劉林佳 黎鵬 付強(qiáng)

摘要： 利用無(wú)人機(jī)航測(cè)實(shí)時(shí)、快速、高效獲取基礎(chǔ)地理信息，為應(yīng)急處置決策提供依據(jù)。介紹了無(wú)人機(jī)航測(cè)立體建模的原理及技術(shù)流程，通過(guò)Smart3D平臺(tái)快速建立了應(yīng)急測(cè)區(qū)的立體模型，將模型導(dǎo)入到清華山維平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了研究區(qū)域的量測(cè)并進(jìn)行淹沒(méi)分析。結(jié)果表明：航測(cè)立體建模方法相較于傳統(tǒng)的測(cè)量方法具有高精度、高效率、低成本的優(yōu)勢(shì)，可為防汛應(yīng)急監(jiān)測(cè)提供一種實(shí)時(shí)高效的技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：航測(cè)立體建模;傾斜攝影測(cè)量;淹沒(méi)分析;Smart3D;防汛應(yīng)急監(jiān)測(cè)

中圖法分類(lèi)號(hào)：P335 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.05.003

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）05 - 0010 - 05

1 研究背景

當(dāng)前我國(guó)在防汛應(yīng)急監(jiān)測(cè)中，獲取基礎(chǔ)地理信息的常用方法一般為：使用全站儀、GNSS RTK采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行內(nèi)業(yè)成圖。這些測(cè)量方法存在一定的局限性與短板：測(cè)量人員需要去危險(xiǎn)的環(huán)境采集數(shù)據(jù)，存在一定風(fēng)險(xiǎn);數(shù)據(jù)獲取效率較低，獲取的數(shù)據(jù)是點(diǎn)狀信息，無(wú)法獲取全方位面狀信息;數(shù)據(jù)更新慢，無(wú)法快速獲取地理信息、監(jiān)測(cè)地形變化。

攝影測(cè)量的主要特點(diǎn)是在像片上進(jìn)行量測(cè)和解譯，無(wú)需接觸被攝物體本身，因而很少受自然和地理?xiàng)l件的限制，而且可攝得瞬間的動(dòng)態(tài)物體影像[1]。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是充分吸收了近幾年視覺(jué)測(cè)量領(lǐng)域的最新成果而逐步發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新數(shù)據(jù)采集技術(shù)。傾斜方式可獲取豐富的地物頂部及側(cè)面的高分辨率紋理，它不僅能夠真實(shí)地反映地物現(xiàn)狀，高精度地獲取物方紋理信息，還可通過(guò)先進(jìn)的定位、融合、建模等技術(shù)，生成真實(shí)的地表三維模型。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的方式已經(jīng)逐漸成為三維建模的主要技術(shù)手段之一，帶有地理信息的實(shí)景模型可為防汛應(yīng)急監(jiān)測(cè)提供重要的基礎(chǔ)信息，較好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)建模手段受限于數(shù)據(jù)分辨率過(guò)低而導(dǎo)致三維模型精度較低的不足。基于重建三維模型，結(jié)合GIS 空間分析及情景模擬，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量能夠增強(qiáng)災(zāi)情模擬動(dòng)態(tài)展示，為應(yīng)急監(jiān)測(cè)及處理提供服務(wù)[2]。

在防汛應(yīng)急監(jiān)測(cè)中，無(wú)人機(jī)航測(cè)立體建模具有高效率、高精度、低成本的優(yōu)勢(shì)。傾斜攝影技術(shù)基于多視影像，有效解決了傳統(tǒng)航測(cè)建模方式建筑物側(cè)面信息缺失的問(wèn)題，且其產(chǎn)品更加豐富，在生產(chǎn)實(shí)景三維模型的同時(shí)也能生產(chǎn) DOM、DSM、DEM等多種產(chǎn)品，大大增強(qiáng)了產(chǎn)品使用范圍，滿(mǎn)足了不同需求[3]。

2 航測(cè)立體建模工作原理及技術(shù)流程

兩像片影像重疊范圍內(nèi)的任意地面點(diǎn)在兩張像片上都分別有它們的同名像點(diǎn)，并與相應(yīng)的攝影中心組成同名射線，同名攝影射線是對(duì)對(duì)相交的。因此，攝影時(shí)攝影基線、同名射線、同名像點(diǎn)與地面點(diǎn)之間有著固定的幾何關(guān)系[1]：共線條件方程與共面條件方程。利用共線條件方程和像片重疊可以重建幾何模型。

傾斜攝影技術(shù)可通過(guò)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(chēng)為正片，鏡頭朝向與地面呈一定夾角拍攝獲取的4組影像分別指向東南西北，稱(chēng)為斜片。將傾斜攝影獲得的照片導(dǎo)入建模軟件中，通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形計(jì)算，結(jié)合pos和姿態(tài)信息進(jìn)行空三處理，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。

基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的航測(cè)立體建模流程如圖1所示，其主要內(nèi)容包括：資料收集與分析、航線設(shè)計(jì)、像控點(diǎn)布設(shè)與采集、航攝實(shí)施、傾斜三維建模、地形圖生產(chǎn)及模型應(yīng)用等工作。

3 航測(cè)建模在防汛應(yīng)急監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 防洪演練背景

長(zhǎng)江中下游防洪歷來(lái)是國(guó)家防汛工作的重中之重，雖然三峽工程運(yùn)行后，長(zhǎng)江中下游河段的防洪標(biāo)準(zhǔn)有所提高，但仍有可能出現(xiàn)超標(biāo)準(zhǔn)洪水、局部河段崩岸、潰口等情況。2019年水文年景總體偏差，汛期降水分布南多北少，長(zhǎng)江流域中下游發(fā)生嚴(yán)重洪澇災(zāi)害的概率較大。為應(yīng)對(duì)長(zhǎng)江中下游超標(biāo)準(zhǔn)洪水及崩岸、潰口等險(xiǎn)情，及時(shí)準(zhǔn)確實(shí)施超標(biāo)準(zhǔn)洪水、崩岸、潰口的水文測(cè)報(bào)，提升搶險(xiǎn)救災(zāi)應(yīng)急監(jiān)測(cè)及高效處置突發(fā)公共水事件的能力，完善快速、有序、高效的應(yīng)急工作機(jī)制，開(kāi)展了長(zhǎng)江中下游超標(biāo)準(zhǔn)洪水、崩岸、潰口水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)演練。

3.2 演練場(chǎng)景設(shè)置

假定長(zhǎng)江流域發(fā)生了長(zhǎng)江中下游超標(biāo)準(zhǔn)洪水，長(zhǎng)江干流荊江河段、城九河段水位居高不下，岳陽(yáng)河段出現(xiàn)局部崩岸，長(zhǎng)江中游某干堤出現(xiàn)了潰口。

按應(yīng)急處置程序和要求，應(yīng)急搶險(xiǎn)總隊(duì)奔赴崩岸潰口現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)施水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)，收集水位、流量、地形、水質(zhì)等水文資料，為搶險(xiǎn)決策提供依據(jù)。應(yīng)急監(jiān)測(cè)演練地點(diǎn)及設(shè)計(jì)如圖2所示，并按要求現(xiàn)場(chǎng)完成潰口口門(mén)寬度、地形測(cè)量及測(cè)區(qū)淹沒(méi)分析工作。

3.3 演練實(shí)施

按照事先制定的演練方案有序進(jìn)行推進(jìn)：利用垂直起降固定翼天相無(wú)人機(jī)搭載V4五鏡頭傾斜相機(jī)進(jìn)行傾斜攝影;利用Smart3D完成空中三角測(cè)量和立體建模;利用清華山維測(cè)量潰口口門(mén)寬度、進(jìn)行淹沒(méi)分析。

3.3.1 影像獲取

在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)測(cè)量了20個(gè)像控點(diǎn)（15個(gè)靶標(biāo)點(diǎn)，5個(gè)地面特征點(diǎn)，像控點(diǎn)示例如圖3～4所示），像控點(diǎn)分布見(jiàn)圖5，利用固定翼無(wú)人機(jī)搭載五鏡頭傾斜相機(jī)，設(shè)計(jì)航高700 m，航向重疊度80%，旁向重疊度60%，地面分辨率15 cm，航線布設(shè)如圖6所示。對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)進(jìn)行了傾斜攝影，本次航攝共飛行1個(gè)架次，5個(gè)相機(jī)采集影像3 410張，在完成航攝后，對(duì)影像質(zhì)量和飛行質(zhì)量進(jìn)行檢查：經(jīng)檢查，影像清晰、層次豐富、反差適中、色調(diào)柔和;像片無(wú)漏拍，像片傾角和旋偏角在規(guī)定范圍內(nèi)。

3.3.2 模型建立

建模主要包括3個(gè)方面的工作：建模準(zhǔn)備、空中三角測(cè)量以及三維重建。

（1）建模準(zhǔn)備。將外業(yè)采集回來(lái)的原始數(shù)據(jù)根據(jù)不同視角的相機(jī)分別存儲(chǔ)，完成 Smart3D工作集群建立后新建Smart3D 工程，將準(zhǔn)備好的影像文件、相機(jī)文件和POS文件導(dǎo)入Smart3D。高質(zhì)量的影像文件、準(zhǔn)確的相機(jī)文件和POS文件是空中三角測(cè)量的必要條件。

（2）空中三角測(cè)量。首先通過(guò)自動(dòng)提取連接點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)影像間的匹配，完成像片的相對(duì)定向;然后通過(guò)粗略刺少量控制點(diǎn)，再次平差，把相對(duì)定向建立的任意模型納入到所需的測(cè)量坐標(biāo)系中;經(jīng)過(guò)兩次平差后，精確刺所有控制點(diǎn)，再次提交平差，得到精確的空中三角測(cè)量成果。

（3）三維重建。在三維重建之前刪除了多余影像;確定了建模范圍;考慮到大片水域連接點(diǎn)較少，提前確定了水域范圍和高程;考慮到計(jì)算機(jī)集群的硬件設(shè)置及處理效率，選擇平面分塊方式進(jìn)行了分塊處理。對(duì)若干個(gè)瓦片進(jìn)行單獨(dú)重建，得到OSGB格式的傾斜實(shí)景三維模型，利用Smart3D對(duì)模型進(jìn)行編輯和修改，得到如圖7所示的三維實(shí)景模型。

3.3.3 潰口口門(mén)寬度量測(cè)與測(cè)區(qū)淹沒(méi)分析

通過(guò)建立的三維實(shí)景模型可實(shí)現(xiàn)研究區(qū)的量測(cè)，包括任意點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息、建筑高度、面積信息等。將編輯好的模型加載到清華山維軟件（圖 8），利用清華山維軟件空間量算功能可以快速量算潰口口門(mén)寬度。并利用清華山維軟件三維測(cè)圖模塊中的手繪等高線功能做了淹沒(méi)分析，當(dāng)水位漲到32 m時(shí)的淹沒(méi)效果如圖9所示。利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影、Smart3D立體建模、清華山維加載傾斜模型高效的完成了演練任務(wù)。

4 模型精度分析

4.1 基本定向點(diǎn)殘差

空中三角測(cè)量完成后，Smart3D自動(dòng)生成了平差報(bào)告，像控點(diǎn)平差后的殘差統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。由表1可以看出：20個(gè)像控點(diǎn)中，平面坐標(biāo)殘差最大值0.086 m，高程坐標(biāo)殘差最大值0.144 m，平差結(jié)果較好。

4.2 特征點(diǎn)精度檢查

將模型導(dǎo)入清華山維軟件，可實(shí)現(xiàn)研究區(qū)的量測(cè)。通過(guò)量測(cè)50個(gè)特征點(diǎn)位的坐標(biāo)和高程，并與2018年12月該測(cè)區(qū)江湖匯流項(xiàng)目的坐標(biāo)和高程進(jìn)行比較，比較結(jié)果見(jiàn)表2～3。

計(jì)算得到平面位置中誤差為0.159 m，高程中誤差為0.238 m。依據(jù)SL257-2017《水道觀測(cè)規(guī)范》中對(duì)專(zhuān)用地形圖的精度要求：平面位置允許中誤差為圖上0.5 mm，高程允許中誤差為0.15 m。應(yīng)急監(jiān)測(cè)測(cè)圖比例尺一般不大于1∶500，則平面位置允許中誤差不小于0.25 m。可見(jiàn)，航測(cè)立體建模平面精度滿(mǎn)足測(cè)圖需求。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

本文以長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局在岳陽(yáng)防洪應(yīng)急演練中的工作為基礎(chǔ)，闡述了航測(cè)立體建模的原理和流程，并對(duì)模型的精度做了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明精度滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求。同時(shí)，航測(cè)立體建模方法相較于傳統(tǒng)的測(cè)量方法具有高精度、高效率、低成本的優(yōu)勢(shì)。無(wú)人機(jī)航測(cè)立體建模不僅可用于淹沒(méi)分析，還可用于防汛中的地形圖測(cè)繪，土方量計(jì)算等方面。

同時(shí)，發(fā)現(xiàn)本次航測(cè)立體建模過(guò)程中還存在一些問(wèn)題：水面匹配點(diǎn)較少，在后續(xù)的建模過(guò)程中容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)空洞，需要在建模后修復(fù)空洞;對(duì)于重要建筑物例如橋梁、房屋的建模仍然需要地面補(bǔ)拍部分照片來(lái)進(jìn)行精細(xì)建模;由于物理帶寬網(wǎng)速的限制使數(shù)據(jù)的集群處理難以達(dá)到理想的工作效率，可以建立萬(wàn)兆網(wǎng)和磁盤(pán)資源共享的方法提高航測(cè)數(shù)據(jù)處理的效率。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯：江 文）

Abstract： In order to provide a basis for emergency disposal decisions in flood control，? UAV aerial survey can be used to acquire basic geographic information in real time， quickly and efficiently. The principle and technical process of UAV aerial survey stereoscopic modeling are introduced. Quickly establishing stereoscopic model of the emergency test area through Smart3D platform and importing it into Tsinghua Shanwei platform can realize the measurement function of the study area and inundation analysis. The analysis results show that the aerial stereo modeling method has the advantages of high accuracy， high efficiency and low cost compared with the traditional measurement method， and can provide a real-time and efficient technical means for emergency monitoring of flood control.

Key words： aerial survey stereo modeling; oblique photogrammetry;flood model of inundation; Smart3D;flood prevention emergency monitoring