傾斜攝影三維建模技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用

周新紅

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

傾斜攝影三維建模技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用

周新紅

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

傾斜攝影三維建模遙感測(cè)繪技術(shù)是水利工程建設(shè)、維護(hù)、調(diào)度的重要工具。以柏葉口水庫(kù)三維建模為例，介紹了傾斜攝影三維建模的數(shù)據(jù)采集和處理方法，獲得了DSM數(shù)據(jù)和三維模型等成果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析探討。說(shuō)明了傾斜攝影三維建模技術(shù)在洪水淹沒(méi)分析、河道治理和水利工程設(shè)計(jì)等領(lǐng)域有十分重要的意義。

水利工程；遙感測(cè)繪；傾斜攝影；三維模型

傾斜攝影三維建模技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪遙感領(lǐng)域的一項(xiàng)高新技術(shù)，通過(guò)低空垂直、傾斜的不同角度攝影測(cè)量，獲得高分辨率影像。傾斜攝影測(cè)量能夠反應(yīng)地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息，可以結(jié)合專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程生成傾斜三維模型，直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性，為真實(shí)效果和測(cè)繪級(jí)精度提供保證。隨著我國(guó)水利信息化的高速發(fā)展，精細(xì)化的水利工程三維模型作為水利設(shè)計(jì)、建設(shè)和管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)應(yīng)用日益廣泛。在水利工程的三維建模中，由于周邊地形較為復(fù)雜，用傳統(tǒng)測(cè)量手段和人工三維建模方式無(wú)論在效率還是在精度上都難以滿足要求，傾斜攝影三維建模就成為解決問(wèn)題的新途徑。

1 傾斜攝影三維建?；驹?/h2>

傾斜攝影三維建模技術(shù)不僅在影像的拍攝方式上區(qū)別于傳統(tǒng)的人工建模，其數(shù)據(jù)的后期處理及成果的類(lèi)型也大不相同。傾斜攝影三維建模技術(shù)的主要目的是拍攝地物多個(gè)角度的影像，以便進(jìn)行多角度瀏覽和利用專(zhuān)業(yè)軟件生成三維模型，其特點(diǎn)如下：

一是針對(duì)同一地物，可獲得多個(gè)視點(diǎn)和視角的影像，從而得到更為詳盡的地物側(cè)面信息；二是獲取的影像具有較高的分辨率和較大的視角；三是地物相互遮擋現(xiàn)象較突出；四是高度自動(dòng)化，大大減少了人工采集、數(shù)據(jù)編輯工作量。

傾斜攝影技術(shù)通常包括，空中三角測(cè)量、影像匹配、DSM生成、真正射糾正、紋理映射、三維建模等關(guān)鍵內(nèi)容，其基本原理如圖1所示。

2 柏葉口水庫(kù)三維建模

2.1 工程概況

柏葉口水庫(kù)是國(guó)家“十一五”水庫(kù)建設(shè)規(guī)劃項(xiàng)目，也是山西省建設(shè)的重點(diǎn)水源項(xiàng)目之一。水庫(kù)位于呂梁市交城縣會(huì)立鄉(xiāng)柏葉口村上游的文峪河干流上，水庫(kù)大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高88.3 m，壩頂寬10 m，壩頂長(zhǎng)296.0 m，水庫(kù)控制流域面積875 km2，水庫(kù)總庫(kù)容9 712萬(wàn)m3。水庫(kù)主要以防洪、城市及工業(yè)供水、灌溉為主，兼顧發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫(kù)。

圖1 傾斜攝影三維建模基本原理

2.2 數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)實(shí)地勘察測(cè)區(qū)的地形特征，參照《1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖航空攝影規(guī)范》（GB/T 15661-2008）對(duì)測(cè)區(qū)航線進(jìn)行設(shè)計(jì)。本次航測(cè)實(shí)施及建模區(qū)域約為0.16 km2，共設(shè)計(jì)12條航線，航向重疊率為85%，旁向重疊率為80%，飛行總里程約為6 km，共獲取了1 896張真彩色數(shù)字影像，垂直地面分辨率為0.02 m，可滿足1∶1 000平面測(cè)繪精度要求。

2.3 控制點(diǎn)采集

測(cè)區(qū)像片控制點(diǎn)，采用網(wǎng)絡(luò)GPS-RTK技術(shù)施測(cè)，同時(shí)測(cè)量水平坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)。根據(jù)測(cè)區(qū)的地形條件，在測(cè)區(qū)的四周均勻布設(shè)共4個(gè)控制點(diǎn)。像片控制點(diǎn)的判刺精度為0.1 mm，點(diǎn)位選取在影像清晰的明顯地物點(diǎn)，一般可選在交角良好的細(xì)小線狀地物交點(diǎn)，影像小于0.2 mm的點(diǎn)狀地物中心，地物拐角點(diǎn)或固定的點(diǎn)狀地物上。弧形地物、陰影、交角小于30°的線狀地物交叉不得作為刺點(diǎn)目標(biāo)。像片控制點(diǎn)選用高程變化小的目標(biāo)，像片控制點(diǎn)在各張相鄰的及具有同名點(diǎn)的像片上均清晰可見(jiàn)。

2.4 數(shù)據(jù)處理

本項(xiàng)目數(shù)據(jù)處理使用Bentley公司的Context Capture軟件來(lái)實(shí)施。數(shù)據(jù)生產(chǎn)工序包括模型預(yù)處理、空三加密、影像密集匹配、紋理映射等。

模型預(yù)處理。傾斜攝影完成后，對(duì)獲取的測(cè)區(qū)影像進(jìn)行質(zhì)量檢查，確定影像沒(méi)有變形、扭曲等現(xiàn)象，對(duì)影像質(zhì)量不符合要求的進(jìn)行修復(fù)。

空三加密。軟件采用光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差，以一張像片組成的一束光線作為一個(gè)平差單元，以中心投影的共線方程作為平差單元的基礎(chǔ)方程，通過(guò)各光線束在空間的旋轉(zhuǎn)和平移，使模型之間的公共光線實(shí)現(xiàn)最佳交會(huì)，將整體區(qū)域最佳地加入到控制點(diǎn)坐標(biāo)系中，從而得到加密點(diǎn)成果，即從已知特征點(diǎn)推算出未知特征點(diǎn)，并自動(dòng)抽取所有特征點(diǎn)，構(gòu)成整個(gè)目標(biāo)地區(qū)的特征點(diǎn)云。

影像密集匹配。軟件根據(jù)高精度的影像匹配算法，自動(dòng)匹配出所有影像中的同名點(diǎn)，并從影像中抽取更多的特征點(diǎn)，從而更精確地表達(dá)地物的細(xì)節(jié)

紋理映射。由空三建立的影像之間的三角關(guān)系構(gòu)成TIN，再由TIN構(gòu)成白模，軟件從影像中計(jì)算對(duì)應(yīng)的紋理，并自動(dòng)將紋理映射到對(duì)應(yīng)的白模上，最終形成真實(shí)三維場(chǎng)景。

2.5 成果分析

第一，利用該技術(shù)生產(chǎn)的三維模型數(shù)據(jù)平面精度可以滿足1∶1 000比例尺要求，高程精度可滿足1∶2 000比例尺要求。

第二，生成的三維模型可以展現(xiàn)建筑物側(cè)立面、建筑物鏤空等立體細(xì)節(jié)，且最大程度地保存了目標(biāo)區(qū)域的色調(diào)，更加真實(shí)。所有拍攝到的對(duì)象，都會(huì)被自動(dòng)建模，避免了傳統(tǒng)建模由于人員建模水平差異或者建模標(biāo)準(zhǔn)不同，主觀對(duì)被建模對(duì)象元素進(jìn)行取舍而造成的不精確。

第三，建模過(guò)程完全是批量自動(dòng)的，無(wú)需人工干預(yù)，極大地提高了建模效率，縮短建模周期。

第四，所有建模結(jié)果都是可量測(cè)的，避免了傳統(tǒng)人工建模估算尺寸的缺點(diǎn)。同時(shí)基于建模結(jié)果，可以進(jìn)行三維空間分析，如通視分析、陰影分析等。

第五，由于水面光的反射及紋理的單一，造成水面模型的缺失和變形。

3 總結(jié)與展望

傾斜攝影三維建模，這種無(wú)接觸、高自動(dòng)化、高精度的建模方式，較傳統(tǒng)人工建模方式有很大的優(yōu)勢(shì)，既可生成三維模型供全方位的瀏覽，又可對(duì)地物進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，還可進(jìn)行三維空間分析，特別在地形較為復(fù)雜的水利工程三維建模中更勝一籌。傾斜攝影三維建模技術(shù)在洪水淹沒(méi)分析、河道治理和水利工程設(shè)計(jì)等領(lǐng)域存在巨大潛力，需要我們進(jìn)一步探索與研究。

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1004-7042（2017）06-0051-02

周新紅（1981-），男，2011年畢業(yè)于太原理工大學(xué)水利水電工程專(zhuān)業(yè)，助理工程師。

2017-04-15；

2017-05-27