張 釗，吳 鋒，尚海興，呂文康，王吉鴻

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065;2.新疆絲路坤元能源有限責任公司，新疆 哈密 839000)

0 前 言

貼近攝影測量技術是由張祖勛院士團隊于2019年提出[1]，其具有更高的空間分辨率和“多角度”觀測的優(yōu)勢[2-3]，但需要飛行器擁有可進行姿態(tài)控制的云臺和高精度定位系統(tǒng)兩項條件作為技術支撐。在水電站高壩建模應用領域中，此技術可以提供常規(guī)傾斜攝影無法拍攝區(qū)域的影像，在增加被關注區(qū)域紋理質(zhì)量的同時，可靈活實施多角度的補攝漏洞，甚至使興趣面達到毫米級分辨率，優(yōu)化其模型量測精度。

常規(guī)傾斜攝影測量技術在三維建模工作中表現(xiàn)良好[4]，但應用于已建成的水電站高壩中，壩后區(qū)域遮擋嚴重、弱光照、分辨率不統(tǒng)一等問題無法有效解決。在該類建筑物精細建模時，無人機如果過于接近被攝面，就會因影像重疊度不足，導致空中三角測量計算失敗或模型成果存在漏洞；若直接進行變高航攝，又會面臨電站上空輸電線路帶來的飛行風險。為解決該類問題，本文以青海某水電站三維實景建模工作為例，將“貼近攝影測量技術”和“傾斜攝影測量技術”融合后進行三維實景建模試驗，闡述2種技術融合后在水電站高壩模型精化時，如何優(yōu)化飛行線路、補充遮擋區(qū)域影像、統(tǒng)一模型精度，為解決常規(guī)傾斜攝影建模中常見的模型分辨率不統(tǒng)一、模型出現(xiàn)漏洞等問題提供方法。

1 技術方案及應用案例

1.1 試驗概況

本次試驗區(qū)為壩后式水電站，大壩壩體與壩后地面近乎垂直。試驗區(qū)面積約為1 km2，包含電站上游部分庫區(qū)，下游廠房和一定長度的河道。試驗區(qū)壩前水域范圍大，整體像控點布設少，壩高約160 m，壩長約410 m，兩側山體陡峭，壩后“凹陷區(qū)”內(nèi)全天光照不足、陰影重，壩體與壩后廠房間距平均約為40 m，空中有數(shù)條不同高度的輸電線路跨過。因工程需要，需航攝生產(chǎn)3 cm分辨率的三維實景模型。電站位置關系示意如圖1。

圖1 水電站位置關系示意圖

使用KWT-X6L-15六軸多旋翼無人機搭載RB-DG4Pros長焦五鏡頭航攝儀(以下簡稱KWT-RB航攝系統(tǒng))分兩層航高對試驗區(qū)進行傾斜攝影。首次攝影相對壩后地面航高為340 m；第二次相對壩后地面航高為180 m?！鞍枷輩^(qū)”、大壩起重機、廠房等興趣區(qū)使用大疆Phantom 4 RTK航攝系統(tǒng)(以下簡稱Phantom 4R航攝系統(tǒng))配合貼近攝影測量技術進行分區(qū)補攝，無人機貼近被攝影面距離為20 m左右。兩套航攝系統(tǒng)影像重疊度參數(shù)均設為航向80%，旁向80%。航攝系統(tǒng)的參數(shù)見表1。

1.2 技術流程及思路

無人機高精度定位技術為貼近攝影測量最主要的支撐技術之一，一般POS輔助空中三角測量平差中線元素效果更強于角元素[5]，加之貼近補攝時云臺角度的記錄準確性不高，故本次空中三角測量計算時，僅使用2種技術中POS的位置信息，而角度信息不參與計算。要將2種不同分辨率、不同設備獲取的影像進行融合，需盡量保證兩者的拍攝時間、光照強度、氣象條件接近，防止陰影過大和庫區(qū)霧氣變化過大等不利因素造成影響。

表1 航攝系統(tǒng)參數(shù)表

本次首先使用KWT-RB航攝系統(tǒng)對電站整體進行傾斜攝影，降低航高后對壩后低高程區(qū)域再次進行傾斜攝影，將兩次影像進行空中三角測量，完成初次建模；然后使用擁有三軸云臺的Phantom 4R航攝系統(tǒng)對弱紋理立面和存在漏洞的興趣區(qū)域、構件進行貼近攝影，最終將2種航攝系統(tǒng)生產(chǎn)出的影像融合后進行統(tǒng)一聯(lián)合空中三角測量，完成二次建模。本次試驗總體技術流程如圖2。

圖2 總體技術流程圖

1.2.1攝影前準備

有關文獻[6-7]中提到的方法在對航攝儀檢校且滿足精準相機參數(shù)、高分辨率高質(zhì)量的原始影像等條件后可以減少部分像控點。本次試驗區(qū)內(nèi)，因近一半為水域，導致無全區(qū)域標準像控布設條件，故在試驗區(qū)四周與壩頂中間均測設平高像控點，如圖1所示；同時在大壩上下游不同高度使用RTK技術均勻測設若干檢查點，用于后期對模型精度的檢查。因貼近攝影時無人機距被攝面近，故攝影前需踏勘了解擬作業(yè)區(qū)域飛行安全隱患，確定操控人員觀察點及無人機起降點，確保操控人員可以通過目視與圖傳系統(tǒng)結合后進行安全飛行。此外，由于飛行失誤可能會造成嚴重后果，航攝前應向有關管理部門對作業(yè)空間進行申請。

1.2.2傾斜攝影

影像間的重疊度越大，相鄰影像間的差異就越小，同名特征的搜索和匹配也就越容易[8]，本次將航向和旁向重疊度均設為80%。由于大壩高差大，為保證大壩不同高度分辨率接近，傾斜攝影時按照2種航高進行飛行：先通過公開的低精度DEM數(shù)據(jù)對試驗區(qū)內(nèi)按高程劃分區(qū)域，進行全區(qū)高航高航線飛行后，再規(guī)劃低航高航線。2次航攝完成后整理影像并進行空中三角測量，建立初次模型。該模型與現(xiàn)場踏勘記錄結合，更精準、多視角的了解被攝區(qū)域情況，為貼近攝影規(guī)避更多的飛行風險。

1.2.3貼近攝影

貼近攝影測量的本質(zhì)是對“面”攝影，若僅使用垂直的攝影影像，高程精度無法保證，所以需要加入傾斜影像，兩者優(yōu)勢互補能得到更準確、更優(yōu)質(zhì)的模型[9]。在初次模型上選出需提高分辨率、增強紋理、補攝漏洞等所有興趣體和興趣面，對這些區(qū)域進行貼近攝影，針對不同的區(qū)域規(guī)劃概略航線，調(diào)節(jié)云臺攝影角度，使相機鏡頭與每處被攝面盡量垂直后攝影。因貼近攝影測量的自動航線規(guī)劃系統(tǒng)尚未成熟，航攝時，利用Phantom 4R航攝系統(tǒng)，采用手控飛行模式，在初次模型的基礎上，完成貼近攝影測量航攝參數(shù)計算后進行手控航攝。配合實時圖傳系統(tǒng)，通過目視，可以實現(xiàn)較安全飛行，最終將每一興趣區(qū)域單獨進行空中三角測量。

(1) 興趣面攝影

對“凹陷區(qū)”等需要補攝的興趣面，通過初次模型量取、計算，確定貼近攝影測量航攝參數(shù)，后通過公式(1)計算出無人機貼近飛行的曝光點距離、相對于被攝面的方向[10]。

(1)

式中:Δs為水平方向兩曝光點的距離,m；Δh為垂直方向兩曝光點的距離,m；ox、oy為水平、垂直方向上期望重疊率；d為無人機貼近目標的距離,m；fovx、fovy分別為相機在水平、垂直方向的視場角，°。貼近攝影測量航攝示意如圖3。

圖3 貼近攝影測量航攝示意圖

(2) 興趣體攝影

為了增大貼近攝影測量的交會角，保證精細三維建模精度，需對被攝面進行相對“傾斜”的多角度攝影，將被攝面中容易遮擋忽略的細節(jié)覆蓋[9]。對大壩起重機、大壩壩體等興趣體進行貼近攝影補充，一般使用無人機對被攝興趣體進行分層環(huán)繞飛行，并保證影像重疊度。興趣體環(huán)繞攝影示意如圖4。

圖4 興趣體環(huán)繞攝影示意圖

1.2.4生產(chǎn)及檢查

不同航攝儀獲取的多源遙感影像之間匹配難度往往較大[11]。直接將2種航攝儀拍攝的不同分辨率、不同攝影角度的影像同時進行空中三角測量，大概率會出現(xiàn)空中三角測量失敗或模型“錯層”。故需將每個興趣區(qū)域單獨空三成果與初次傾斜攝影空三成果進行聯(lián)合空中三角測量，將兩種航攝影像匹配到可靠的同名點，失敗時需要手動添加部分連接控制點再繼續(xù)計算。多處多源的影像融合流程為建立多種影像的像點坐標系，使其產(chǎn)生映射的數(shù)學關系，然后根據(jù)此關系進行坐標轉(zhuǎn)換，最后融合[12-13]。貼近攝影影像與傾斜攝影影像之間的對應關系記為：

(2)

數(shù)學關系f表示為二元n次多項式：

(3)

式中:u,v分別為傾斜攝影影像坐標；x,y分別為貼近攝影影像坐標，稱為u,v的共軛點；aij,bij為待定的多項式系數(shù)，n=1,2,3…。

聯(lián)合空中三角測量完成后，進行二次建模。在本次使用的建模軟件中，軟件會自動檢測并使用同一位置分辨率相對較高的影像，修補初次模型漏洞，提升興趣區(qū)分辨率。由于水域影像匹配困難，壩前庫區(qū)模型中大面積出現(xiàn)漏洞，下游河流異常凸起或凹陷，需使用模型編輯軟件對異常部分進行編修。建模完成后通過前期測量的檢查點對模型進行精度檢查。

2 分 析

2.1 模型成果觀感、紋理情況

將二次建模成果和初次建模成果進行比較，發(fā)現(xiàn)僅使用傾斜影像建立的初次模型在遮擋區(qū)域存在一定漏洞，且壩體立面紋理弱，低處比高處更加明顯；而貼近攝影測量融合傾斜攝影測量方法生產(chǎn)的模型成果漏洞更少，壩體上下紋理顯示均勻，“凹陷區(qū)”模型質(zhì)量良好，空中輸電線路明顯，立面上樓梯紋理清晰，色彩對比度高。初次建模成果與二次建模成果特征、紋理對比如圖5、6。

圖5 立面紋理及漏洞對比圖

圖6 立面細節(jié)紋理對比圖

2.2 模型成果精度質(zhì)量

使用檢查點對本次模型量測精度檢查，發(fā)現(xiàn)興趣區(qū)二次建模成果精度優(yōu)于初次建模成果精度，且滿足相應測圖規(guī)范要求。在壩體不同高度處選取若干立面檢查2次模型成果分辨率，發(fā)現(xiàn)初次模型中，立面位置與傾斜攝影曝光點相對高差越大，分辨率越低；而二次模型中相對高差大于60 m后分辨率不降低。在相對高差小于40 m時，2次模型成果分辨率相同；在最大相對高差180 m的壩下地面處，兩次建模成果分辨率差距均最大。立面位置與傾斜攝影曝光點相對高差對應分辨率變化如圖7所示。

圖7 立面位置與傾斜攝影曝光點相對高差對應分辨率變化圖

2.3 貼近攝影測量技術與傾斜攝影測量技術融合方法的分析

在興趣區(qū)，使用“傾斜”和“貼近”2種技術融合的方法航攝生產(chǎn)的成果精度、分辨率明顯優(yōu)于僅使用傾斜攝影測量技術的成果。貼近攝影技術成果能對傾斜攝影模型進行精化，而初次建模成果對貼近攝影的航線規(guī)劃又有很大意義，兩者相輔相成。目前2種技術的融合需使用2種不同傳感器在不同時間段進行。因此，2種傳感器拍攝時陰影面積、通透性、曝光度等應盡量保持一致，否則將會給多源數(shù)據(jù)的融合帶來困難，對最終生產(chǎn)的模型在觀感和精度方面產(chǎn)生負面影響。手動航飛雖然自由度大但對飛行器的操控技術要求高，且不能嚴格執(zhí)行預設參數(shù)，現(xiàn)階段迫切需求用于貼近攝影智能航線規(guī)劃、云臺自動控制的軟件系統(tǒng)。專業(yè)設備若能實現(xiàn)對云臺角度自動控制且精準記錄，或可進一步提升影像融合成功率和模型精度。

3 結 語

本次介紹的多次空中三角測量方法給多源、不同分辨率影像融合提供了一種思路。試驗后發(fā)現(xiàn)，采用傾斜攝影測量與貼近攝影測量技術融合可在水電站高壩精細建模過程中發(fā)揮重要作用，較僅使用傾斜攝影測量技術優(yōu)勢明顯，尤其是可以對壩體立面、陡峭邊坡、弱光照、陰影等區(qū)域的紋理進行有效補充，提升分辨率，生產(chǎn)出整體質(zhì)量滿足要求的水電站模型。但受飛行器云臺角度限制，無法實現(xiàn)上視攝影，故對構建筑物某些空間面無法進行拍攝，還需進一步研究解決此類問題，或可以通過地面補攝裝置與特殊無人機補攝系統(tǒng)配合作業(yè)來實現(xiàn)[14]。