無人機傾斜攝影三維模型在城市雨洪風(fēng)險評估中的應(yīng)用

劉 斌，唐雅玲，馬晨燕，白少云

(1.云南省水利水電勘測設(shè)計研究院，云南 昆明 650021；2.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079)

在日益復(fù)雜的全球氣候變化、海平面上升與不斷深入的城鎮(zhèn)化過程的耦合作用下，城市的防洪安全正面臨著嚴重的威脅。在分析國內(nèi)外城市洪澇災(zāi)害研究過程中發(fā)現(xiàn)，基于情景模擬分析的災(zāi)情模擬、動態(tài)顯示及預(yù)警研究將成為今后災(zāi)害風(fēng)險評估研究的必然趨勢[1]?？偟膩碚f，基于情景模擬分析的洪澇風(fēng)險評估方法至今已形成了較為完善的模型體系[2-6]。但該方法對研究區(qū)地理數(shù)據(jù)的完整性及精度要求較高，包括地形圖、河網(wǎng)數(shù)據(jù)、地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)、高精度DEM、地表覆蓋數(shù)據(jù)等，若要進一步提高風(fēng)險評估的準(zhǔn)確性，從提高城市雨洪模型的精度出發(fā)是一個很好的思路。

目前，數(shù)字城市三維建模的數(shù)據(jù)主要來源于航空影像、衛(wèi)星影像和近景影像3種類型。建模的方法主要為測量建模，而無論是基于傳統(tǒng)的航空攝影測量還是機載LiDAR的三維建模都需要耗費大量的生產(chǎn)成本，且構(gòu)建的三維模型存在建筑物側(cè)面紋理信息不足、遮擋嚴重或覆蓋范圍有限的問題，均難以生成滿足精度需求的城市三維模型[7-10]。利用傾斜攝影方式，獲取更高分辨率更豐富細節(jié)表現(xiàn)的多視影像，制作實景三維模型，既可以為城市洪澇模型提供高精度地理信息支持，又能增強情景模擬分析的動態(tài)演示[11-15]。本文提出基于無人機傾斜攝影測量技術(shù)，結(jié)合GIS空間分析能力及情景模擬分析方法，從提高城市實景模型精度方面對城市雨洪進行模擬分析。

1 傾斜攝影測量技術(shù)輔助雨澇災(zāi)情模擬

傾斜攝影測量技術(shù)是充分吸收了近幾年來視覺測量領(lǐng)域的最新成果而逐步發(fā)展起來的一項新的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，傾斜方式可獲取到豐富的地物頂部及側(cè)面的高分辨率紋理。它不僅能夠真實地反映地物現(xiàn)狀，高精度地獲取物方紋理信息，還可通過先進的定位、融合、建模等技術(shù)，生成真實的地表三維模型[9]。與傳統(tǒng)攝影測量產(chǎn)生的數(shù)字地表模型不同，傾斜攝影測量獲得的真三維模型采用空間三角網(wǎng)的方式描述，能描述地表復(fù)雜的地物，如房屋、街道、橋梁、陡坡、溝壑、公園、施工現(xiàn)場等。無人機搭載輕型傾斜攝影測量系統(tǒng)可在城市低空200～500 m的高度進行快速的多視角影像采集，一架無人機可在幾天之內(nèi)完成幾十平方千米的城市多視角影像采集。使用地面控制點，通過軟件大規(guī)模并行計算，實現(xiàn)基于海量影像的區(qū)域網(wǎng)平差解算，獲取影像外方位元素，進而以多機GPU并行加速為核心，實現(xiàn)城市三維模型的重建。重建的實景模型結(jié)構(gòu)完整，紋理清晰，在準(zhǔn)確性和效率上都優(yōu)于人工建模。

基于無人機傾斜攝影測量的方式已經(jīng)逐漸成為數(shù)字城市三維建模的主要技術(shù)手段，帶有地理信息的實景模型為城市洪澇分析提供重要的基礎(chǔ)信息，很好地彌補了傳統(tǒng)建模手段受限于數(shù)據(jù)分辨率過低而導(dǎo)致三維模型的精度較低的不足?；谥亟ㄈS模型，結(jié)合GIS空間分析及情景模擬，能夠增強災(zāi)情模擬動態(tài)展示，為雨澇災(zāi)害防治提供服務(wù)。無人機傾斜攝影輔助雨澇災(zāi)害分析技術(shù)路線如圖1所示。

2 基于Smart3D的城市三維重建

(1)工程準(zhǔn)備。將外業(yè)采集回來的原始數(shù)據(jù)根據(jù)不同視角的相機分別存儲，完成Smart3D工作集群建立后新建Smart3D工程，將準(zhǔn)備好的影像文件、相機文件和POS文件導(dǎo)入Smart3D。

(2)空中三角測量。準(zhǔn)確的相機外方位元素是三維重建的必要條件，通過自動連接點提取和地面控制點控制，完成空中三角測量。

(3)三維重建。在本文的試驗環(huán)境下，慮及計算器集群的硬件設(shè)置及處理效率，進行了分塊處理。對若干個瓦片進行單獨的重建，按照密集點云生成、TIN模型構(gòu)建和紋理自動映射3個步驟完成帶有LOD金字塔結(jié)構(gòu)的三維模型的構(gòu)建，得到如圖2所示的三維實景模型。

通過建立的三維實景模型可實現(xiàn)研究區(qū)的量測，包括任意點的三維坐標(biāo)信息、建筑高度面積信息等。然而，僅僅進行簡單的量測并不能實現(xiàn)城市雨洪的風(fēng)險分析，借助于Smart3D強大的數(shù)據(jù)生產(chǎn)功能，生成0.1 m精度的DSM和DOM數(shù)據(jù)產(chǎn)品。通過無人機傾斜實景建模手段生產(chǎn)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品在影像色彩、紋理精細程度上都優(yōu)于常規(guī)方式生產(chǎn)的產(chǎn)品效果，更有利于進一步的研究分析。

3 基于情景模擬的城市雨洪風(fēng)險評估

3.1 研究區(qū)處理

由于原始數(shù)據(jù)產(chǎn)品為分塊影像，處理前先進行影像鑲嵌，大致勾畫出研究區(qū)邊界，得到矢量面數(shù)據(jù)，然后利用研究區(qū)邊界裁剪DOM、DSM，剔除不相關(guān)的數(shù)據(jù)。

結(jié)合高精度正射影像及Acute3D Viewer，對研究區(qū)域內(nèi)的房屋屋頂輪廓進行矢量化處理。盡管結(jié)合Acute3D Viewer的三維觀察，可以盡可能地提高輪廓的精度，但是由于是人工手動矢量化處理，加上在三維視角下不可避免的房屋遮擋的因素，仍會存在一定的誤差。圖3分別為研究區(qū)域DOM、DSM及矢量化圖。

3.2 城市降雨情景模擬

3.2.1 城市暴雨模型

降雨是內(nèi)澇災(zāi)害發(fā)生的主要致災(zāi)源，降雨量是風(fēng)險評估中的主要驅(qū)動變量。城市的降雨表現(xiàn)出在時間和空間分布上的不均勻性。本文城市暴雨模型利用研究區(qū)本地的暴雨強度公式，計算出降雨過程中任意時間段內(nèi)的平均降雨強度，模擬暴雨在時間上的變化特征。因為本文選取的研究區(qū)域較小，且地理環(huán)境特征較為一致，在本文中假設(shè)研究區(qū)是一個封閉的區(qū)域，不考慮與相鄰區(qū)域的連通性，并假設(shè)降雨在空間上均勻分布，根據(jù)研究區(qū)現(xiàn)行的暴雨強度公式，按不同歷時，計算不同重現(xiàn)期內(nèi)的暴雨強度，該暴雨強度乘以降雨歷時即可得到整個研究區(qū)內(nèi)的降雨總量，然后將降雨量均勻分布于整個研究區(qū)范圍內(nèi)，根據(jù)暴雨強度公式求出的暴雨強度單位為L/(S·ha)，為了統(tǒng)一量綱(暴雨強度單位為mm/h)，對原公式進行修正后，其表達式為

(1)

式中，T表示暴雨重現(xiàn)期,單位為a；q表示暴雨強度；t表示降雨歷時。

在城市降雨過程中，會產(chǎn)生各種不同程度的徑流損失，如由于城市地表的不平整產(chǎn)生的植被截留、蒸散發(fā)、下滲、地下徑流等，實際應(yīng)用中不可忽略這些因素對徑流量的影響。而在本文中，由于數(shù)據(jù)的缺失，則不考慮這些徑流損失的影響，將研究區(qū)內(nèi)的降雨總量作為徑流量。在城市產(chǎn)匯流過程中，還需要考慮城市的排水能力，在本文中，研究區(qū)域的排水標(biāo)準(zhǔn)按照一年一遇(48 mm/h)的降雨強度設(shè)計，在排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)無法獲取的情況下，假設(shè)研究區(qū)內(nèi)排水管網(wǎng)的空間分布與排水能力一致。因此，最終研究區(qū)內(nèi)的內(nèi)澇積水量通過徑流量與排水量的差，乘以研究區(qū)面積計算得出。其公式表示為

W=(Q-V)×S

(2)

式中，W表示內(nèi)澇積水量；Q表示徑流量；V表示排水量(48 mm/h)；S表示研究區(qū)面積。

3.2.2 城市暴雨內(nèi)澇情景模擬

城市暴雨降水往往集中在前1～2 h內(nèi)，且氣象和市政工程暴雨計算標(biāo)準(zhǔn)也多參考1 h降雨量，因此，本文模擬了研究區(qū)內(nèi)1 h降雨歷時下重現(xiàn)期為5、10、20、50、200、500和1000 a的城市暴雨內(nèi)澇情景。根據(jù)計算得出研究區(qū)的總積水量，假設(shè)積水處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，采用簡化的處理方式，基于研究區(qū)高精度DSM，模擬內(nèi)澇淹沒區(qū)域和淹沒深度。將暴雨內(nèi)澇看作一種無源淹沒狀態(tài)，凡是高程值低于水位值的區(qū)域均計入淹沒區(qū)，借助Python的Arcpy模塊實現(xiàn)一定積水量下研究區(qū)域的淹沒面積和淹沒水面的高程值的計算，注意該淹沒水位高程為水準(zhǔn)高程。其編程思想為：假設(shè)洪水的淹沒水面永遠是一個水平面，首先設(shè)定一個水位值，用該水位值作為高程屬性值的一個水平面，去切研究區(qū)DSM，得到該水位值對應(yīng)的水平面與DSM之間的庫容量；然后比較庫容量與積水量，若積水量小于庫容量，則減小設(shè)定的水位值，若積水量大于庫容量，則增加水位值，通過不斷調(diào)整水位值，讓庫容量漸漸逼近積水量，若庫容量等于積水量，則對應(yīng)的水位值就是洪水最終淹沒水面的高程值；最后根據(jù)上述方法，計算出研究區(qū)內(nèi)不同降雨情景下的淹沒水位、淹沒水位以及淹沒區(qū)面積，由于在重現(xiàn)期為5、10時，研究區(qū)內(nèi)除了低洼的水塘外幾乎沒有淹沒情況，則最終顯示重現(xiàn)期分別為20、50、200、500和1000 a的淹沒情況。

在實際應(yīng)用時，要分布式地考慮地物的蓄滯屬性和透水性，特別是在本次試驗中，在影像圖上，可以看到研究區(qū)內(nèi)分布著較多植被，在每個柵格點的高程值里，每個植被都有其高程屬性，對研究區(qū)進行淹沒分析時，會發(fā)現(xiàn)在一定高程下，植被會被歸為未被淹沒的區(qū)域，因此，在作實際淹沒分析時需要剔除掉植被對淹沒分布的影響。在本次試驗中，結(jié)合正射影像將研究區(qū)內(nèi)的植被勾畫出來，并利用三維模型對植被高程進行量測，給植被賦予高度值，以近似地剔除掉植被對淹沒結(jié)果的影響，修正公式為

Vij=Dij-Hij(i=1,2，…,n;j=1,2，…,m)

(3)

式中，i表示行數(shù)；j表示列數(shù)；Vij表示修改后的柵格單元的值；Dij代表原地形柵格單元值；Hij表示植被高度柵格單元值。根據(jù)經(jīng)植被修正后的研究區(qū)進行計算分析，分別統(tǒng)計不同降雨情景下的研究區(qū)淹沒情況(見表1)。

表1 不同重現(xiàn)期下的淹沒情況

3.3 城市雨洪風(fēng)險等級評估

根據(jù)3.2節(jié)通過模擬不同重現(xiàn)期下研究區(qū)的淹沒情況，用不同的淹沒水位裁切淹沒區(qū)域則可以得到淹沒區(qū)不同的淹沒深度，以淹沒深度作為風(fēng)險評估的關(guān)鍵指標(biāo)，借鑒其他文獻的風(fēng)險評價方法，將本文研究區(qū)暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險程度劃分為6個等級，見表2。

表2 城市雨洪風(fēng)險等級

不同重現(xiàn)期下研究區(qū)的淹沒深度分布如圖4所示，并利用高精度的影像和高程信息，使用Terra Builder制作MPT文件，然后使用Terra Explorer Pro進行淹沒場景的三維展示，可以很直觀地觀測到研究區(qū)在不同降雨情景下各個區(qū)域的淹沒情況，包括淹沒范圍、淹沒深度情況等。

通過模擬研究區(qū)域不同重現(xiàn)期下的暴雨情況，可以得到不同重現(xiàn)期下研究區(qū)的淹沒情況，通過對淹沒水深的提取及不同淹沒水深下研究區(qū)淹沒情況的三維顯示，可以很直觀地看到研究區(qū)內(nèi)每個地方的淹沒情況，為城市建筑的規(guī)劃布局提供一定的參考價值。

4 結(jié) 語

傾斜攝影技術(shù)基于多視影像，有效解決了傳統(tǒng)航測建模方式建筑物側(cè)面信息缺失的問題，且其產(chǎn)品更加豐富，在生產(chǎn)實景三維模型的同時也能生產(chǎn)DOM、DSM等多種產(chǎn)品，大大增強了產(chǎn)品使用范圍，滿足不同工程需求。本文以淹沒深度為關(guān)鍵指標(biāo)進行研究區(qū)洪澇風(fēng)險的評估，基于Terra Explorer Pro的不同降雨情景下的淹沒三維模擬，直觀表達了淹沒區(qū)的分布隨淹沒水位的抬升的變化情況，為城市防洪減災(zāi)決策、制定城市發(fā)展規(guī)劃和土地利用規(guī)劃，提高城市對洪澇災(zāi)害的適應(yīng)能力提供了可借鑒的方法。