摘要：為更好地將無人機(jī)貼近攝影測量應(yīng)用于水利工程高精度三維實(shí)景建模中，通過對(duì)比貼近攝影測量技術(shù)與傾斜攝影測量技術(shù)，以溪洛渡水電站為例，研究對(duì)比了兩種技術(shù)方法得到的水工建筑三維模型呈現(xiàn)效果和模型精度。結(jié)果表明：傾斜攝影測量模型像素精度約1～2 cm，貼近攝影測量模型的像素精度約3 mm。貼近攝影測量三維模型能顯著提升模型紋理的精細(xì)度和形狀結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確度，但在長度測量精度方面的提升較小。研究成果可為無人機(jī)貼近攝影測量在水利工程中的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：貼近攝影測量； 傾斜攝影測量； 無人機(jī)； 三維實(shí)景模型； 溪洛渡水電站

中圖法分類號(hào)：TV221.1;P231 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.04.012 文章編號(hào)：1006-0081（2025）04-0061-05

0 引 言

隨著無人機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，無人機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)攝影測量方法的結(jié)合得到越來越多的關(guān)注和研究，并被廣泛地應(yīng)用于實(shí)景三維建?！，F(xiàn)有的三維建模實(shí)景影像采集最常用的方式是使用無人機(jī)傾斜攝影測量，目前相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用已發(fā)展得較為成熟［1-2］。傾斜攝影測量可以獲取地物頂面及側(cè)面的高分辨率紋理信息，特別適合對(duì)側(cè)面信息豐富的目標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，聯(lián)合無人機(jī)GPS差分、POS定位、慣性導(dǎo)航、光學(xué)傳感器等技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維重現(xiàn)［3-6］。已有部分研究者將無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用于水庫、水電站、大壩、堤防、邊坡、危巖體等水利工程及周邊環(huán)境的三維實(shí)景建模［7-13］和城市三維建模［14］。但是，無人機(jī)傾斜攝影測量在對(duì)非常規(guī)地面或人工物體表面進(jìn)行精細(xì)數(shù)據(jù)采集時(shí)仍然面臨效率和數(shù)據(jù)質(zhì)量兩方面的問題，特別是在采集建筑立面、高邊坡等垂直表面影像時(shí)，難以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量［15］。張永軍等［16］率先提出無人機(jī)貼近攝影測量的概念，利用無人機(jī)對(duì)非常規(guī)地面進(jìn)行高精度影像自動(dòng)采集，適用于邊坡、大壩、建筑物立面等，其采集影像精度及三維模型精度比傾斜攝影更高［17］。這種無人機(jī)攝影測量方法是通過縮短鏡頭與物體表面之間的距離獲取高清影像，同時(shí)為了避免距離過近，無人機(jī)根據(jù)初始地形調(diào)整拍攝角度和距離，輔以設(shè)置的俯仰角度和交向攝影角度，確保鏡頭垂直于拍攝表面。這種拍攝方式有效避免了冗余無效影像，最終獲取目標(biāo)對(duì)象斜面、立面的完整表面紋理，并構(gòu)建被攝目標(biāo)的精細(xì)化三維模型。

大型水利工程的形態(tài)結(jié)構(gòu)往往比較復(fù)雜，存在大量立面或斜面，如護(hù)坡斜面、壩面立面、壩頂建筑立面，使用傳統(tǒng)的無人機(jī)傾斜攝影難以有效地對(duì)其進(jìn)行精細(xì)數(shù)據(jù)采集。本文使用貼近攝影測量方法［18］，充分利用無人機(jī)平臺(tái)在數(shù)據(jù)獲取方面的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)對(duì)溪洛渡水電站庫區(qū)邊坡亞厘米甚至毫米級(jí)別分辨率影像的自動(dòng)化高效采集，并對(duì)傾斜攝影測量和貼近攝影測量技術(shù)的模型實(shí)景效果、測量精度進(jìn)行對(duì)比分析。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)獲取

1.1 研究區(qū)概況

溪洛渡水電站位于金沙江干流下游（攀枝花市至宜賓市）河段，是金沙江下游河段梯級(jí)開發(fā)中的第三個(gè)梯級(jí)水電站。電站于2003年開始籌建，2005年底開工，2007年工程截流，2009年3月大壩主體工程混凝土澆筑開工，2013年首批機(jī)組發(fā)電，2014年6月所有機(jī)組全部投產(chǎn)運(yùn)行。電站最大裝機(jī)容量13 860 MW，是國家“西電東送”骨干工程。溪洛渡水電站以發(fā)電為主，兼有防洪、攔沙和改善上游航運(yùn)條件等綜合功能效益，并可為下游電站進(jìn)行梯級(jí)補(bǔ)償。

溪洛渡水電站工程位于四川省雷波縣和云南省永善縣接壤的金沙江峽谷段，屬于構(gòu)造發(fā)育、侵蝕強(qiáng)烈的橫斷山地區(qū)，該處最大高差1 500 m。攔河大壩為混凝土雙曲拱壩，壩底高程324.5 m，壩頂高程610 m，壩高285.5 m，僅次于錦屏一級(jí)水電站（305 m）、小灣水電站（294.5 m），是國內(nèi)第三高拱壩。大壩頂拱中心線弧長681.51 m，混凝土約680萬m3。樞紐泄洪設(shè)施為壩身7個(gè)表孔、8個(gè)深孔、壩后水墊塘和兩岸4條泄洪洞。

溪洛渡水電站庫區(qū)處于云貴高原和四川盆地兩大地貌單元所接壤的大涼山地帶向川中盆地的過渡地段，屬強(qiáng)侵蝕高山、中山地貌類型。由于庫岸線長、地質(zhì)條件復(fù)雜，在庫區(qū)范圍內(nèi)，巖層破碎，沖溝發(fā)育，地形起伏較大，風(fēng)化剝蝕作用較強(qiáng)，降雨相對(duì)集中，滑坡等地質(zhì)災(zāi)害較頻繁，嚴(yán)重威脅庫區(qū)水電站的運(yùn)行。

1.2 影像獲取和建模

1.2.1 無人機(jī)選型

該研究選用大疆科技創(chuàng)新公司的精靈Phantom 4 RTK無人機(jī)，配備2 000萬像素的24 mm等效焦距廣角相機(jī)。無人機(jī)搭載D-RTK系統(tǒng)，搭配RTK網(wǎng)絡(luò)服務(wù)或D-RTK2高精度GNSS移動(dòng)站使用，配合TimeSync系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)飛控、相機(jī)與RTK的時(shí)鐘系統(tǒng)微秒級(jí)同步，可以獲取實(shí)時(shí)厘米級(jí)定位數(shù)據(jù)，這也是進(jìn)行無人機(jī)高精度攝影測量所必須具備的功能。貼近攝影測量所需的另一功能是云臺(tái)的相機(jī)俯仰控制角度，以實(shí)現(xiàn)正對(duì)影像采集面的拍攝。該無人機(jī)搭載-90°到30°（俯仰）的高精度三軸增穩(wěn)云臺(tái)，符合研究要求。

1.2.2 全景拍攝

通過常規(guī)的攝影測量，得到完整包含溪洛渡水電站樞紐區(qū)的大范圍低分辨率無人機(jī)影像。通過影像匹配、空中三角測量和密集匹配，得到水電站及其周邊環(huán)境的大致地形信息，為后續(xù)航線設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。

1.2.3 航線設(shè)計(jì)

根據(jù)上述初始地形信息，設(shè)計(jì)溪洛渡水電站樞紐區(qū)的貼近攝影航線。電站的壩頂、壩面存在廠房、排水口等各類泄洪建筑物和引水發(fā)電建筑物，這些凸起的建筑、電線、路燈、金屬架等使無人機(jī)在這些區(qū)域進(jìn)行低空飛行十分危險(xiǎn)，無法規(guī)劃大范圍連續(xù)的貼近攝影測量航線。對(duì)存在凸起建筑的區(qū)域，將大范圍航線拆分為多個(gè)平面分別進(jìn)行多次拍攝。

1.2.4 規(guī)劃拍攝斜面

選好研究區(qū)域后，依據(jù)所獲取的粗略地形信息，采用多個(gè)空間斜面對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行擬合。根據(jù)擬合斜面的角度，規(guī)劃出旋翼無人機(jī)的拍攝姿態(tài)及三維航跡，并設(shè)置飛行目標(biāo)類型、最低安全飛行高度、飛行距離、起飛點(diǎn)高度等。傾斜攝影的飛行高度設(shè)置為20～40 m，航向、旁向重疊度均為70%左右。

根據(jù)多個(gè)空間斜面的坐標(biāo)信息，無人機(jī)航飛的具體方式如下：每個(gè)空間斜面由2個(gè)上頂邊頂角坐標(biāo)和2個(gè)下底邊頂角坐標(biāo)確定，無人機(jī)每次由一個(gè)空間斜面確定航飛軌跡，以水平方向?yàn)橹骱桔E方向，然后改變飛行高度以蛇形航線的方式覆蓋整個(gè)空間斜面。依次拍攝每個(gè)空間斜面，直至完成整個(gè)目標(biāo)區(qū)域。由于精靈Phantom 4無人機(jī)只搭載一臺(tái)相機(jī)，為了實(shí)現(xiàn)傾斜攝影及后續(xù)三維建模，無人機(jī)對(duì)每一個(gè)空間斜面分別采用正視、左視、后視的方式拍攝，即在同一區(qū)域至少飛行3次。根據(jù)貼近攝影測量的方法，正視拍攝指相機(jī)正對(duì)目標(biāo)建筑立面進(jìn)行拍攝，而非正對(duì)大地水準(zhǔn)面拍攝。

1.2.5 貼近攝影

將上述計(jì)算得到的三維航跡導(dǎo)入無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)，確認(rèn)飛行范圍和距離、航飛空間內(nèi)無遮擋物后，自動(dòng)進(jìn)行貼近攝影，得到高分辨率的溪洛渡大壩邊坡影像。貼近攝影的飛行高度設(shè)置為5～20 m。貼近攝影航片的航向、旁向重疊度設(shè)置為80%。對(duì)邊坡兩端接近其他建筑物的區(qū)域及無人機(jī)無法自動(dòng)飛抵的區(qū)域，采取手動(dòng)操控?zé)o人機(jī)的方式進(jìn)行近距離補(bǔ)拍。

1.2.6 建 模

對(duì)無人機(jī)獲取的高分辨率影像進(jìn)行精確幾何定位和精細(xì)密集匹配，得到精細(xì)化高精度的三維模型。通過專業(yè)飛行控制軟件自動(dòng)操控?zé)o人機(jī)完成數(shù)據(jù)采集后，采集到的航片使用Context Capture Center軟件自動(dòng)進(jìn)行空中三角測量，計(jì)算研究區(qū)域中影像的內(nèi)、外方位元素。然后進(jìn)行影像密集匹配，通過專業(yè)軟件自動(dòng)匹配影像特征點(diǎn)，最終將融合點(diǎn)云導(dǎo)入Context Capture Center生成TIN格網(wǎng)。將采集的影像紋理映射到三維白模上，形成具有真實(shí)紋理的立體三維模型。模型的局部空洞和畸變位置通過3D Max軟件適當(dāng)編輯修改。

為了測試貼近攝影測量對(duì)復(fù)雜水利工程立面的重建效果，將該方法應(yīng)用于溪洛渡水電站樞紐區(qū)，建立了樞紐區(qū)貼近攝影測量模型。為了對(duì)比傾斜攝影測量技術(shù)與貼近攝影測量技術(shù)的成果精度，分別將兩種方法應(yīng)用于溪洛渡庫區(qū)邊坡，對(duì)模型的實(shí)景效果、測量精度進(jìn)行對(duì)比。

2 研究方法及過程

由于無人機(jī)傾斜攝影與貼近攝影存在飛行高度、飛行方式、拍攝角度等差異，想要比較貼近攝影測量和傾斜攝影測量兩種方法得到的成果精度，需要選取合適的地形進(jìn)行對(duì)比研究。溪洛渡水電站庫區(qū)的邊坡區(qū)域地形較為平整規(guī)則、沒有凸起的建筑結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)區(qū)域的連續(xù)航線規(guī)劃，便于對(duì)比。因此，本文選取了同一邊坡區(qū)域進(jìn)行貼近攝影測量模型和傾斜攝影測量模型的構(gòu)建。

首先通過對(duì)比像素精度，對(duì)兩種模型進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。像素精度指無人機(jī)采集影像的分辨率，主要由相機(jī)參數(shù)和飛行高度決定。由于水工建筑并非平面地物，即便使用貼近攝影測量的方式調(diào)整拍攝斜面和拍攝角度，也無法保證相機(jī)正對(duì)目標(biāo)建筑立面的拍攝距離不變。因此模型像素精度是基于平均飛行高度得到的平均值。

為了更直觀精確地對(duì)比兩種模型對(duì)實(shí)景地物還原的精度，在邊坡建模區(qū)域進(jìn)行實(shí)地測量。由于貼近和傾斜三維模型的精度達(dá)到毫米級(jí)別，而GPS、GNSS、RTK等獲取絕對(duì)坐標(biāo)的技術(shù)手段精度最高只能達(dá)到厘米級(jí)，因此無法有效地對(duì)模型的絕對(duì)坐標(biāo)精度進(jìn)行驗(yàn)證。為了規(guī)避上述問題，在溪洛渡水電站庫區(qū)的邊坡區(qū)域選取了15條平整規(guī)則的護(hù)坡格網(wǎng)梁，使用卷尺人工測量其長度作為真實(shí)值，度量精度為毫米，從而實(shí)現(xiàn)模型上的相對(duì)距離精度對(duì)比。將真實(shí)值與傾斜模型長度、貼近模型長度進(jìn)行對(duì)比。計(jì)算傾斜三維實(shí)景模型上測出的格網(wǎng)梁長度與實(shí)地手動(dòng)測量的格網(wǎng)梁長度之差的絕對(duì)值，即傾斜模型絕對(duì)誤差。再計(jì)算貼近三維實(shí)景模型上測出的格網(wǎng)梁長度與實(shí)地手動(dòng)測量的格網(wǎng)梁長度之差的絕對(duì)值，即貼近模型絕對(duì)誤差。15組誤差的平均值即為模型長度測量精度的中誤差。通過對(duì)比傾斜模型和貼近模型的中誤差，即可實(shí)現(xiàn)兩種模型精度的對(duì)比和評(píng)價(jià)。

3 結(jié)果與分析

3.1 樞紐區(qū)貼近攝影測量三維實(shí)景模型效果

得到的溪洛渡水電站樞紐區(qū)高精度貼近攝影測量三維模型如圖1所示。溪洛渡大壩主體和大壩馬道的結(jié)構(gòu)、紋理均十分清晰真實(shí)。采用貼近攝影測量所采集影像空洞較少，壩面和馬道的豎直方向均能得到很好地呈現(xiàn)。通過對(duì)高精度三維模型采樣，模型像素精度在5 mm以內(nèi)，大部分區(qū)域像素精度為2～3 mm。

3.2 庫區(qū)邊坡貼近模型和傾斜模型效果對(duì)比

溪洛渡水電站庫區(qū)邊坡區(qū)域的貼近攝影測量模型和傾斜攝影測量模型的區(qū)別主要體現(xiàn)在像素精度和實(shí)景呈現(xiàn)精細(xì)程度上。經(jīng)過對(duì)三維模型成果的采樣測量，傾斜模型像素精度約為1～2 cm，高精度貼近模型的像素精度則達(dá)到3 mm以內(nèi)。像素精度及其他參數(shù)對(duì)比見表1。

除了像素精度提升，高精度貼近模型更準(zhǔn)確地展現(xiàn)了地物的三維形狀，如圖2的紅框處，傾斜模型格網(wǎng)梁凹陷處存在多處畸變、拉絲，貼邊處垂直方向存在多處三維形狀的缺失。高精度貼近模型則很好地構(gòu)建出格網(wǎng)梁垂直方向的形態(tài)。

傾斜模型和高精度貼近模型對(duì)立體不規(guī)則物品形狀的識(shí)別能力也不同。圖3（a）傾斜模型中物品的形狀較圓潤平滑，圖3（b）高精度貼近模型中物品的形狀細(xì)節(jié)更豐富。這是因?yàn)橘N近攝影測量能獲取到更密集的點(diǎn)云，建立的TIN網(wǎng)節(jié)點(diǎn)更多，最終模型成果也更真實(shí)詳細(xì)。

3.3 庫區(qū)邊坡貼近測量模型和傾斜測量模型精度對(duì)比

表2對(duì)比了3種方式測量的15條格網(wǎng)梁長度。傾斜測量模型的平均精度達(dá)到1.6 cm，貼近測量模型則為1.0 cm。盡管貼近模型的影像像素分辨率達(dá)到2～3 mm，遠(yuǎn)高于傾斜模型的1～2 cm分辨率，但它的相對(duì)長度的測量精度與傾斜模型相差并不大，未能達(dá)到毫米級(jí)。這可能與卷尺測量的實(shí)測手段只能達(dá)到毫米級(jí)精度且測量值存在人工誤差有關(guān)。在格網(wǎng)梁表面凹凸不平的情況下，卷尺測量出的長度也存在誤差。

4 結(jié) 語

與傳統(tǒng)的傾斜攝影測量相比，無人機(jī)貼近攝影測量能更好地構(gòu)建水電站樞紐區(qū)等復(fù)雜水工建筑的高精度實(shí)景三維模型，能更準(zhǔn)確、清晰、精細(xì)地展現(xiàn)水利工程立面的結(jié)構(gòu)和紋理，提升成果的實(shí)景紋理的精細(xì)度和三維形狀的準(zhǔn)確度，但在長度測量的精度方面提升較小。這可能是因?yàn)橘N近攝影測量側(cè)重于解決建筑立面的拍攝難點(diǎn)，能顯著提升無人機(jī)采集影像的分辨率，特別是垂直立面的分辨率。通過提高像素精度，更準(zhǔn)確地定位地物邊線，使模型中地物的相對(duì)位置精度得到有限提升。貼近攝影測量適合用于實(shí)景展示，能很好地呈現(xiàn)物體高清細(xì)節(jié)，在測量精度方面的表現(xiàn)還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

［1］ XIE F，LIN Z，GUI D，et al.Study on construction of 3D building based on UAV images［J］.The International Archives of the Photogrammetry，Remote Sensing and Spatial Information Sciences，2012，39：B1.

［2］ 陶鵬杰.聯(lián)合幾何與輻射成像模型的三維表面重建與優(yōu)化［D］.武漢：武漢大學(xué)，2016.

［3］ WANG J，GARRATT M，LAMBERT A，et al.Integration of GPS/INS/vision sensors to navigate unmanned aerial vehicles［J］.The International Archives of the Photogrammetry，Remote Sensing and Spatial Information Sciences，2008，37（B1）：963-969.

［4］ RIZOS C，HAN S.Reference station network based RTK systems-concepts and progress［J］.Wuhan University Journal of Natural Sciences，2003，8（2）：566-574.

［5］ REHAK M，MABILLARD R，SKALOUD J.A micro-UAV with the capability of direct georeferencing［J］.ISPRS - International Archives of the Photogrammetry，Remote Sensing and Spatial Information Sciences，2013，XL-1/W2：317-323.

［6］ TURNER D，LUCIEER A，WALLACE L.Direct georeferencing of Ultrahigh-Resolution UAV Imagery［J］.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2014，52（5）：2738-2745.

［7］ 王啟龍.無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在水利工程中BIM建模的應(yīng)用［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2020（4）：61-63，154.

［8］ 米元桃，羅箱隴，丁釔，等.基于三維激光掃描和無人機(jī)航空攝影的水電站高邊坡建模技術(shù)研究——以葉巴灘水電站為例［J］.四川水利，2023，44（4）：22-28.

［9］ 周靖鴻，彭云，向朝，等.水電站樞紐區(qū)傾斜攝影測量建模及精度評(píng)定［J］.測繪與空間地理信息，2021，44（12）：172-174.

［10］ 高力，徐興亞.無人機(jī)傾斜攝影測量在堤防應(yīng)急除險(xiǎn)中的應(yīng)用［J］.人民長江，2020，51（10）：210-214.

［11］ 魏工哲，周浩，池曉壯.無人機(jī)攝影測量在丹江口大壩庫區(qū)地形測量中的應(yīng)用［J］.水利水電快報(bào)，2023，44（12）：31-35.

［12］ 覃乙根，楊根蘭，魯鯤鵬，等.貴州寨子危巖崩塌風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)研究［J］.人民長江，2019，50（10）：113-119.

［13］ 楊緒波，程強(qiáng)，袁進(jìn)科，等.基于無人機(jī)傾斜攝影的危巖識(shí)別及數(shù)值模擬分析［J］.人民長江，2023，54（6）：112-119.

［14］ 王艋，張小宇，劉松，等.基于無人機(jī)遙感技術(shù)的城市三維建模研究［J］.微型電腦應(yīng)用，2023，39（10）：47-50.

［15］ 楊國東，王民水.傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用及展望［J］.測繪與空間地理信息，2016，39（1）：13-15，18.

［16］ 張永軍，張祖勛，龔健雅.天空地多源遙感數(shù)據(jù)的廣義攝影測量學(xué)［J］.測繪學(xué)報(bào)，2021，50（1）：1-11.

［17］ 陶鵬杰，何佳男，席可，等.基于旋翼無人機(jī)的貼近攝影測量方法：CN110006407A［P］.2019.

［18］ 何佳男.貼近攝影測量及其關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.武漢：武漢大學(xué)，2019.

（編輯：高小雲(yún)）

High-precision three-dimensional realistic modeling based on UAV nap-of-the-object photogrammetry

LI Yuncheng1，CHENG Zian2

（1.China Three Gorges Construction Engineering Co.，Ltd.，Yongshan 657300，China； 2.Changjiang Spatial Information Technology Engineering Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract： In order to address the application issues of UAV nap-of-the-object photogrammetry in high-precision three-dimensional realistic modeling of hydraulic projects，taking the Xiluodu Hydropower Station as an example，this paper compares nap-of-the-object photogrammetry with oblique photogrammetry，and investigates the presentation effect and accuracy of the three-dimensional models obtained by the two methods on hydraulic structures.It was found that the pixel accuracy of oblique photogrammetry models was approximately 1 to 2 cm，while the pixel accuracy of nap-of-the-object photogrammetry models was around 3 mm.Nap-of-the-object photogrammetry three-dimensional models can significantly enhance the fineness of model textures and the accuracy of shape structures，but exhibit minor enhancement in length measurement accuracy.The research results can provide a reference for the application of UAV nap-of-the-object photogrammetry in hydraulic projects.

Key words： nap-of-the-object photogrammetry； oblique photogrammetry； unmanned aerial vehicle； three-dimensional realistic model； Xiluodu Hydropower Station

收稿日期：2024-04-24

基金項(xiàng)目：湖北省自然科學(xué)基金計(jì)劃項(xiàng)目（2024AFB446）

作者簡介：李云城，男，高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程、基礎(chǔ)處理工程及技術(shù)管理工作。E-mail：li_yuncheng@ctg.com.cn

作者簡介：程子桉，女，工程師，博士，主要從事水利遙感、地理信息系統(tǒng)及三維實(shí)景建模方面的研究工作。E-mail：chengzian@whu.edu.cn

引用格式：李云城，程子桉.基于無人機(jī)貼近攝影測量的高精度三維實(shí)景建模［J］.水利水電快報(bào)，2025，46（4）：61-65.