水電站高邊坡實(shí)景三維建模工程應(yīng)用

張 釗，尚海興，柯生學(xué)，邢 文，賀春林

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

建立水電站規(guī)劃階段高邊坡實(shí)景三維傾斜攝影模型不僅能直觀反映空間屬性[1]，也可從不同視角、不同距離了解興趣區(qū)山體裂縫、滑坡體狀態(tài)，其對(duì)水工設(shè)計(jì)、地質(zhì)勘測等工作具有一定輔助作用。目前，水電站高邊坡三維建模存在落差大、陰影重、像控點(diǎn)難以布設(shè)、空中三角測量復(fù)雜等技術(shù)難題，許多工程師及科研人員通過多種手段解決這些問題。尚海興、白芝勇提[2-3]使用Phantom4 RTK航攝系統(tǒng)仿地飛行、多角度拍攝方法實(shí)現(xiàn)減免地形圖測圖和建模時(shí)的像控點(diǎn)數(shù)量，但該方法在高落差、大面積的試驗(yàn)區(qū)作業(yè)效率低，且短焦鏡頭也無法適用水電站高邊坡；張軍等[4]通過對(duì)航攝儀進(jìn)行檢校、對(duì)焦至無窮遠(yuǎn)處、建立影像畸變模型等方法糾正部分畸變，但無法大幅度控制鏡頭畸變，無法解決峽谷兩側(cè)光照亮度不同，空中三角測量解算困難的問題。

本文以西藏某項(xiàng)目為例，以水電站壩址區(qū)高邊坡作為試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行航攝并建模，采用五鏡頭航攝儀配合高精度PPK系統(tǒng)輔助平差，減少像控點(diǎn)數(shù)量，同時(shí)提高空中三角測量成功率，較常規(guī)單鏡頭相機(jī)生產(chǎn)出的三維實(shí)景模型紋理更優(yōu)、漏洞更少。

1 測區(qū)概況

1.1 測區(qū)概況與試驗(yàn)準(zhǔn)備

測區(qū)位于西藏某高海拔地區(qū)，山體陡峭、樹木高大、植被覆蓋較厚，是兩山夾一河的峽谷地形。試驗(yàn)測區(qū)投影面積約為1.5 km2，谷底路面海拔約為3 100.00 m，相對(duì)高差最大約為700 m。常規(guī)方法布設(shè)像控點(diǎn)難度大，僅能沿溝底道路布設(shè)少量像控點(diǎn)；植被覆蓋厚，常規(guī)方案空中三角測量計(jì)算易失??；落差大，分辨率難以統(tǒng)一。根據(jù)水電站可研階段勘察設(shè)計(jì)需求，擬構(gòu)建傾斜攝影三維實(shí)景模型，后期可依托模型采集生產(chǎn)1∶2000地形圖和若干水文斷面。

2 試驗(yàn)方案

根據(jù)GB/T 19294-2003《航空攝影技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)航攝分區(qū)的要求，分區(qū)內(nèi)地形高差一般不大于1/4相對(duì)航高[5]。而測區(qū)峽谷中高差大、林木高聳，統(tǒng)一航高會(huì)導(dǎo)致谷底分辨率過低或頂部影像重疊度不足，常規(guī)固定翼無人機(jī)巡航速度快、作業(yè)效率高等優(yōu)勢將在峽谷地區(qū)受到限制，無固定翼盤旋及轉(zhuǎn)彎條件。綜上所述，利用旋翼無人機(jī)出轉(zhuǎn)彎靈活、姿態(tài)穩(wěn)定、飛行風(fēng)險(xiǎn)低等優(yōu)勢進(jìn)行變高仿地飛行保證飛行安全，預(yù)設(shè)航攝參數(shù)輔以五鏡頭長焦航攝儀保證模型精度及紋理質(zhì)量。像控工作完成后，采用短焦單鏡頭Phantom4 RTK設(shè)備進(jìn)行等條件、同參數(shù)航攝建模，用于后期進(jìn)行2種不同設(shè)備模型觀感對(duì)比，此設(shè)備及航攝參數(shù)不再具體敷述。

2.1 航攝系統(tǒng)情況及優(yōu)勢簡介

本套系統(tǒng)使用 KWT-X6L-15六旋翼無人機(jī)搭載RB-DG4Pros五鏡頭航攝儀，該系統(tǒng)相機(jī)具有優(yōu)異的光學(xué)性能，可補(bǔ)償像差且將光學(xué)鏡頭畸變率嚴(yán)格控制到千分之四以內(nèi)，起到減免像控的作用。因山體高差大，峽谷兩側(cè)長期光照不均，存在陰影，常規(guī)單鏡頭相機(jī)光線補(bǔ)償困難，常會(huì)出現(xiàn)一景影像兩側(cè)亮度反差大的情況，故對(duì)航攝時(shí)段選擇要求較高。本套航攝儀可以設(shè)置5個(gè)鏡頭分別自動(dòng)調(diào)節(jié)感光度(ISO)及曝光參數(shù)(EV)進(jìn)行曝光補(bǔ)償，每個(gè)鏡頭單獨(dú)進(jìn)行成像，大面積改善陰影區(qū)曝光強(qiáng)度，避免模型成果出現(xiàn)“陰陽”差異，影響模型觀感。本套航攝系統(tǒng)參數(shù)詳細(xì)信息見表1。

表1 航攝系統(tǒng)參數(shù)表

該航攝儀4個(gè)側(cè)視鏡頭分別對(duì)應(yīng)航攝的前后左右4個(gè)方向，并與下視鏡頭成45°夾角。作業(yè)時(shí)，5個(gè)角度的鏡頭同時(shí)進(jìn)行曝光，并同步記錄機(jī)載差分?jǐn)?shù)據(jù)，用于提升后期空中三角測量計(jì)算速度和成功率。隨著峽谷山體角度變大，五鏡頭航攝儀較之單鏡頭優(yōu)勢明顯，可極大提升航攝重疊度和單次曝光攝影范圍，前后視角的鏡頭可以拍攝到下視鏡頭無法拍攝到的陡峭山壁和倒崖；左右鏡頭可擴(kuò)大單航線拍攝范圍，獲取更多山體側(cè)面紋理，使得模型產(chǎn)品各角度紋理充足，從而減少模型漏洞。此亦有利于后期在模型中準(zhǔn)確測制所需要的水文斷面，使庫區(qū)容量計(jì)算更加準(zhǔn)確。

2.2 航攝方案

因航攝既要保證充足的光照，又要避免因山體陡峭出現(xiàn)過大陰影，故航攝選在中午前后各1 h時(shí)段內(nèi)進(jìn)行，本時(shí)段航攝能最大程度弱化其對(duì)航攝質(zhì)量的影響。

本套設(shè)備基于開放的地面站軟件系統(tǒng)按高度分層布設(shè)航線，進(jìn)行變高仿地飛行。此操作解決了高邊坡地形布設(shè)等高航線出現(xiàn)前文提到的問題；測試區(qū)具體參數(shù)為：下視鏡頭航攝地面分辨率5 cm，航向重疊度80%，旁向重疊度70%，攝影基線長度48 m，航飛速度設(shè)置為8 m/s，轉(zhuǎn)彎模式為定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎。本次航飛方案主要特點(diǎn)如下：

(1) 變高飛行

本次測試共敷設(shè)12條航線，航線參考Google earth軟件中的DEM預(yù)留安全高度，自河流左岸逐層過度上升后由右岸逐層下降；峽谷兩側(cè)航線相對(duì)航高均分為6層，自500～1 000 m每100 m為一層。每條航線高度隨攝影基準(zhǔn)面變化而變化，航高改變也直接影響航攝分辨率和航攝重疊度，防止出現(xiàn)因陡峭地形導(dǎo)致最高點(diǎn)重疊度不足或最低點(diǎn)分辨率無法滿足航攝預(yù)設(shè)要求的情況。

(2) PPK應(yīng)用

PPK是利用載波相位進(jìn)行事后差分處理獲取坐標(biāo)的GNSS 定位技術(shù)[6]，其無需實(shí)時(shí)通訊，可應(yīng)對(duì)因峽谷地區(qū)信號(hào)遮擋嚴(yán)重RTK技術(shù)造成的數(shù)據(jù)斷鏈情況，高精度高頻率PPK設(shè)備可準(zhǔn)確內(nèi)插出相機(jī)曝光點(diǎn)的精準(zhǔn)空間位置[7]，再配合相機(jī)固有夾角提供的3個(gè)外方位角元素初始值及5個(gè)鏡頭的相對(duì)幾何關(guān)系，快速定位相鄰影像，提高空中三角測量效率。

隨航飛速度增加，機(jī)載GNSS模塊定位會(huì)產(chǎn)生線性偏移。本次將航飛預(yù)設(shè)速度減慢雖降低了部分航攝效率，但提升了差分成果精度。機(jī)載差分設(shè)備與差分基準(zhǔn)站通過相對(duì)動(dòng)態(tài)定位獲取曝光點(diǎn)坐標(biāo)，作為區(qū)域網(wǎng)平差中的附加攝影測量觀測值，再與地面像控點(diǎn)進(jìn)區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差，此時(shí)地面控制點(diǎn)數(shù)量可大幅減少。GNSS輔助空中三角測量的模擬理論[8]認(rèn)為： GNSS攝站外方位線元素效果優(yōu)于角元素，且其在區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差中極其有效，甚至差分坐標(biāo)代入平差可免除像控點(diǎn)。差分系統(tǒng)與機(jī)載差分設(shè)備聯(lián)合平差的理論為：機(jī)載GNSS差分設(shè)備相位中心與航攝儀投影中心利用像片姿態(tài)角φ、ω、κ所構(gòu)成的正交變換矩陣R可得到如下關(guān)系式(1)[9]：

(1)

式中:XA,YA,ZA分別為機(jī)載差分系統(tǒng)相位中心大地坐標(biāo)；XS,YS,ZS分別為航攝儀投影中心大地坐標(biāo)；u、v、w分別為相位中心在像方坐標(biāo)系中的3個(gè)坐標(biāo)分量。

若像點(diǎn)a在以像主點(diǎn)為原點(diǎn)的像平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(x,y) , 機(jī)載差分系統(tǒng)相位中心在物方空間坐標(biāo)系中的地面坐標(biāo)為(X,Y,Z), 則像平面坐標(biāo)與物空間坐標(biāo)理論上應(yīng)滿足投影中心-像點(diǎn)-物點(diǎn)位于一條直線的共線條件方程如式(2)[10]:

(2)

式中：f代表航攝儀主距；a1、a2，…，c3分別為影像外方位角元素表示的方向余弦。

2.3 像控方案

因交通原因，本次實(shí)驗(yàn)區(qū)無法按照常規(guī)方案全區(qū)均勻布設(shè)像控點(diǎn)，航攝作業(yè)前僅在測試區(qū)內(nèi)河邊路面上均勻布設(shè)9個(gè)平高像控點(diǎn)，并進(jìn)行現(xiàn)場采集坐標(biāo)。后使用以下方法實(shí)測大量檢查點(diǎn)，用于建模后對(duì)模型精度進(jìn)行檢查評(píng)估，像控點(diǎn)、曝光點(diǎn)位置分布見圖1。

圖1 像控點(diǎn)、曝光點(diǎn)位置分布示意圖

(1) 沿河道路邊遠(yuǎn)離像控點(diǎn)位置使用GNSS-RTK技術(shù)測量若干碎步點(diǎn)；

(2) 使用機(jī)載雷達(dá)設(shè)備對(duì)測區(qū)進(jìn)行掃描，濾波稀釋后保留若干地面特征點(diǎn)。

2.4 空中三角測量平差及建模方案

航攝完成后使用與該套航攝系統(tǒng)配套的SkyScanner軟件剔除非關(guān)注區(qū)域的側(cè)視影像，減少冗余數(shù)據(jù)的計(jì)算量，然后將所有影像和與之對(duì)應(yīng)PPK計(jì)算出的差分位置信息自動(dòng)結(jié)合生成block文件。再將其導(dǎo)入本次空中三角測量計(jì)算平差及建模使用的軟件中，建模技術(shù)路線流程為：數(shù)據(jù)預(yù)處理→block文件導(dǎo)入→航攝儀參數(shù)導(dǎo)入→坐標(biāo)系統(tǒng)定義→空中三角測量參數(shù)設(shè)置→自由網(wǎng)空中三角測量→引入像控點(diǎn)→約束網(wǎng)空中三角測量→空中三角測量精度檢查→三維模型生產(chǎn)。

在落差大、植被厚的林區(qū)進(jìn)行空中三角測量計(jì)算難度大。本次對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)密度、影像組件構(gòu)造模式、徑向畸變、切向畸變等參數(shù)進(jìn)行自定義設(shè)置，從而提升空中三角測量成功率。空中三角測量設(shè)置見圖2，空中三角測量平差精度表見表2。

圖2 空中三角測量圖

表2 空中三角測量平差精度表

3 精度、紋理檢查與分析

3.1 模型觀感對(duì)比

建模完成后對(duì)比發(fā)現(xiàn)常規(guī)Phantom4 RTK設(shè)備建立的模型表面紋理差，樹林中細(xì)節(jié)變形嚴(yán)重、出現(xiàn)漏洞，峽谷兩岸出現(xiàn)亮度不均、觀感差等情況。而使用本套設(shè)備及方案建立的模型紋理清晰、無漏洞，峽谷兩岸幾乎無亮度差別，顏色均勻，觀感良好。單鏡頭短焦相機(jī)與五鏡頭長焦相機(jī)模型細(xì)節(jié)紋理質(zhì)量對(duì)比圖和模型色差及陰影對(duì)比見圖3、4。

圖3 單鏡頭短焦相機(jī)(左)與五鏡頭長焦相機(jī)(右)模型細(xì)節(jié)紋理質(zhì)量對(duì)比圖

圖4 單鏡頭短焦相機(jī)(左)與五鏡頭長焦相機(jī)(右)模型色差及陰影對(duì)比圖

3.2 精度評(píng)定及分析

為了檢查本次試驗(yàn)的生產(chǎn)精度，使用上文所述方法預(yù)先獲取的若干地面檢查點(diǎn)野外實(shí)測坐標(biāo)，與其模型采集坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)并式(3)所示計(jì)算中誤差，誤差公式：

(3)

式中：m為中誤差，mm；Δ為真誤差，mm；n為觀測值個(gè)數(shù)。

因試驗(yàn)區(qū)為流域重點(diǎn)水電站選壩河段，故項(xiàng)目內(nèi)部控制精度指標(biāo)高于NB/T 35029-2014《水電工程測量規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)。參照NB/T 35029-2014《水電工程測量規(guī)范》[11]，平面中誤差限差按規(guī)范中表3.0.5-3中的1∶1000丘陵地成圖精度執(zhí)行，即為0.60 m；高程中誤差限差按規(guī)范中表3.0.5-4中山地高程中誤差執(zhí)行，即為0.66 m。計(jì)算完成后，按照地面檢查點(diǎn)與像控點(diǎn)高差每100 m為一類進(jìn)行分類列表對(duì)比。檢查點(diǎn)相對(duì)像控點(diǎn)高差與精度關(guān)系見表3，檢查點(diǎn)相對(duì)像控點(diǎn)高差與平面中誤差關(guān)系見圖5，檢查點(diǎn)相對(duì)像控點(diǎn)高差與高程中誤差關(guān)系見圖6。

表3 檢查點(diǎn)相對(duì)像控點(diǎn)高差與精度關(guān)系表

圖5 檢查點(diǎn)相對(duì)像控點(diǎn)高差與平面中誤差關(guān)系圖

圖6 檢查點(diǎn)相對(duì)像控點(diǎn)高差與高程中誤差關(guān)系圖

4 結(jié) 語

基于本次作業(yè)和航攝方案，在相對(duì)高差700 m、投影面積1.5 km2的試驗(yàn)區(qū)中，僅在谷底布設(shè)9個(gè)平高像控點(diǎn)后進(jìn)行航攝作業(yè)、模型生產(chǎn)、檢查成果精度。在檢查計(jì)算后，對(duì)比項(xiàng)目內(nèi)控精度指標(biāo)和規(guī)范限差，發(fā)現(xiàn)稀疏林區(qū)平面和高程中誤差均大于裸露的地面和石壁；且隨著地面檢查點(diǎn)與像控點(diǎn)的相對(duì)高差變大，所有檢查點(diǎn)的實(shí)測坐標(biāo)與模型采集坐標(biāo)平高中誤差均逐漸變大，在檢查點(diǎn)相對(duì)像控點(diǎn)高差600 m以下時(shí)精度滿足項(xiàng)目內(nèi)控指標(biāo)要求；在達(dá)到700 m時(shí)超出內(nèi)控指標(biāo)，但仍滿足1∶2000測圖規(guī)范精度。經(jīng)加入不同數(shù)量像控點(diǎn)的多種方法計(jì)算，發(fā)現(xiàn)本套設(shè)備及方案在本實(shí)驗(yàn)區(qū)1.5 km2范圍內(nèi)像控點(diǎn)合理數(shù)量為9個(gè)，若大于9個(gè)像控點(diǎn)，平面和高程精度并未發(fā)現(xiàn)大幅提升。

本文對(duì)比介紹了本套系統(tǒng)在水電站高邊坡實(shí)景三維建模中的應(yīng)用，其中長航時(shí)多旋翼為電量消耗大的變高飛行方案提供了有力支持，通過使用長焦距、小畸變五鏡頭相機(jī)進(jìn)行航攝，配合高精度PPK系統(tǒng)輔助平差減少了像控點(diǎn)數(shù)量,提高了空中三角測量成功率，有效解決水電站高邊坡實(shí)景建模工程中常規(guī)單鏡頭相機(jī)航攝模型觀感差、漏洞多等問題。該地區(qū)使用本套設(shè)備和方案可滿足1∶2000模型精度且紋理良好、無明顯亮度差和色，為其他落差高、植被厚的峽谷地區(qū)三維建模提供了思路。