖4。

圖4 像控點分布圖

像片控制測量：使用網絡RTK技術獲取像控點的平面坐標和高程坐標，用于傾斜空三攝影測量的絕對平差，技術參數見表1。

本項目三維建模采用Smart3D軟件，該系統(tǒng)是一套基于圖形處理器GPU，無需人工干預，僅從簡單連續(xù)照片即可全自動生成高分辨率實景三維模型的三維編輯軟件。其運用最高效先進的運算法則，支持多種數據格式輸出，如obj，osgb，dae，xml等，可自由導入各種平臺并能進行三維模型的編輯修飾工作。

表1 航攝技術參數

4.3 數據處理

建立Block文件導入Smart3D軟件，檢查照片組是否存在影像丟失；在3DView中查看影像點的排列，將飄離在序列外的點直接刪除。數據載入之后，系統(tǒng)進行影像特征點提取，同名特征點匹配，最后采用光束法區(qū)域網整體平差解算出影像外方位元素，通過前方交會計算出加密點的地面坐標。自動化空三加密完成后可在3DView中可視化顯示解算成果。多次提交空三加密后可生成三維模型，見圖5。

圖5 模型效果圖

從三維模型的效果看，無人機航攝的測量精度已基本滿足水利工程測量的要求，且無人機三維實景建模較傳統(tǒng)的建模方法更為高效、更加逼真。但是，該建模方法還存在以下問題：(1)對于水域的建模存在空洞，若要完整還原地形，還需結合水下地形測量；(2)影像的質量直接影響模型成果的精度，對無人機設備的要求較高，影響飛行效率；(3)無人機航拍的影像數據量大，給內業(yè)數據處理工作帶來諸多不便，大面積區(qū)域的影像數據會影響模型輸出效率。

5 結 語

本文利用無人機采集傾斜數據影像，制作三維實景模型。結合實際工程項目完成三維實景建模，并通過精度對比分析得出模型，模型能滿足國家規(guī)范要求。通過實驗分析，該方案較之傳統(tǒng)傾斜攝影測量，成本低、效率高、且可控性強，對小型建模項目具有一定的借鑒和參考價值。但該方案也存在自身的局限性，要嚴格按照方案提出的數據采集方法和內業(yè)處理方法來執(zhí)行，并且影像的精度直接影響建模效果，對于無人機硬件設施要求較高。在參考本方案之前需對項目有一定的理解，以便在實際的操作過程中做出適當的調整。