王鍇華 甘拯 石娟娟

收稿日期：

2023-05-18

作者簡介：

王鍇華，男，工程師，主要從事水利工程測(cè)繪及信息化相關(guān)工作。E-mail：wkh651010@126.com

引用格式：

王鍇華，甘拯，石娟娟.長江行蓄洪空間數(shù)字孿生實(shí)景三維模型構(gòu)建研究

［J］.水利水電快報(bào)，2024，45（1）：89-94.

摘要：

數(shù)字孿生是流域數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)手段，為有力支撐數(shù)字流域?qū)\生中數(shù)據(jù)底板的構(gòu)建，以長江中下游三洲聯(lián)垸行蓄洪空間為研究對(duì)象，利用飛馬無人機(jī)D200獲取測(cè)區(qū)五視角影像，基于Context Capture軟件全自動(dòng)構(gòu)建實(shí)景三維模型，并利用野外量測(cè)的檢查點(diǎn)對(duì)模型精度進(jìn)行評(píng)定。研究表明：基于傾斜攝影構(gòu)建的實(shí)景三維模型平面誤差和高程誤差分別為0.104 m和0.121 m，均在3個(gè)像素以內(nèi)，滿足1∶500比例尺測(cè)圖要求?；诟呔葘?shí)景三維模型構(gòu)建的三維數(shù)字場(chǎng)景，可為行蓄洪空間在實(shí)時(shí)調(diào)度模擬分析中的運(yùn)用提供參考。

關(guān)鍵詞：

實(shí)景三維模型； 數(shù)字孿生； 傾斜攝影； 行蓄洪空間

中圖法分類號(hào)：P231

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.01.016

文章編號(hào)：1006-0081（2024）01-0089-06

0? 引? 言

數(shù)字孿生水利作為水利建設(shè)的一種新理念、新模式，是流域數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要支撐技術(shù)。數(shù)字孿生流域需要構(gòu)建數(shù)據(jù)底座，以時(shí)空大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，匯集不同領(lǐng)域的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合5G、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息通訊技術(shù)，形成集信息采集、記錄、決策于一體的循環(huán)數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)底座按照不同尺度分為流域?qū)用鏀?shù)據(jù)底座、河段層面數(shù)據(jù)底座以及行蓄洪空間層面數(shù)據(jù)底座。其中，行蓄洪空間層面屬于精細(xì)尺度?？臻g數(shù)據(jù)底座以行蓄洪空間精細(xì)化三維地形圖為本底，對(duì)行蓄洪空間分洪工程、圍堤、隔堤、安全臺(tái)等重要防洪工程進(jìn)行三維數(shù)字化建模［1］。然而，水利工程周邊地形一般較為復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的測(cè)量手段或人工三維建模均難以在效率和精度上滿足要求。傾斜攝影三維建模能夠通過無接觸方式采集數(shù)據(jù)，以全自動(dòng)方式獲取項(xiàng)目區(qū)域目標(biāo)地物的實(shí)景三維模型，是三維數(shù)字建模的主要技術(shù)手段，也將成為長江中下游行蓄洪空間數(shù)字孿生應(yīng)用的必然趨勢(shì)。

當(dāng)前三維建模的技術(shù)主要分為3種：人工建模，傾斜攝影建模和激光雷達(dá)建模。人工建模制作周期較長，與真實(shí)世界反差大；激光雷達(dá)建模領(lǐng)域，已有大量的研究利用激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行三維重建，但該方法效率相對(duì)較低，需采集影像單獨(dú)進(jìn)行紋理貼面［2］。傾斜攝影三維建模在目前測(cè)繪領(lǐng)域研究較多，基于傾斜攝影的建模技術(shù)已較為成熟，可通過全自動(dòng)的方式高效獲取大范圍準(zhǔn)確的三角網(wǎng)模型［3］。傾斜攝影三維建模的精度主要與兩方面因素有關(guān)：① 獲取數(shù)據(jù)的傳感器精度；② 后處理軟件的技術(shù)，尤其是空中三角測(cè)量的算法模型。

本文利用無人機(jī)獲取長江中下游三洲聯(lián)垸行蓄洪空間的五視角影像，并基于傾斜影像在Context Capture軟件中全自動(dòng)構(gòu)建實(shí)景三維模型，對(duì)最終實(shí)景三維模型的精度進(jìn)行評(píng)定。

1? 傾斜攝影三維建模原理

傾斜攝影測(cè)量通過一次航飛即可獲取五視角影像，同時(shí)利用航空攝影測(cè)量理論解算影像的外方位元素，獲得影像的位置姿態(tài)參數(shù)，并進(jìn)一步將其映射到數(shù)字表面模型上作為模型紋理［4］。傾斜三維建模的特點(diǎn)是紋理真實(shí)，可高精度獲取物方紋理信息，通過先進(jìn)的定位、融合、建模等技術(shù)，生成實(shí)景三維模型。傾斜攝影測(cè)量是區(qū)別于傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量的多視角、大傾斜航空攝影［5］，克服傳統(tǒng)人工建模周期長、成本高、紋理失真、模型精度低、缺乏地理信息等缺點(diǎn)。傾斜攝影拍攝出的影像色彩和形狀可實(shí)現(xiàn)全要素還原。利用傾斜攝影方法可以從影像上獲取地面上真實(shí)的長寬高等，比傳統(tǒng)影像擁有更高的真實(shí)性［6］。

隨著近些年無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，行業(yè)所用無人機(jī)朝著小型化、智能化、集成化方向發(fā)展［7］。無人機(jī)搭載五視角鏡頭傾斜航飛屬低空飛行，相對(duì)于載人大飛機(jī)航空攝影測(cè)量，能夠基于短焦距鏡頭獲取高分辨率影像，一定程度上保證紋理更為清晰。

2? 實(shí)例分析

2.1? 傾斜影像獲取

研究區(qū)域位于長江中下游，測(cè)區(qū)分布在長江沿線。測(cè)量區(qū)域除長江沿線的堤防、民垸，還有樞紐建筑物如土壩、溢洪道、泄洪洞等。堤防、民垸和樞紐建筑物是傾斜攝影三維建模重點(diǎn)，為長行蓄洪空間數(shù)字孿生提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。傾斜航攝采用飛馬D200，配備5個(gè)Sony ILCE-6000型數(shù)碼相機(jī)，其中1個(gè)為焦距25 mm的垂直鏡頭，另外4個(gè)為焦距35 mm的傾斜鏡頭。整個(gè)項(xiàng)目采集30個(gè)架次共3萬多張影像，分辨率為5 cm左右。根據(jù)測(cè)區(qū)資料和Google earth底圖，利用無人機(jī)管家航線設(shè)計(jì)軟件規(guī)劃航線，快速準(zhǔn)確生成覆蓋測(cè)區(qū)范圍的曝光點(diǎn)坐標(biāo)，為飛行管理定點(diǎn)曝光提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，助力測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)快速有效獲取。

2.2? 控制點(diǎn)采集

為保證行蓄洪空間實(shí)景三維模型的絕對(duì)精度，外業(yè)布設(shè)了51個(gè)像控點(diǎn)。關(guān)于像控點(diǎn)布設(shè)，應(yīng)選擇影像能清晰辨認(rèn)、沒有遮擋的明顯特征地物，相交角度好的線狀特征地物的交點(diǎn)以及明顯特征地物的拐角頂點(diǎn)［8］。布設(shè)密度根據(jù)要求及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境而定，同時(shí)布設(shè)一些檢查點(diǎn)。像控點(diǎn)應(yīng)在航拍前布設(shè)，并在已有的地形圖或影像資料上選點(diǎn)布設(shè)并現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整，三洲聯(lián)垸行蓄洪空間像控點(diǎn)布設(shè)見圖1，控制點(diǎn)分布均勻，可實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目區(qū)域精度有效控制。

像控點(diǎn)測(cè)量采用GNSS-RTK 技術(shù)，通過GNSS-RTK技術(shù)獲取的控制點(diǎn)的坐標(biāo)系統(tǒng)為地理坐標(biāo)系統(tǒng)，根據(jù)項(xiàng)目要求，需要先將控制點(diǎn)地理坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)成平面坐標(biāo)系統(tǒng)。野外量測(cè)控制點(diǎn)時(shí)，需密切關(guān)注衛(wèi)星信號(hào)狀況，保證可觀測(cè)到衛(wèi)星數(shù)目大于5個(gè)，PDOP（Position Dilution of Precision）值小于5?？刂泣c(diǎn)量測(cè)完，在每個(gè)點(diǎn)位均拍攝含有參照物的照片至少2張，作為點(diǎn)之記。

關(guān)于布設(shè)控制點(diǎn)精度，通過內(nèi)業(yè)測(cè)算，像控點(diǎn)的精度相對(duì)于附近起算點(diǎn)的平面位置中誤差低于圖上0.1 mm，即實(shí)地5 cm；相對(duì)于附近起算點(diǎn)的高程中誤差不超過基本等高距的1/10，即實(shí)地5 cm。

2.3? 數(shù)據(jù)處理

傾斜航攝三維建模內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理使用ContextCapture 軟件，是目前市面上最常用的三維建模軟件之一，主要有三大模塊，即Context Capture Master（主控制臺(tái)）、Context Capture Engine（任務(wù)啟動(dòng)引擎）、Acute3D Viewer（可視化模塊）。Context Capture支持在集群環(huán)境并行運(yùn)算，配置好路徑，可在多臺(tái)工作站上運(yùn)行Context Capture Engine，從而大幅度提升建模效率。傾斜攝影三維建模流程如圖2所示。

2.3.1? 數(shù)據(jù)預(yù)處理

影像數(shù)據(jù)預(yù)處理主要分為以下幾個(gè)步驟：① 檢查影像數(shù)量與POS文件中數(shù)量是否一致；② 影像質(zhì)檢，確認(rèn)影像無過暗、扭曲等；③ 無人機(jī)獲取的影像轉(zhuǎn)換為目標(biāo)坐標(biāo)系統(tǒng)和相應(yīng)投影；④ 保證影像名稱和POS中影像名稱一致。

2.3.2? 空中三角測(cè)量

空中三角測(cè)量是三維建模關(guān)鍵步驟，其目的是解算航拍影像外方位元素。將下視影像外方位元素、相機(jī)文件、5 個(gè)視角傾斜影像導(dǎo)入軟件構(gòu)網(wǎng)平差，再引入野外像控點(diǎn)，經(jīng)反復(fù)濾波、平差，直至解算出滿足精度要求的所有影像的精確外方位元素［9］。

空中三角測(cè)量分為自由網(wǎng)平差和約束平差，應(yīng)用基礎(chǔ)Patch匹配的多尺度多視角密集匹配方法，該算法基于深度融合框架進(jìn)行密集匹配，計(jì)算深度圖。算法既考慮多尺度信息，同時(shí)又考慮了匹配的光照信息、幾何信息、影像的可見性信息，以提升匹配精度［10］。自由網(wǎng)平差完成后，利用控制點(diǎn)在Context Capture中刺點(diǎn)，刺點(diǎn)完成后再次提交空中三角測(cè)量并進(jìn)行約束平差，以保證三維模型絕對(duì)精度?？罩腥菧y(cè)量完成后檢查空中三角測(cè)量精度報(bào)告，發(fā)現(xiàn)誤差為0.53個(gè)像素，精度滿足要求。

2.3.3? 三維模型構(gòu)建

影像通過密集匹配生成高密度信息點(diǎn)云，由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大，需先對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分塊，分塊大小主要由內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作站的性能決定。基于分塊后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建TIN，此時(shí)三維模型為白模，未進(jìn)行紋理映射，沒有紋理信息，如圖3所示。Context Capture軟件自動(dòng)根據(jù)白模的空間結(jié)構(gòu)從不同視點(diǎn)的多幅影像中選取最優(yōu)紋理圖貼合在白模上，完成紋理映射，得到實(shí)景三維模型，如圖4所示。

2.3.4? 模型修飾

針對(duì)實(shí)景三維模型漏洞、平面（水面、道路）、凹凸不平等現(xiàn)象，需人工進(jìn)行實(shí)景三維模型修飾。DP-Modeler是一款集單體建模和Mesh格網(wǎng)模型修飾于一體的軟件，通過特有的攝影測(cè)量算法實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)景三維模型的修飾。修飾工作主要包括：① 刪除懸浮物；② 補(bǔ)充存在空洞的地方；③ 對(duì)不平整路面等進(jìn)行平滑處理，擬合到平面；④ 拉直部分扭曲的建筑物；⑤ 針對(duì)需要精細(xì)化展示的建筑物進(jìn)行單體化重建，再映射實(shí)景紋理［11］。本項(xiàng)目模型修飾主要涉及水域，水域沒有明顯特征點(diǎn)，無法匹配出完整點(diǎn)云，易出現(xiàn)漏洞，所以利用DP-Modeler統(tǒng)一做壓平處理。DP-Modeler具備多瓦片聯(lián)合處理功能，無需切換即可實(shí)現(xiàn)大面積水面自動(dòng)修補(bǔ)。圖5和圖6分別為水域修飾前和修飾后的圖像對(duì)比。

2.4? 成果分析

2.4.1? 實(shí)景三維模型位置精度分析

實(shí)景三維模型位置精度包括平面精度和高程精度，精度檢驗(yàn)主要利用DasViewer軟件和中誤差計(jì)算公式。DasViewer軟件是大勢(shì)智慧自主研發(fā)的一款公開的輕量級(jí)實(shí)景三維模型瀏覽器，無需插件，支持大規(guī)模傾斜實(shí)景三維模型極速加載展示，具備方便快捷的量測(cè)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)長度、面積以及三維坐標(biāo)值精準(zhǔn)量測(cè)。

精度檢驗(yàn)流程如下：① 利用DasViewer軟件打開實(shí)景三維模型，在模型上找出野外實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)的位置即點(diǎn)之記；② 使用DasViewer軟件的量測(cè)工具直接量測(cè)檢查點(diǎn)坐標(biāo)，并將其作為模型坐標(biāo)，將野外實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)的坐標(biāo)作為實(shí)測(cè)坐標(biāo)；③ 計(jì)算模型坐標(biāo)與實(shí)測(cè)坐標(biāo)的差值作為x、y、h方向上的真誤差和中誤差。中誤差是用來衡量觀測(cè)精度的一種常用指標(biāo)，可以很好地反映誤差精度，在測(cè)繪領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。中誤差公式如下：

σx=? ∑ni=1x實(shí)測(cè)－x模型2/n （1）

σy=? ∑ni=1y實(shí)測(cè)－y模型2/n（2）

σxy=? σ2x+σ2y（3）

σh=? ∑ni=1h實(shí)測(cè)－h(huán)模型2/n（4）

式中：x實(shí)測(cè)、y實(shí)測(cè)、h實(shí)測(cè)為檢查點(diǎn)的實(shí)測(cè)坐標(biāo)值，x模型、y模型、h模型為在三維模型上量測(cè)的坐標(biāo)值；σxy為點(diǎn)的平面中誤差；σx、σy為點(diǎn)在x、y方向上的中誤差；σh為點(diǎn)在高程上的中誤差。

將野外實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)坐標(biāo)與DasViewer中量測(cè)的坐標(biāo)進(jìn)行x、y和h三個(gè)方向比對(duì)，見表1。由表1可知，y方向誤差整體較小，最大誤差值為0.087 m，在2個(gè)像素以內(nèi)，最小誤差為0.008 m；50%檢查點(diǎn)平面誤差在2個(gè)像素以內(nèi)，僅有1個(gè)檢查點(diǎn)平面誤差在3個(gè)像素以上；27.8%檢查點(diǎn)高程誤差在1個(gè)像素以內(nèi)，66.7%檢查點(diǎn)高程誤差在2個(gè)像素以內(nèi)。

各檢查點(diǎn)平面誤差值分布如圖7所示。由圖7可知，大部分檢查點(diǎn)平面誤差都在2個(gè)像素左右；檢查點(diǎn)P11平面誤差值最大，其次為P13，分別達(dá)到4個(gè)像素和3個(gè)像素，通過查看點(diǎn)之記圖片，發(fā)現(xiàn)檢查點(diǎn)P11和P13位于地物特征不明顯區(qū)域，誤差主要與地物特征不明顯匹配連接點(diǎn)少有關(guān)。

各檢查點(diǎn)高程誤差值分布如圖8所示。由圖8可知，P06高程誤差最大，P21高程誤差最小，實(shí)景三維模型高程精度整體較好。

整理匯總18個(gè)檢查點(diǎn)的平面誤差和高程誤差，并利用公式計(jì)算中誤差，如表2所示，可知測(cè)區(qū)平面誤差和高程誤差的最大誤差、最小誤差、平均誤差以及中誤差。

由表2可知，實(shí)景三維模型的平面平均誤差為0.099 m，在2個(gè)像素以內(nèi)；高程平均誤差為0.000 6 m，在1個(gè)像素以內(nèi)，精度較好。實(shí)景三維模型的平面中誤差和高程中誤差分別為0.104 m與0.121 m，均在3個(gè)像素以內(nèi)。根據(jù)CH/T 9015-2012《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》，當(dāng)平面中誤差不大于0.5 m、高程中誤差不大于0.37 m，可達(dá)到1∶500比例尺測(cè)圖的精度要求［12］。因此，本次實(shí)景三維模型精度可達(dá)到1∶500測(cè)圖的要求，實(shí)景三維模型的平面精度和高程精度達(dá)到Ⅰ級(jí)產(chǎn)品的精度要求。

2.4.2? 實(shí)景三維模型應(yīng)用

作為長江中下游行蓄洪空間的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)底板之一，高精度行蓄洪空間實(shí)景三維模型支持準(zhǔn)確定位行蓄洪區(qū)以及洲灘民垸位置。針對(duì)行蓄洪空間分洪運(yùn)用、調(diào)度效果分析，傳統(tǒng)方式主要基于一、二維水動(dòng)力學(xué)模型實(shí)施，計(jì)算時(shí)間較長，無法快速準(zhǔn)確反映物理世界真實(shí)擾動(dòng)對(duì)孿生世界的信息反饋以及孿生世界的交互決策對(duì)真實(shí)物理世界的作用影響。利用無人機(jī)航飛傾斜影像、DEM、DOM以及傾斜實(shí)景三維模型構(gòu)建數(shù)字孿生數(shù)據(jù)底板和數(shù)字化場(chǎng)景，并在其他監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新驅(qū)動(dòng)下，使基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型成為行蓄洪空間實(shí)時(shí)調(diào)度模擬分析運(yùn)用的一條新路徑。

高精度傾斜實(shí)景三維模型支持構(gòu)建智慧管控平臺(tái)，在平臺(tái)上可進(jìn)行模型查看、三維分析以及對(duì)邊坡、滑坡體和相關(guān)水工建筑物的管理和可視化展示，為管理人員提供直觀的數(shù)據(jù)支持。另外，以實(shí)景三維模型為基礎(chǔ)可制作相匹配的數(shù)字高程模型并派生出等高線、坡度圖等信息，通過配套軟件對(duì)地形進(jìn)行分析，支持計(jì)算地基的土石方量［13］。

3? 結(jié)? 論

本文以長江中下游三洲聯(lián)垸行蓄洪空間為研究對(duì)象，利用飛馬D200獲取項(xiàng)目區(qū)域五視角影像，采用Context Capture軟件全自動(dòng)構(gòu)建區(qū)域地物的高精度實(shí)景三維模型，并利用野外量測(cè)的檢查點(diǎn)對(duì)構(gòu)建的實(shí)景三維模型精度進(jìn)行評(píng)定，可得到以下結(jié)論。

（1） 采用傾斜攝影三維建模方法，通過無接觸方式能夠快速獲取五視角影像、全自動(dòng)化構(gòu)建高精度模型，節(jié)省了大量人力物力，能高效率地獲取數(shù)字孿生行蓄洪空間的數(shù)據(jù)底板。

（2） 實(shí)景三維模型平面中誤差和高程中誤差分別為0.104 m和0.121 m，按照CH/T 9015-2012《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》，可達(dá)到1∶500比例尺測(cè)圖的精度要求。高精度實(shí)景三維模型對(duì)行蓄洪空間分洪運(yùn)用、調(diào)度效果分析有重要的參考意義。

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（編輯：唐湘茜，張? 爽）

Research on construction of real scene 3D model of digital twin for flood discharge and storage space of Yangtze River

WANG Kaihua，GAN Zheng，SHI Juanjuan

（Changjiang Space Information Technology Engineering Co.，Ltd.，（Wuhan），Wuhan 430010，China）

Abstract：

Digital twin is an important technical means for digital watershed transformation.To strongly support the construction of data base plate in digital watershed twin，a flood discharge and storage space in the middle and lower reaches of Yangtze River was taken as the research object，Pegasus drone D200 was used to obtain five-angle images of the measurement area，and the real 3D model was automatically constructed based on the Context Capture software.The accuracy of the model was evaluated by the field inspection points.The results showed that the plane error and elevation error of the 3D model based on oblique photography were 0.104 m and 0.121 m respectively，and both within 3 pixels，which can meet the requirements of 1∶500 scale mapping.The 3D digital scene based on the high-precision 3D real scene model can provide a reference for the application of flood discharge and storage space in real-time scheduling simulation analysis．

Key words：

real scene 3D model； digital twin； oblique photography； flood discharge and storage space