飛馬F200無人機在大型水利工程及BIM建設(shè)中的應(yīng)用

賈智樂

(河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450003)

無人機技術(shù)是近些年測繪行業(yè)的熱門技術(shù)[1]，其具有超低空飛行、受天氣影響小、數(shù)據(jù)獲取便捷、數(shù)據(jù)生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，使得無人機攝影測量在國土、農(nóng)林業(yè)、電力、交通、水利、應(yīng)急等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[2]。但是受其自身重量輕及攜帶傳感器等因素的影響，無人機航測的精度并非是穩(wěn)定的系統(tǒng)誤差，對于數(shù)據(jù)處理技術(shù)有很高的要求[3]。另外對于無人機正射影像成果，常規(guī)應(yīng)用主要是生產(chǎn)DLG、DOM、DEM、DSM等產(chǎn)品，雖然極大豐富了傳統(tǒng)的測量成果，但仍有挖掘的空間。本文以擬建大型水庫——信陽袁灣水庫為研究對象，利用飛馬F200無人機航測系統(tǒng)，實現(xiàn)了在稀少像控點情況下大范圍水庫庫區(qū)1∶1000地形圖、DOM及DEM數(shù)據(jù)的生產(chǎn)[4]，并通過UAV Manager 3.0版軟件利用單相機影像構(gòu)建了庫區(qū)真實三維場景[5]。在此基礎(chǔ)上，利用制作的庫區(qū)設(shè)計壩體BIM模型，通過與三維場景的融合，實現(xiàn)了大型水利工程BIM模型的構(gòu)建[6]，通過一次垂直攝影航飛，實現(xiàn)了多元化產(chǎn)品生產(chǎn)，對于后期的淹沒分析及初步設(shè)計效果展示提供了數(shù)據(jù)支撐。

1 項目區(qū)概況及數(shù)據(jù)獲取平臺

擬建的袁灣水庫位于信陽市光山縣南部，新縣縣城以北，潢河干流上，是以防洪為主，結(jié)合供水、灌溉，兼顧發(fā)電、改善生態(tài)等綜合利用的大型水利樞紐工程，根據(jù)設(shè)計淹沒范圍計算庫區(qū)面積為35.5 km2，且為不規(guī)則形狀，庫區(qū)為潛山區(qū)，最大落差約150 m，測區(qū)范圍如圖1所示。項目采用飛馬F200無人機進行正射影像的獲取，F(xiàn)200無人機翼展為1.9 m，單架次最大航時為80 min，攜帶35 mm焦距的索尼RX1RM2全畫幅相機，數(shù)據(jù)獲取平臺如圖2所示。

2 基于F200航測系統(tǒng)的多元化產(chǎn)品生產(chǎn)

水利行業(yè)與其他行業(yè)的最大區(qū)別是對高程精度的要求極高，由于水往低處流的自然屬性，使得高程精度對于水利工程成敗起著至關(guān)重要的作用，水利工程庫容、挖填土方量計算的依據(jù)也主要為高程數(shù)據(jù)，而高程精度恰是航測技術(shù)的難點，因此如何提高航測數(shù)據(jù)的高程精度尤為重要。本文項目充分利用F200無人機的后差分技術(shù)，在實施過程中，通過稀少控制與大量外業(yè)檢核點相結(jié)合，利用UAV Manager 3.0版軟件進行空三解算，并在立體測圖模式下嚴(yán)格驗證了空三成果的精度即生產(chǎn)庫區(qū)DLG線劃圖成果；在此基礎(chǔ)上，利用航攝數(shù)據(jù)生產(chǎn)庫區(qū)真實三維場景模型，結(jié)合構(gòu)建的水利工程重點區(qū)BIM模型，通過多平臺、多技術(shù)的融合，實現(xiàn)了水利工程項目多元化產(chǎn)品的生產(chǎn)[7-9]。

2.1 控制測量及外業(yè)航飛影像獲取

根據(jù)測區(qū)的形狀及成圖比例尺要求，構(gòu)建了東西方向的航測路線，其中航向重疊度為80%，旁向重疊度為60%，影像分辨率為7 cm。測區(qū)采用均勻布控，為增加航帶間的穩(wěn)固性，像控點主要布設(shè)于旁向重疊區(qū)，測區(qū)共布設(shè)像控點31個、檢核點40個。飛行完成后，對照片的質(zhì)量進行初步檢查。航線及像控規(guī)劃如圖3所示，像控測量如圖4所示。

2.2 空三處理及4D產(chǎn)品生產(chǎn)

無人機攜帶的相機多為非量測型相機，畸變比較嚴(yán)重，如果未能很好地消除相片畸變，對于空三成果影響巨大，甚至在立體測圖時出現(xiàn)波浪狀且像對間接邊差非常大，難以控制精度。本文項目中，采用逐格網(wǎng)畸變的方法對原始相片進行畸變校正，傳統(tǒng)的畸變參數(shù)主要為K1—K4、P1、P2、A、B等，為了更好地擬合索尼RX1RM2相機的畸變信息，在此基礎(chǔ)上加入了K5、K6參數(shù)，通過特殊的檢校場及檢校算法，采用畸變擬合的方式計算出相機的參數(shù)，以此更好地消除了原始照片的畸變。根據(jù)機載GPS數(shù)據(jù)與地面站GPS數(shù)據(jù)的聯(lián)合解算，得到了高精度的照片曝光瞬間中心點經(jīng)緯度坐標(biāo)，利用布爾莎七參數(shù)模型，將這些經(jīng)緯度坐標(biāo)及橢球高轉(zhuǎn)換為1980西安坐標(biāo)系和1985國家高程。在未加入控制點進行優(yōu)化的情況下，預(yù)測點的精度達到2～3個像元(實線為預(yù)測位置，虛線為刺點位置)，如圖5所示，這是在保證精度的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)稀少控制的主要原因。完成以上操作后，在UAV Manager智拼圖模塊下，進行特征提取與匹配、空三計算，完成后刺控制點并進行空三優(yōu)化，空三精度檢查無誤后，直接生成DOM、DEM、DSM。導(dǎo)出立體測圖工程，在立體測圖模式下，首先對檢核點精度進行檢查，精度滿足項目要求，方可開始立體測圖作業(yè)，實現(xiàn)DLG的生產(chǎn)。由于空三匹配中連接點之間的迭代性，大量的生產(chǎn)經(jīng)驗證明，空三報告精度并不能代表成圖精度，因此在大型生產(chǎn)項目中，首先要在立體測圖模式下檢核檢查點精度，精度滿足測圖需要后，方可進行全面的DLG生產(chǎn)作業(yè)，如圖6—圖8所示。

通過立體模型進行檢核點精度檢查，以及外業(yè)補圖和查圖的精度檢驗。使用F200無人機航測系統(tǒng)實現(xiàn)了在稀少控制下的高精度測圖，檢核點中誤差為0.18 m，達到了水利工程1∶1000地形圖的精度要求，極大地減少了人為外業(yè)工作量，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

2.3 基于垂直攝影及BIM技術(shù)的三維場景構(gòu)建

筆者在多年的水利行業(yè)實踐中發(fā)現(xiàn)，對于大型的水利項目，三維場景所展現(xiàn)的直觀性更能反映出水利工程的真實情況，因此備受青睞。通過無人機攜帶多鏡頭相機進行傾斜攝影測量的方式可以獲取測區(qū)精準(zhǔn)的三維模型，但是效率低、成本高、生產(chǎn)周期長?；趦A斜三維模型進行測圖，不僅效率低，而且細節(jié)表達也不夠清晰。對于水利三維場景的構(gòu)建，居民地等建筑設(shè)施反而不是設(shè)計單位關(guān)注的重點。本文項目嘗試使用UAV Manager 3.0版軟件基于垂直攝影的成果構(gòu)建三維模型，雖然建筑物的側(cè)面紋理無法比擬多鏡頭傾斜攝影測量，但能較好地反映出工程區(qū)的三維場景，山體的側(cè)面紋理比較理想，如圖9所示。因此，通過第三方軟件構(gòu)建重點關(guān)注區(qū)如大壩、泵站、溢洪道、建管處等BIM模型，并疊加于庫區(qū)的三維場景中，即可實現(xiàn)水利工程施工完成后的真實三維場景構(gòu)建。該方法相比于多鏡頭傾斜攝影測量的方式構(gòu)建三維場景，大大減少了成本和時間，這對于項目在可研階段分析庫區(qū)淹沒范圍、展示大壩真實位置及形態(tài)、專家評審等方面效果良好。

在袁灣水庫項目中，利用F200無人機航測系統(tǒng)進行垂直攝影數(shù)據(jù)獲取，完成4D產(chǎn)品生產(chǎn)后，構(gòu)建了庫區(qū)OSGB格式的三維現(xiàn)狀場景。根據(jù)設(shè)計方面提供的大壩位置、尺寸、樣式等信息，基于3ds Max軟件構(gòu)建了真實的大壩BIM模型，并轉(zhuǎn)換成OSGB格式的切塊，如圖10所示。根據(jù)淹沒區(qū)面積在軟件材料庫中制作靜態(tài)水面，依據(jù)平面位置疊加到庫區(qū)OSGB格式的三維模型中，通過ContextCapture生成S3C索引，實現(xiàn)多模型的疊加。在項目的可研階段，即可真實地展示大壩完工后在三維場景中的形態(tài)，以及庫區(qū)在設(shè)計淹沒高程內(nèi)的淹沒區(qū)域，如圖11所示，為業(yè)主單位提供了真實數(shù)據(jù)模擬的直觀效果，在項目的評審階段，可以使評審專家從多角度、多方位、多比例了解庫區(qū)的基本情況和大壩信息[10]。

3 結(jié) 語

多元化的航測產(chǎn)品正在改變著人們對測量成果的認(rèn)知，BIM技術(shù)已成為水利行業(yè)發(fā)展的方向，并逐漸成為智慧水利的支撐。本文通過理論與實踐相結(jié)合，探索了一種基于無人機單相機垂直攝影高精度測圖的方法，在大型的水利工程中得到了驗證；并以垂直攝影成果為基礎(chǔ)，構(gòu)建了庫區(qū)三維場景，結(jié)合單體化BIM模型實現(xiàn)了大型水利工程多維三維場景的構(gòu)建，可為其他水利工程項目的應(yīng)用提供一定的借鑒。