傾斜攝影技術(shù)在河道整治中的應(yīng)用

鐘棉卿，隋立春

（1.中交通力陜西環(huán)境綠化工程有限公司，陜西 西安 710075；2.長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710054）

河道是重要的水利設(shè)施和生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，基于河道現(xiàn)狀調(diào)查開(kāi)展河道整治工程是水利規(guī)劃的重要環(huán)節(jié)。為摸清河道的數(shù)量、長(zhǎng)度、沖刷和淤積情況、水環(huán)境狀況及管護(hù)狀況，為河道綜合治理提供現(xiàn)勢(shì)的基礎(chǔ)資料，需要開(kāi)展大量辛苦的河道實(shí)地調(diào)查和野外勘測(cè)工作。傳統(tǒng)的現(xiàn)狀調(diào)查與測(cè)量工作需要到野外實(shí)地勘察與測(cè)繪，勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率低，有些危險(xiǎn)區(qū)域不可達(dá)，給外業(yè)工作帶來(lái)了極大的難度。本文將日漸成熟的無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)引入到河道整治工程，不僅能為河道整治工程提供現(xiàn)勢(shì)的地形地貌資料，還能基于傾斜攝影技術(shù)生成的實(shí)景真三維模型在室內(nèi)開(kāi)展現(xiàn)狀調(diào)查，大幅減少外業(yè)工作量，并有利于形成工程管理的數(shù)字化檔案，記錄河道整治的全過(guò)程。

1 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)介

傾斜攝影技術(shù)通過(guò)在無(wú)人機(jī)平臺(tái)上搭載多個(gè)傳感器，從多個(gè)視角同步采集地表形態(tài)的高分辨率影像，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，不僅能得到真正射影像和數(shù)字高程模型，生成大比例尺地形圖，還能基于地表豐富的真實(shí)紋理信息獲取精細(xì)的真實(shí)感三維地面模型?；谌S地面模型還能提供對(duì)象普查、實(shí)體量測(cè)、場(chǎng)景漫游、形態(tài)記錄等相關(guān)技術(shù)服務(wù)。無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)已普遍應(yīng)用于三維城市模型、國(guó)土安全、土地規(guī)劃、林業(yè)、電力、石油等行業(yè)領(lǐng)域。

相比以垂直角度拍攝地面的傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)，無(wú)人機(jī)傾斜攝影能同時(shí)獲取多個(gè)視角的同步影像，如五鏡頭相機(jī)采用1 個(gè)垂直和四個(gè)傾斜視角的相機(jī)同時(shí)獲取地物頂面和側(cè)面的影像，以極高的重疊度覆蓋了地物的各個(gè)部分，能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的快速建模。其技術(shù)優(yōu)勢(shì)還在于：

（1）技術(shù)先進(jìn)，建模成本低

無(wú)人機(jī)傾斜攝影融合了無(wú)人機(jī)、傾斜攝影和數(shù)字建模等多種高新技術(shù)，從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理的作業(yè)流程基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)配套有航線設(shè)計(jì)軟件，飛行成本低，獲取的影像質(zhì)量高，傾斜攝影的多鏡頭大幅提高了數(shù)據(jù)采集效率。高度自動(dòng)化的數(shù)據(jù)處理與建模軟件使無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)成為當(dāng)前獲取實(shí)景三維模型成本很低的成熟解決方案。

（2）數(shù)據(jù)成果多樣、精度高

傳統(tǒng)攝影測(cè)量以4D 產(chǎn)品作為最終的數(shù)據(jù)成果，傾斜攝影技術(shù)突破了正射影像的不足，從多個(gè)角度采集了地物的豐富信息，基于數(shù)字建模技術(shù)，為用戶提供了符合人眼視覺(jué)的真實(shí)直觀世界模型，模型精度可達(dá)cm 級(jí)，精細(xì)度高，為基于模型的三維量測(cè)和專題調(diào)查提供了數(shù)據(jù)支持。

（3）大幅減少野外調(diào)查與測(cè)量工作

基于地表的真三維模型，可以讓用戶從各個(gè)角度觀察地物，得到實(shí)地的現(xiàn)勢(shì)資料，大幅減少實(shí)地考察工作[1]，創(chuàng)新了傳統(tǒng)調(diào)查與測(cè)量的作業(yè)模式，省時(shí)，省力，還便于隨時(shí)檢查，對(duì)于質(zhì)量控制有重要的價(jià)值。基于精細(xì)的模型，可以隨時(shí)進(jìn)行三維量測(cè)[2]，包括高度、面積、長(zhǎng)度、面積、角度、坡度等的量測(cè)，而這些測(cè)量?jī)?nèi)容利用傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)可能需要很多不同的設(shè)備分別采集。

（4）便于建立數(shù)字化檔案，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享

常規(guī)測(cè)量往往服務(wù)于工程建設(shè)的某個(gè)階段，如前期的地形圖測(cè)量，為設(shè)計(jì)方案開(kāi)展的詳細(xì)工程勘測(cè)，施工測(cè)量、竣工測(cè)量等等。每個(gè)階段都需要較長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間，各個(gè)階段產(chǎn)生了不同的測(cè)量數(shù)據(jù)，不便于對(duì)比和管理。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)能基于實(shí)景模型高效的開(kāi)展細(xì)致的數(shù)據(jù)獲取和處理工作，包含的內(nèi)容全面、豐富，再次采集的成本低，便于建立工程管理全過(guò)程的數(shù)字化檔案，傾斜攝影技術(shù)獲取的影像和模型的數(shù)據(jù)格式可采用成熟的技術(shù)快速進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，實(shí)現(xiàn)共享應(yīng)用，對(duì)于工程的精細(xì)化管理有積極的推動(dòng)作用。

2 工程概況

本工程為延河延安城區(qū)段綜合治理某河道整治工程，治理河道總長(zhǎng)23.4 km，其中河道疏導(dǎo)段總長(zhǎng)21.2 km，堤岸防護(hù)段河道總長(zhǎng)7.3 km，修建擋水建筑2 處，形成水面面積11 hm2。主要建設(shè)內(nèi)容包括：擋水工程、河道防護(hù)工程、河道清淤工程、交通工程、附屬建筑物、電氣設(shè)備安裝等。

根據(jù)工程需要，采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)為河道整治工程提供數(shù)字化測(cè)繪成果，包括：項(xiàng)目前期，生成項(xiàng)目周邊地區(qū)地面分辨率優(yōu)于0.2 m 的數(shù)字正射影像圖，提供沿河地帶兩側(cè)外擴(kuò)(100 m～200 m)的 1∶1000 帶狀地形圖和建（構(gòu)）筑物地區(qū)1∶500 的區(qū)域地形圖，并實(shí)地調(diào)查河道淤積、水污染及管護(hù)狀況，為河道整治的方案設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)方案，確定清淤量，繪制整治前后的縱、橫斷面圖。在工程竣工后，生成河道整治后的可量測(cè)的三維實(shí)景模型。

3 河道整治傾斜攝影測(cè)量技術(shù)流程

河道整治的目的在于恢復(fù)和改善河道原有的功能，加強(qiáng)對(duì)河道的監(jiān)控，調(diào)查河道水源污染、垃圾污染、河底淤積抬高、河道堵塞、河岸侵占等現(xiàn)象，并提供相關(guān)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)減少水災(zāi)、提升防洪排澇能力、保護(hù)和改善沿河兩岸的生態(tài)環(huán)境等任務(wù)。傾斜攝影技術(shù)能快速提供地表的真實(shí)形態(tài)，基于三維模型很快能得到河道現(xiàn)狀資料，同時(shí)獲取各種專題的實(shí)況信息，數(shù)據(jù)獲取的成本低，成果質(zhì)量高，非常適合于河道整治的工作內(nèi)容。本文根據(jù)傾斜攝影測(cè)量的主要技術(shù)要點(diǎn)和河道整治的關(guān)注點(diǎn)整理了一個(gè)河道整治傾斜攝影測(cè)量技術(shù)流程，主要包括：航飛設(shè)計(jì)、控制測(cè)量、無(wú)人機(jī)傾斜攝影實(shí)施、航攝內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、三維建模與基于三維模型的數(shù)據(jù)采集[3]六個(gè)主要環(huán)節(jié)。

3.1 航飛設(shè)計(jì)

本工程采用利用大疆精靈無(wú)人機(jī)搭載五鏡頭傾斜攝影測(cè)量相機(jī)。按照設(shè)計(jì)比例尺的成圖要求及無(wú)人機(jī)飛行飛控軟件設(shè)計(jì)飛行方案。設(shè)計(jì)總體航線為“Y”字形，根據(jù)測(cè)區(qū)兩岸的山區(qū)地形和建筑高度，分三次飛行。敷設(shè)4 條航線，相對(duì)航高100 m～200 m，獲取航片4132 張。影像地面分辨率優(yōu)于0.02 m，河道兩岸的航向重疊度和旁向重疊度分別設(shè)置為80%、60%，下視角相機(jī)垂直角度拍攝，4 個(gè)不同朝向的傾斜相機(jī)側(cè)視角設(shè)置為-45°。飛行速度8 m/s。

3.2 控制測(cè)量

本工程共布設(shè)像控點(diǎn)15 個(gè)，檢查點(diǎn)3 個(gè)，全部為平高點(diǎn)。像控點(diǎn)位于帶狀測(cè)區(qū)左右兩側(cè)，基本采用“S”型路線布點(diǎn)，像控點(diǎn)完全覆蓋施工區(qū)域。像控點(diǎn)測(cè)量采用RTK 方式方法對(duì)中測(cè)量3 次，取平均值作為最終控制點(diǎn)成果。

3.3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影實(shí)施

考慮到氣象條件對(duì)航飛的影響，選擇了能見(jiàn)度好，碧空無(wú)云的晴朗天氣實(shí)施飛行，逐條航線使用同一架次在兩天內(nèi)完成航飛任務(wù)。飛行結(jié)束后，對(duì)獲取的航攝資料質(zhì)量進(jìn)行檢查包括。檢查的主要內(nèi)容有：影像的清晰度，影像的色調(diào)，確保水系要素在照片上清晰可辨，地物輪廓完整，相鄰的影像間相同地物色調(diào)一致。

3.4 航攝內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

3.4.1 空中三角測(cè)量

本項(xiàng)目?jī)A斜航空攝影的空中三角測(cè)量在ContextCaptureCenter 軟件下完成。首先進(jìn)行航片整理和影像質(zhì)量檢查，保證順序一致。并將定位定姿（POS）文件也放入相應(yīng)的架次文件夾內(nèi)。設(shè)置相機(jī)參數(shù)，和影像對(duì)應(yīng)的pos 文件的位置、最后設(shè)置坐標(biāo)系統(tǒng)，影像路徑等參數(shù)，形成block 文件。

3.4.2 空三加密

本工程采用ContextCaptureCenter 軟件自動(dòng)進(jìn)行空三加密?？杖用芙Y(jié)束后，對(duì)加密精度各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢查，滿足航攝內(nèi)業(yè)規(guī)范中定向點(diǎn)、檢查點(diǎn)、區(qū)域網(wǎng)公共點(diǎn)的精度要求后提交下工序生產(chǎn)實(shí)景三維模型使用。

3.5 三維建模

本項(xiàng)目主要采用ContextCaptureCenter 軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維自動(dòng)化生產(chǎn)。軟件內(nèi)設(shè)影像密集匹配算法，自動(dòng)匹配出所有影像中的同名點(diǎn)，并從傾斜影像中提取更多的特征點(diǎn)構(gòu)成三維密集點(diǎn)云，從而更精確地表達(dá)地物的細(xì)節(jié)。軟件基于瓦片技術(shù)，將建模區(qū)域分割為很多個(gè)正方形“Tile”，每個(gè)“Tile”的面積可以根據(jù)計(jì)算機(jī)配置設(shè)置。采用并行機(jī)制，將每個(gè)“Tile”的三維模型建立打包成為一個(gè)任務(wù)，自動(dòng)分配節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行測(cè)區(qū)三維模型生產(chǎn)，獲取的三模型格式為OSGB。

3.6 基于三維模型河道現(xiàn)狀調(diào)查和數(shù)據(jù)采集

3.6.1 河道現(xiàn)狀調(diào)查

基于精細(xì)的三維實(shí)景模型，可開(kāi)展的調(diào)查內(nèi)容有：

（1）河道兩側(cè)的非法侵占地。河道兩岸常存在雜草、茂密植被、護(hù)河林或沿河建筑，野外實(shí)測(cè)非常困難。通過(guò)實(shí)景三維模型可以清晰的看到兩岸復(fù)雜的環(huán)境，清查沿岸堆積的雜物，違章建筑等，還能勾勒出侵占的范圍輪廓，注明可辨別的侵占類型。

（2）河道現(xiàn)狀調(diào)查。根據(jù)河道水體的顏色，辨別水污染、固體廢棄物污染、床淤積、沖刷等清況[4]，對(duì)水質(zhì)復(fù)雜的區(qū)域標(biāo)識(shí)實(shí)地探查符。當(dāng)水質(zhì)清澈時(shí)，水體建模特征點(diǎn)不足，易在局部建模失敗，可參考影像進(jìn)行水質(zhì)調(diào)查。圖1 為基于實(shí)景三維模型的水質(zhì)調(diào)查和基于影像的水質(zhì)調(diào)查。

（3）巡察非法排污，包括工業(yè)污染和生活污水的不當(dāng)排放口進(jìn)行調(diào)查?；谌S實(shí)景模型可以排查位置隱蔽排污口，避開(kāi)實(shí)地巡查壁壘，有獨(dú)特的巡視效果。

圖1 河道整治工程水質(zhì)調(diào)查

3.6.2 數(shù)據(jù)采集

基于大比例尺地形圖需求，在采集地形要素基礎(chǔ)上，重點(diǎn)采集水文要素。數(shù)據(jù)采集、編輯在清華山維EPS 地理信息工作站完成。直接在三維實(shí)景模型上采集，對(duì)于有遮擋的模型缺漏或變形區(qū)進(jìn)行實(shí)地補(bǔ)測(cè)。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中對(duì)能定性地物或現(xiàn)象的類別盡量定性，按照地形圖編碼要求賦予地物編碼，以減少外業(yè)調(diào)查工作量，對(duì)于不能定性的地物或現(xiàn)象賦予特殊的編碼，如“1”。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中嚴(yán)格進(jìn)行錯(cuò)、漏檢查，對(duì)未按模型采集或漏采的地物、地貌應(yīng)當(dāng)重測(cè)或補(bǔ)測(cè)。

在工程中也發(fā)現(xiàn)了這項(xiàng)技術(shù)存在的一些不足，如河道兩側(cè)密集的植被容易遮擋河道的邊線，五鏡頭相機(jī)不能完全采集到遮擋區(qū)域，造成建模時(shí)的變形較大。另外，清澈的水面上提取的特征點(diǎn)稀少，易產(chǎn)生建模漏洞，還需要另外的修模工作等。

4 結(jié)語(yǔ)

利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)不僅能獲取河道整治工程所需的大比例尺地形圖、縱、橫斷面圖，還能高效的獲取大范圍、高精度的三維實(shí)景模型，直接服務(wù)于河道現(xiàn)狀調(diào)查、河道測(cè)量、水污染調(diào)查和河岸占地非法占地調(diào)查等，具有廣闊的應(yīng)用空間。本文基于傾斜攝影技術(shù)原理及其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合工程實(shí)例提出使用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)開(kāi)展河道整治工程的實(shí)施流程，探討將此項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用于河道整治工程的適用性。隨著傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的快速發(fā)展和日漸成熟，可以預(yù)見(jiàn)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在水利工程領(lǐng)域會(huì)有廣泛的應(yīng)用。