李穎 毛俊杰

（湖南省水文儀器設(shè)備檢測中心 湖南長沙 410000）

當前，水利信息化朝著應用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)和人工智能等新一代空間信息技術(shù)方向發(fā)展，實現(xiàn)對水利對象及活動的服務，這也是水利基礎(chǔ)測繪工作的新課題，將面臨著更廣的現(xiàn)實需求。其在實現(xiàn)流域高質(zhì)量發(fā)展中的基礎(chǔ)性作用不斷強化，一是要繼續(xù)滿足傳統(tǒng)的流域規(guī)劃等方面的需求，提供傳統(tǒng)的以4D產(chǎn)品（DOM（數(shù)字正射影像圖）、DEM（數(shù)字高程模型）、DRG（數(shù)字柵格地圖）、DLG（數(shù)字線劃地圖））為主的基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品；二是要滿足新時代背景下“水利工程補短板、水利行業(yè)強監(jiān)管”、智慧水利、流域動態(tài)監(jiān)測、精準水情預報等愈來愈多樣化、定制化的新需求，提供各種尺度的從三維實體模型到一體化場景的地理信息產(chǎn)品［1］。

湖南省水文儀器設(shè)備檢測中心組織實施基本水文站的無人機傾斜攝影地理信息采集工作，對水文站上、下游河段及周邊進行三維建模，成果將應用于內(nèi)部信息平臺、四水項目、縣市級平臺、公眾服務平臺，讓受眾可直觀查看河段三維實景、水情實景模擬。

1 現(xiàn)狀分析

湖南水文測繪體系建設(shè)進程中，以服務于防洪減災、流域規(guī)劃、河湖治理、公眾應用為目的，著重提升快速、高精度三維河道數(shù)據(jù)獲取、處理與分析等方面的綜合服務能力。當前，由于技術(shù)限制，仍然存在一些問題和不足。例如，水下地形測繪、三維建模工作量大；基礎(chǔ)信息更新時效性不強；地形的應急測繪能力不足，難以滿足時效和精度的需求，亟需進一步提高三維河道空間數(shù)據(jù)快速獲取、處理及分析能力；河湖測繪的產(chǎn)品形式較為原始、單一，難以全方位地滿足現(xiàn)代江河治理與水利建設(shè)的需要［2］。

針對幾類問題，需要在以下兩方面重點改善：（1）打通快速獲取高精度三維空間數(shù)據(jù)瓶頸，為應急需求提供基礎(chǔ)保障；（2）建設(shè)湖南水文基礎(chǔ)地理服務平臺，提供更豐富，形式更多樣的測繪成果產(chǎn)品。因此，無人機傾斜攝影地理信息采集及三維建模成果可作為湖南水文的服務產(chǎn)品之一。無人機傾斜攝影地理信息采集及三維建模完成后，三維模型為今后進行測站基本信息展示、淹沒分析等提供數(shù)據(jù)支撐，是整個四水系統(tǒng)建設(shè)的重要一環(huán)。

2 技術(shù)路線

近年來，無人機產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，并在國防、公安、水利、電力、國土、農(nóng)林、石油、勘測、娛樂等行業(yè)廣泛應用。同時，無人機控制技術(shù)、數(shù)碼航攝技術(shù)及影像處理技術(shù)的不斷成熟，成功解決了傳統(tǒng)攝影測量上技術(shù)的困難和傳統(tǒng)測繪成本高、強度大的問題，無人機航測系統(tǒng)成為繼全站儀、RTK（實時動態(tài)定位）后新一代的測繪技術(shù)裝備［3］。傾斜攝影技術(shù)是國際上新發(fā)展起來的高新技術(shù)，它搭載多臺傳感器，從5個不同的角度對采集對象進行攝影（1 個垂直角度和4 個傾斜角度）?；跓o人機航測及傾斜攝影技術(shù)生產(chǎn)的4D 產(chǎn)品和實景三維模型已廣泛應用于國民經(jīng)濟建設(shè)的各個領(lǐng)域。

本中心開展了專題研究，多次深入水文測站現(xiàn)場進行實地試飛，探索最好的采集方法。通過不斷反復實踐比較，確立了查勘采集現(xiàn)場、確定采集范圍、布置采集控制點、測定經(jīng)緯度及高程、設(shè)定軟件參數(shù)、獲取現(xiàn)場地理信息、數(shù)據(jù)處理生成等工作措施，找到了最合適的無人機野外采集水文測站三維地理信息的辦法［4］。

3 系統(tǒng)組成

無人機傾斜攝影地理信息采集在蒙公塘水文站通過航測無人機搭載攝像機對流域進行拍攝，實現(xiàn)影像數(shù)據(jù)采集，對采集到的影像采用專業(yè)影像數(shù)據(jù)處理軟件進行處理，形成規(guī)范的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，再對采集的影像進行三維建模。系統(tǒng)組成見圖1，傾斜影像特點如下。

圖1 無人機傾斜攝影地理信息采集項目系統(tǒng)組成圖

（1）能反映流域周邊最真實的狀況。與正射影像相比，傾斜影像能提供多角度觀察地物，能更好地反映出流域的實際狀況，彌補了正射影像的不足。

（2）可進行單張影像的量測。通過影像處理軟件的應用，可基于影像成果直接進行長度、高度、面積、坡度、角度、剖面等的量測及堆積體體積的計算，使傾斜攝影技術(shù)在各行各業(yè)廣泛應用。

（3）數(shù)據(jù)格式量小，利于在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布。采用傾斜攝影技術(shù)得到的影像數(shù)據(jù)量要比三維GIS數(shù)據(jù)的量小得多，并且其影像的數(shù)據(jù)可快速進行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，實現(xiàn)共享。

4 蒙公塘水文站地理信息采集開展

4.1 站點基本情況

蒙公塘水文站1972年建站，是資水一級支流區(qū)域代表站，位于湖南省益陽桃江縣大栗港鎮(zhèn)蒙公塘組，屬山溪性暴漲暴落河流。它的集水面積約為509km2，干流長約72km，基本水尺斷面至河口距離7km。

4.2 項目開展流程

項目開展流程包括前期資料收集、現(xiàn)場勘察、編寫實施方案、像控點測量及航攝實施、三維建模、質(zhì)量評估、上傳四水系統(tǒng)，流程圖如圖2所示。

圖2 項目流程圖

4.3 操作步驟

（1）用地圖軟件確定地理信息采集范圍，標出確定像控點位置，如圖3所示。

圖3 蒙公塘水文站攝影區(qū)域及像控點位置

（2）在天氣晴朗、低空無云霧、能見度大于5km、太陽高度角大于45°時進行航攝。

（3）根據(jù)周邊環(huán)境，確定飛行高度是否合適（本次飛行高度為180m），對無人機設(shè)備進行組裝和進行飛行前例行檢查，將地圖文件導入遙控器，飛行航線要按照實際需要的地面分辨率進行設(shè)計，航線能完整覆蓋整個航拍區(qū)域。根據(jù)無人機的性能參數(shù)如巡航速度、續(xù)航時間、有遮擋及無遮擋環(huán)境下可控距離，以及航攝地區(qū)的地形特征等，規(guī)劃無人機的飛行航線及規(guī)定單架次飛行的最大飛行距離以保證無人機的飛行安全，確定飛行路線后輸入相關(guān)飛行參數(shù)。

（4）根據(jù)地圖文件上標記的像控點位置，在蒙公塘水文站周邊逐一進行像控點噴涂，同時，利用GNSS 接收機，采用實時動態(tài)測量RTK（Real-Time Kinematic）載波相位差分技術(shù)測量經(jīng)緯度及高程數(shù)據(jù)。像控點必須選在明顯且影像清晰的地物點上，如細田埂的交匯點、十字路口的道路中心線交匯點或其他接近正交的線狀地物交點，且選在航線（上下兩條）6 片重疊的范圍內(nèi)，使布設(shè)的控制點能用于多張像片。

（5）像控點噴涂完成后，開始無人機傾斜攝影，采集過程中要實時監(jiān)控采集過程。由于飛行范圍大、時間長，航攝中途要分幾次更換電池以保證設(shè)備安全與數(shù)據(jù)完整。飛行距離過遠可能遇到與無人機無法連接的情況，要對無人機進行及時召回，確保無人機與遙控器連接正常。

（6）在信息采集現(xiàn)場填寫《無人機傾斜攝影地理信息采集項目現(xiàn)場信息記錄表》。

（7）將攝影相機拍攝的照片用賽爾航測管家系統(tǒng)進行處理和輸出，拷貝至電腦。

（8）進行三維建模工作。將高分辨率的航攝影像及對應的POS 數(shù)據(jù)建模，建模前對起飛和降落階段不合格的數(shù)據(jù)進行剔除［5］?；贑ontext Capture，建立三維GIS模型，對模型精修和單體化處理，可能會存在由于錯誤的影像匹配或者較差的幾何姿態(tài)造成建筑變形、懸浮物、丟失部件等情況。通過單體化軟件，對模型進行精修重建，使地物要素完整，從而達到后期三維GIS 應用［6］。水面修飾即是用于展示的實景三維模型成果，需將水面的空洞、凸起或下陷的部分刪除、填充、整平并賦正常水面顏色。水文站模型修飾在修飾水文站特定模型時，要以其細節(jié)層次照片為基本依據(jù)，故在外業(yè)航片采集時，需對該特定地物進行多方位、多層次的環(huán)繞平拍。對水尺、傳感器等精細對象進行建模表現(xiàn)，需要實地使用相機拍攝全貌和細節(jié)，建模效果如圖4所示。

圖4 蒙公塘水文站三維模型

5 結(jié)語

雖然無人機應用技術(shù)在不斷深入，但是水文行業(yè)的基礎(chǔ)地理信息采集應用在我省還是首次，如何使無人機應用技術(shù)與水文專業(yè)技術(shù)要求和規(guī)范標準有機地結(jié)合起來，采集到適合水文工作需要的基礎(chǔ)地理信息，是一道前所未有的課題。將通過對各種自然環(huán)境下的水文站進行多次采集和研究，來完成更好的水文站三維建模，讓無人機傾斜攝影地理信息采集工作在湖南水文中充分發(fā)揮其作用。