劉倫華，周勝潔，夏袁菡子

（1.湖北省引江濟(jì)漢工程管理局，湖北 武漢 430064；2.湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430064）

近年來(lái)，全國(guó)水利行業(yè)劃界確權(quán)工作穩(wěn)步推進(jìn)。傳統(tǒng)方式一般是采用數(shù)字線劃圖作為水利工程劃界確權(quán)的底圖，而隨著傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，三維實(shí)景模型因其高效高精度、低成本且高度直觀化的特點(diǎn)[1-3]，在水利工程劃界確權(quán)工作中能夠發(fā)揮極大的作用。

本文以南水北調(diào)中線一期引江濟(jì)漢工程劃界確權(quán)項(xiàng)目為例，通過(guò)構(gòu)建引江濟(jì)漢工程全線的三維實(shí)景模型，在滿足項(xiàng)目位置精度和紋理精度的基礎(chǔ)上，借助二維矢量要素與三維模型疊加作為底圖[4]，由管理單位確認(rèn)了引江濟(jì)漢工程的界樁位置、管理范圍線和永久征地線，高效地完成了引江濟(jì)漢工程的劃界確權(quán)工作。

1 實(shí)際案例分析

1.1 測(cè)區(qū)基本情況

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于湖北省引江濟(jì)漢工程區(qū)域。測(cè)區(qū)面積約56.7 km2，呈帶狀分布，水域面積較多。實(shí)驗(yàn)區(qū)據(jù)項(xiàng)目需求，分為3 個(gè)大區(qū)，如圖A、B、C，其中B區(qū)要求地面分辨率為2 cm，A、C 區(qū)要求地面分辨率為8 cm。為此，A、C 兩區(qū)采用成都縱橫CW10 無(wú)人機(jī)配備的DP-5-0-2400 相機(jī)，其中正射鏡頭焦距為20 mm，4 個(gè)傾斜鏡頭焦距為35 mm，像幅6 000×4 000，以下簡(jiǎn)稱相機(jī)1；B區(qū)采用大疆公司M300配備的賽爾102S pro相機(jī)，其中正射鏡頭焦距為25 mm，4個(gè)傾斜鏡頭焦距為35 mm，像幅6 000×4 000，以下簡(jiǎn)稱相機(jī)2。測(cè)區(qū)及相機(jī)如圖1所示。

圖1 測(cè)區(qū)及相機(jī)示意圖

1.2 航空攝影

根據(jù)續(xù)航時(shí)間及測(cè)區(qū)范圍，設(shè)計(jì)飛行多個(gè)架次，不同架次重疊3~4條航線，三區(qū)航向重疊度80%，旁向重疊度70%，因分辨率及相機(jī)焦距不同，三區(qū)航高也有所差別。A、C 測(cè)區(qū)平均相對(duì)航高約為300 m，B區(qū)平均相對(duì)航高約為120 m。最終獲得244 069 張影像，其中A、C 區(qū)影像51 056 張，B 區(qū)影像共193 013張。全區(qū)共布設(shè)256 個(gè)控制點(diǎn)，分布在帶狀研究區(qū)域的兩側(cè)。

1.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

1.3.1 技術(shù)路線

采用傾斜攝影軟件對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、相對(duì)定向、絕對(duì)定向、空中三角測(cè)量之后，對(duì)空三結(jié)果進(jìn)行分析,在滿足項(xiàng)目所需精度的前提下，生成整體三維實(shí)景模型。模型紋理精度及位置精度經(jīng)檢查通過(guò)后，在ArcGISpro 中將三維模型轉(zhuǎn)化成.slpk 格式，將初始界樁位置、原來(lái)的管理范圍線及永久占地線轉(zhuǎn)化成ArcGIS 支持的數(shù)據(jù)格式.mdb 后，將其疊加在三維模型上。在經(jīng)由管理單位多方調(diào)整確認(rèn)后，得到最終的界樁位置、管理范圍線和永久占地線等劃界成果流程圖如圖2所示。

圖2 操作流程圖

1.3.2 軟件選擇

1）模型生成軟件的選擇。傾斜攝影軟件多以國(guó)外軟件為主，如Context Capture、Pix4D、Photo Scan等。隨著國(guó)內(nèi)自主研發(fā)攝影測(cè)量軟件的不斷改進(jìn)，瞰景Smart3D、大勢(shì)智慧、大疆制圖等國(guó)產(chǎn)軟件在空三效率與質(zhì)量上已經(jīng)可與國(guó)外軟件一較高下[5]。傾斜攝影測(cè)量中影像處理的關(guān)鍵技術(shù)主要有區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、多視影像密集匹配等[6-8]，通過(guò)密集匹配得到的真彩色點(diǎn)云，構(gòu)建三維格網(wǎng)，利用紋理映射技術(shù)，把二維空間點(diǎn)的顏色映射到三維物體表面[9]。國(guó)內(nèi)外傾斜攝影空三軟件原理大致相同，但由于算法不同，優(yōu)缺點(diǎn)不一，因此在效率與質(zhì)量上綜合考量后，結(jié)合項(xiàng)目數(shù)據(jù)量、航高差異較大及硬件水平，采用了瞰景Smart3D 全自動(dòng)實(shí)景三維建模軟件作為空三處理軟件，以生成項(xiàng)目區(qū)域的三維實(shí)景模型。

瞰景Smart3D 全自動(dòng)實(shí)景三維建模軟件，是一套以數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量、計(jì)算視覺、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等技術(shù)為核心，開發(fā)的一套適用于快速全自動(dòng)傾斜攝影測(cè)量三維實(shí)景建模國(guó)產(chǎn)軟件，其空三算法高效，獨(dú)有的分布式空中三角測(cè)量算法讓測(cè)量成果更精確、穩(wěn)健，實(shí)現(xiàn)了傾斜實(shí)景三維大數(shù)據(jù)全流程的并行處理，它不僅支持集群運(yùn)算，多種操作系統(tǒng)(包括Linux)，而且支持單機(jī)多開充分利用計(jì)算機(jī)資源，具有更高的處理效率，節(jié)省大量建模時(shí)間，在對(duì)較大數(shù)據(jù)量的傾斜攝影空三建模中具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

2）二三維數(shù)據(jù)融合顯示軟件的選擇。目前市面上主流的GIS 軟件，如超圖、天際航、Skyline、Arc-GISpro、圖新地球、大勢(shì)智慧等，都支持二三維數(shù)據(jù)的融合顯示，可在實(shí)景三維模型上疊加顯示二維數(shù)據(jù)，但每個(gè)軟件支持的三維模型格式不同，側(cè)重點(diǎn)不一，顯示效率及支持的數(shù)據(jù)量也有差別。在綜合考量后，選擇了ArcGISpro 作為引江濟(jì)漢劃界確權(quán)項(xiàng)目的二三維數(shù)據(jù)融合顯示平臺(tái)。

ArcGISpro 作為ESRI 公司面向新時(shí)代的GIS 產(chǎn)品，在繼承原有的Arcmap 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理、制圖、空間分析等能力的基礎(chǔ)上，獨(dú)有的二三維融合、大數(shù)據(jù)、超強(qiáng)制圖等功能都極為強(qiáng)大。劃界確權(quán)工作的重要內(nèi)容是確定界樁位置、管理范圍線和永久占地線是否符合現(xiàn)實(shí)情況，因此，ArcGISpro二三維一體化的數(shù)據(jù)可視化、管理、分析和發(fā)布等功能，能夠在項(xiàng)目中發(fā)揮重要作用。

1.3.3 模型成果精度檢查

通過(guò)瞰景Smart3D 軟件對(duì)項(xiàng)目數(shù)據(jù)進(jìn)行處理生成三維模型后，可以從紋理和位置精度2 個(gè)方面對(duì)模型精度進(jìn)行檢查[10]。從圖3 中可以看出，在三維模型瀏覽軟件中參照航拍角度固定瀏覽視角，同時(shí)拉伸到與實(shí)際分辨率相符的高度去查看模型，模型整體較完整，地理要素的類型齊全，而且要素之間無(wú)縫銜接，看不出明顯的變形、拉花，模型的部位結(jié)構(gòu)（如樓層、墻角、外部門窗）的相對(duì)位置關(guān)系正確，管線、道路的直線特征明顯，可判定模型紋理質(zhì)量合格。

圖3 拾橋河閘站模型俯瞰圖

三維模型作為測(cè)繪產(chǎn)品，平面及高程精度需要滿足相應(yīng)的規(guī)程規(guī)范。整體的三維實(shí)景模型生成后，采用天際航實(shí)景三維測(cè)圖系統(tǒng)DP-Mapper軟件進(jìn)行控制點(diǎn)精度檢查。像控點(diǎn)X、Y、Z（高程）位于誤差區(qū)間[-0.05，0.05]的占比分別為85.21%、97.04%、90.53%（參見圖4），像控點(diǎn)X、Y、Z 中誤差分別為0.036 m、0.034 m、0.020 m，本項(xiàng)目空三精度滿足項(xiàng)目需求。

圖4 控制點(diǎn)誤差直方圖

采用HBCORS 方法對(duì)三維實(shí)景模型的特征點(diǎn)（里程碑）進(jìn)行檢核，共131點(diǎn)，特征點(diǎn)X、Y、Z（高程）中誤差分別為0.060 m、0.085 m、0.174 m。三維實(shí)景模型數(shù)學(xué)精度符合1∶1 000比例尺精度要求。

1.4 二、三維數(shù)據(jù)融合

借助二維矢量要素與三維模型疊加，通過(guò)二維矢量要素間接將模型進(jìn)行邏輯和視覺切割，同時(shí)在二維矢量要素中可掛接屬性信息，滿足在三維模型中基本的GIS查詢、分析等功能。

1.4.1 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

劃界確權(quán)工作是在原有資料的基礎(chǔ)上，確認(rèn)原有界樁位置，增補(bǔ)損毀的舊界樁，在原有管理范圍線和永久占地紅線的基礎(chǔ)上，根據(jù)項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)實(shí)際情況，進(jìn)行調(diào)整的過(guò)程。實(shí)驗(yàn)區(qū)域獲得的原始界樁位置及范圍線格式都為dwg，而獲得的三維模型數(shù)據(jù)格式為osgb格式。為了實(shí)現(xiàn)二三維數(shù)據(jù)的融合顯示，需要對(duì)原有數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。

ArcGIS pro 中可以在加載dwg 數(shù)據(jù)后，直接導(dǎo)出.mdb數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)整理后可以得到帶有界樁編號(hào)等屬性數(shù)據(jù)的界樁位置層。三維模型的轉(zhuǎn)換，可利用ArcGIS pro 中創(chuàng)建集成網(wǎng)格場(chǎng)景圖層包工具，將osgb格式轉(zhuǎn)換成為.slpk格式

1.4.2 二三維數(shù)據(jù)融合顯示

格式轉(zhuǎn)換完成后，在ArcGIS pro 中創(chuàng)建一個(gè)場(chǎng)景工程，即可同時(shí)加載原有界樁位置數(shù)據(jù)，管理范圍線和永久占地紅線，為方便劃界工作，同時(shí)將公里碑位置數(shù)據(jù)加載到場(chǎng)景中。

1.5 三維模型在劃界確權(quán)工作中的優(yōu)勢(shì)

劃界確權(quán)工作的主要過(guò)程是：作業(yè)單位在管理單位協(xié)助下，整理原有界樁及管理范圍，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查勘確定原有界樁損毀情況，并確定是否需要增補(bǔ)。確認(rèn)初始的界樁位置及管理范圍線后，由管理單位指定界樁具體位置，并提交自然資源局進(jìn)行審批，如果發(fā)現(xiàn)沖突部分，由鄰宗權(quán)屬人與管理單位協(xié)商確定最終界限。然后由作業(yè)單位繪制出界樁位置和管理范圍線圖，由管理單位進(jìn)行最終成果的確認(rèn)，并在之后埋設(shè)界樁，最終提交界樁位置及管理范圍線等作業(yè)成果。

1.5.1 高度直觀化

傳統(tǒng)的劃界確權(quán)工作過(guò)程中，管理人員和作業(yè)人員主要依據(jù)數(shù)字線劃圖進(jìn)行溝通，確認(rèn)界樁位置及管理范圍線。管理單位對(duì)數(shù)字線劃圖的認(rèn)知水平不高，因此對(duì)于管理單位而言，三維實(shí)景模型的直觀性遠(yuǎn)超數(shù)字線劃圖，可以有效減少作業(yè)單位與管理單位的溝通成本，提高確權(quán)工作效率。

圖5 為引江濟(jì)漢閘口位置的地形圖及三維模型劃界對(duì)比，可以看出，在可視化方面，三維模型具有二維地圖無(wú)法比擬的高度直觀化和具體化，能夠讓管理單位人員在缺乏專業(yè)測(cè)繪知識(shí)的情況下，通過(guò)三維模型上的標(biāo)志性地形地貌，迅速確認(rèn)及檢查劃界成果。如圖5 所示為引江濟(jì)漢工程中一處重點(diǎn)閘站，使用數(shù)字線劃圖劃界及三維模型劃界的對(duì)比圖。

圖5 線劃圖劃界與模型劃界對(duì)比圖

1.5.2 低成本高精度高效率

隨著測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)技術(shù)和計(jì)算機(jī)集群的應(yīng)用，大幅減少了三維模型生產(chǎn)的人力成本，集群生產(chǎn)模型的效率遠(yuǎn)超人力繪制線劃圖。同時(shí)，三維模型的位置及紋理精度也可以得到保障。在劃界確權(quán)工作中，初期埋樁階段和后期檢查確認(rèn)成果階段，三維模型可以有效替代外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)指界這一工序，減少時(shí)間成本和人力成本。本文以引江濟(jì)漢工程為例，從現(xiàn)場(chǎng)指界、確認(rèn)成果兩方面，對(duì)比傳統(tǒng)劃界確權(quán)方式與三維模型劃界確權(quán)方式的效率，如表1所示。

表1 傳統(tǒng)劃界確權(quán)與三維模型劃界確權(quán)效率對(duì)比

從表1 中可以看出，利用三維模型進(jìn)行劃界確權(quán)，可以在減少人力投入的基礎(chǔ)上，提高效率。指定界樁位置效率與傳統(tǒng)劃界方法相比，提高了4.33 倍；管理單位確認(rèn)界樁及范圍線效率與傳統(tǒng)劃界方法相比，提高了2倍，提升效果極為顯著。

1.5.3 及時(shí)量測(cè)隨時(shí)調(diào)整

在劃界確權(quán)工作中，確定劃界確權(quán)最終成果時(shí)，管理單位可以在三維模型上隨時(shí)量測(cè)任意2 點(diǎn)間的距離面積，確認(rèn)管理范圍線與標(biāo)志地物之間的距離關(guān)系，可以隨時(shí)調(diào)整并最終確認(rèn)管理線及永久占地線的準(zhǔn)確位置，提高劃界確權(quán)工作的效率及成果質(zhì)量。

由于三維模型數(shù)據(jù)的特性，植被覆蓋及地物遮擋區(qū)域仍然需要現(xiàn)場(chǎng)指界，且由于三維模型所需的存儲(chǔ)空間遠(yuǎn)大于數(shù)字線劃圖，利用三維模型進(jìn)行劃界確權(quán)工作，對(duì)管理單位的計(jì)算機(jī)硬件配置具有較高要求，增加了管理及存儲(chǔ)成本，在后期對(duì)三維實(shí)景模型的應(yīng)用中，對(duì)管理單位人員的專業(yè)水平也有一定要求，增加了一定的人力成本。

2 結(jié)論及展望

三維實(shí)景模型在水利劃界確權(quán)工作還不能完全取代現(xiàn)場(chǎng)指界，對(duì)于管理單位的計(jì)算機(jī)硬件配置也有一定的要求，但是對(duì)比數(shù)字線劃圖為底圖進(jìn)行水利劃界確權(quán)的傳統(tǒng)方法，構(gòu)建工程區(qū)域的三維實(shí)景模型進(jìn)行確權(quán)工作，可以在大部分場(chǎng)景中替代現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)指界，減少劃界過(guò)程中的人力成本及時(shí)間成本，顯著提高劃界確權(quán)工作的效率和質(zhì)量，同時(shí)為將來(lái)數(shù)字孿生水利工程的開展提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

總體來(lái)看，三維實(shí)景模型在水利工程的劃界確權(quán)工作中得到了成功的應(yīng)用。下一步研究可以將水利工程更多維度的數(shù)據(jù)，疊加到三維實(shí)景模型上，為水利工程的管理建設(shè)提供更好的數(shù)據(jù)支撐。