基于無人機仿地傾斜攝影的南水北調(diào)深挖方與高填方渠段三維重建

劉文鍇, 龔天浩, 胡青峰, 貢恩軍, 王果, 李世明, 寇迎超

(1.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450046; 2.河南工程學(xué)院,河南 鄭州 451191)

南水北調(diào)中線工程是我國一項宏偉的生態(tài)工程和民生工程,該工程的安全運營極大地緩解了中國中、北部地區(qū)的水資源短缺問題,有效改善了河南、河北、北京、天津4個省(直轄市)受水區(qū)域的生態(tài)環(huán)境和投資環(huán)境,推動了中國中、北部地區(qū)的經(jīng)濟社會發(fā)展。南水北調(diào)中線工程輸水渠段全長1 432 km,渠道沿線工程地質(zhì)條件復(fù)雜多變,有采空區(qū)、膨脹土、濕陷性黃土、深挖方、高填方等。尤其在深挖方與高填方渠段,在膨脹土與大高差邊坡多種不利因素耦合影響下,渠段邊坡極不穩(wěn)定,存在許多明顯的裂縫,這給南水北調(diào)中線工程的安全運營帶來了極大隱患,一旦在深挖方或高填方渠段發(fā)生滑坡災(zāi)害,其后果不堪設(shè)想。為探明渠道邊坡的裂縫分布情況,常采用以下幾種方法進行渠道邊坡檢測:①通過全站儀、GNSS接收機在渠道邊坡上設(shè)立多個檢測點,對邊坡進行單點條帶式檢測。該方法精度高且便于觀測數(shù)據(jù),但無法描述渠道邊坡的整體情況及全面信息[1]。②利用合成孔徑雷達差分干涉測量技術(shù)(Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar,D-InSAR)獲取渠道邊坡表面形變數(shù)據(jù)。該方法不受時間與空間的制約,對地物有一定穿透能力,監(jiān)測范圍廣、密度大,且具有相對高精度的處理結(jié)果,但其結(jié)果因空間基線改變與受大氣噪聲影響,會造成數(shù)據(jù)失相干,且時效性不足[2]。③利用三維激光掃描儀獲取渠道邊坡的地表信息。該方法數(shù)據(jù)量大且精度較高,可以有效提取信息用于邊坡災(zāi)害檢測,但三維激光掃描儀設(shè)備價格高昂,且數(shù)據(jù)處理無法實現(xiàn)自動化[3-5]。

無人機傾斜攝影測量技術(shù)是近年來一種新興的三維數(shù)據(jù)獲取方法,將無人機技術(shù)與傾斜攝影技術(shù)相結(jié)合,利用無人機云臺搭載的不同鏡頭分別從多個傾斜角度獲取地物三維信息。隨著現(xiàn)代測繪新技術(shù)的發(fā)展,利用傾斜攝影測量的方法對渠段邊坡進行高精度三維模型重建逐漸成為一種有效的手段。然而,由于深挖方和高填方工程地質(zhì)條件特殊,典型特征是坡底和坡頂落差較大[6],采用傳統(tǒng)固定航高無人機飛行傾斜攝影測量技術(shù)所獲影像的地面分辨率不一致,易導(dǎo)致空中三角加密計算失敗,所建三維模型無法對渠道裂縫進行有效顯示和表達,進而無法進行渠道邊坡病害檢測。

為解決此類傳統(tǒng)技術(shù)難以解決的問題,本文引入無人機仿地飛行傾斜攝影測量技術(shù),以南水北調(diào)中線渠首高填方渠段為研究區(qū)域,利用無人機仿地飛行獲取地面分辨率一致的高分辨率渠道時序影像，以提高空中三角測量的成功率,并對該渠段進行高精度三維模型重建,以期為南水北調(diào)中線工程的邊坡病害檢測與保障通水安全提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

1 無人機仿地傾斜攝影技術(shù)

1.1 無人機傾斜攝影測量技術(shù)

隨著航空攝影技術(shù)的不斷發(fā)展,無人機傾斜攝影測量技術(shù)在近年來得到飛速進步,突破了傳統(tǒng)攝影測量只能拍攝正射影像的局限性,通過前視、后視、正射、右視及左視5個鏡頭同步采集多視圖時序影像,結(jié)合載波相位差分技術(shù)(Real-Time Kinematic,RTK)獲取地物三維信息及高精度紋理信息[7-8]。

其中傾斜影像區(qū)域網(wǎng)平差是傾斜攝影測量中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一,利用單幅影像覆蓋的已知控制點坐標與像點坐標,根據(jù)共線條件方程,在全范圍內(nèi)進行統(tǒng)一平差解算,求得每個影像獨立的外方位元素,按照多相片前方交匯解出加密點的地面坐標。其經(jīng)典多相機共線方程為:

(1)

(2)

式中:x、y為像片像點在像平面上的位置坐標;x0、y0、f為攝影中心與像片之間相關(guān)位置參數(shù);XA、YA、ZA為地面點在物方空間坐標系中的位置坐標;XS、YS、ZS為攝站點在物方空間坐標系中對應(yīng)的坐標;ai、bi、ci(i=1、2、3)為影像旋轉(zhuǎn)矩陣R的9個方向余弦,則

(3)

(4)

式中x0、y0為由共線方程代入外方位元素近似值得到的x、y值。

相比傳統(tǒng)的邊坡檢測方法,無人機傾斜攝影測量技術(shù)具有工作范圍廣、數(shù)據(jù)獲取快、后期數(shù)據(jù)處理可操作性強、數(shù)據(jù)精度高以及成本低等優(yōu)點,在城市三維場景重建[9]、水利工程檢測與管理[10]、消防應(yīng)急救援[11]、露天礦區(qū)測繪[12]等領(lǐng)域有重要用途。

本文首先利用常規(guī)無人機傾斜攝影測量手段,對南水北調(diào)中線工程渠首高填方與深挖方渠段進行三維重建,采用飛行高度為80 m的定航高飛行。常規(guī)傾斜攝影測量三維模型效果如圖1所示。

圖1 常規(guī)傾斜攝影測量技術(shù)獲取的渠道三維模型

由于渠道邊坡高差大引起的地面分辨率不同,導(dǎo)致三維模型拉花嚴重,且紋理細節(jié)粗糙,無法描述邊坡病害,不能為南水北調(diào)中線工程的病害檢測提供有效幫助。此外，經(jīng)典無人機傾斜攝影測量在航線規(guī)劃時,采用固定航高獲取的影像不能很好地刻畫立面細節(jié),導(dǎo)致三維重建過程中空中三角計算失敗、無法通過等問題,無法滿足南水北調(diào)中線工程的實際邊坡巡檢需求[13]。

1.2 無人機仿地飛行技術(shù)

針對南水北調(diào)高填方和深挖方渠段落差較大的特點,綜合考慮選用基于仿地飛行的傾斜攝影測量技術(shù)獲取邊坡影像數(shù)據(jù)。仿地飛行是指無人機進行外業(yè)操作時,無人機隨已知地形高度起伏變化與目標地物始終保持固定高差,其原理如圖2和圖3所示。利用無人機仿地飛行,不僅能保證無人機飛行安全,而且可以獲得地面分辨率一致的高質(zhì)量數(shù)據(jù),已在電力巡檢[14]、植保[15]、鐵路勘察[16]等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

圖2 仿地飛行原理示意圖(高填方渠段)

圖3 仿地飛行原理示意圖(深挖方渠段)

無人機需獲取測區(qū)高程信息方可仿地飛行,當前可利用無人機搭載的雷達傳感器計算無人機離地高度,也可預(yù)先加載數(shù)字地表模型(Digital Surface Model,DSM)文件獲取高程信息,通過飛控模塊俯仰角(θ)的變化來確定無人機姿態(tài)的變化,確保無人機與地面垂直距離始終一致[17]。地面高程變化大時：當θ>0°,無人機上升;當θ<0°,無人機下降。θ的范圍可按下式計算:

(5)

式中:Hx為無人機橫向位移長度;Hy為無人機縱向位移長度;Vx為無人機作業(yè)水平速度;Vy為無人機作業(yè)垂直速度;t為作業(yè)時間。

為了避免南水北調(diào)中線渠首段地形高差大造成的空三加密計算失敗問題,及獲取高精度渠段三維模型,本文選用仿地飛行進行渠段邊坡數(shù)據(jù)獲取,并設(shè)計無人機仿地飛行技術(shù)路線,如圖4所示。

圖4 仿地飛行技術(shù)路線

2 試驗區(qū)概況與試驗數(shù)據(jù)采集

2.1 試驗區(qū)概況

本文選取南水北調(diào)中線渠首高填方渠段為試驗區(qū),如圖5所示(中華人民共和國地勢圖來源于中華人民共和國自然資源部國家基礎(chǔ)地理信息中心)。該區(qū)域位于河南省南陽市鄧州市九龍鎮(zhèn)姚營村刁河渡槽,是整個南水北調(diào)中線工程為數(shù)不多的大高差高填方渠段之一。該區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,渠道邊坡多為吸水膨脹失水收縮的膨脹土,性質(zhì)極不穩(wěn)定,易引起邊坡失穩(wěn)等工程災(zāi)害。試驗區(qū)自西南向東北長約350 m、寬180 m,試驗區(qū)面積63 000 m2,其中水面面積12 800 m2,約占整個試驗區(qū)的1/5。高填方寬度58 m,兩側(cè)有水平距離61 m、相對高差16 m的邊坡。邊坡最高地物17.6 m,地勢呈階梯型下降。

圖5 試驗區(qū)衛(wèi)星影像

2.2 試驗數(shù)據(jù)獲取

2.2.1 像控點布設(shè)與測量

測區(qū)像控點需具有一定的幾何穩(wěn)定性,根據(jù)航線統(tǒng)一規(guī)劃像控點,使其均勻分布在整個試驗區(qū)是像控點布設(shè)的關(guān)鍵。像控點的位置應(yīng)盡量選擇上方及四周無遮擋、地面平整的區(qū)域,保證像控標志便于固定且清晰可見。由于試驗區(qū)南水北調(diào)渠道為條帶狀測區(qū),本文綜合考慮后,采用“S”形路線在邊坡兩側(cè)二級馬道布設(shè)像控點6個,相鄰兩點間隔約94 m。像控標志色彩應(yīng)與周圍地物色彩對比鮮明,設(shè)計成易識別且可重復(fù)利用的紅白黑相間的樣式,長寬均為0.8 m,中間預(yù)留測釘孔,以提高標志中心準確度且避免其移動[18]。圖6中下為像控點分布,右上為像控點樣式。為保證測量重建精度,在布設(shè)完像控標志后,使用中海達iRTK5 X進行圖根測量獲取像控標志中心點坐標,每點進行5個測回,每測回平滑采集10次。圖6左上為試驗人員做測量前準備。

圖6 像控標志樣式及分布

2.2.2 試驗區(qū)DSM生成

由于仿地飛行的航高隨地形起伏不斷變化,需要試驗區(qū)的DSM文件作為底圖。獲取DSM文件可通過網(wǎng)絡(luò)下載或者實地采集。為保證試驗精度,本文利用DJI Phantom 4 RTK無人機現(xiàn)場采集地形數(shù)據(jù)。設(shè)計航高為80 m,航向和旁向重疊度均為75%,云臺相機傾角-90°,即鏡頭始終朝下獲取正射影像。經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到試驗區(qū)DSM，如圖7所示[19]。

圖7 高填方數(shù)字地表模型

2.2.3 試驗數(shù)據(jù)采集

1)航高與航線設(shè)計。經(jīng)過實地測量,試驗區(qū)內(nèi)相對地面最高的建筑物高度為18 m,且渠道邊坡兩側(cè)有無人機避障系統(tǒng)不易識別的高壓線,需預(yù)留一定飛行安全緩沖高度,加上地面分辨率(Ground Sample Distance,GSD)跟航高有密切的聯(lián)系,因此選取仿地飛行高度為30 m[20]。三維模型的質(zhì)量很大程度上取決于無人機正射及傾斜影像的地面分辨率。地面分辨率是衡量影像可以區(qū)分兩個相鄰地物最小距離的能力,它與航高的關(guān)系如下:

GSD=δH/f。

(6)

式中:GSD為地面分辨率;δ為傾斜相機像元尺寸大小;H為相對航高;f為攝影鏡頭焦距。

為達到三維建?？罩腥菧y量的精度,應(yīng)盡量控制影像數(shù)據(jù)中不同像片的分辨率一致。在保證像片重疊度的前提下,設(shè)計航線應(yīng)考慮正射影像分辨率與側(cè)視影像分辨率相結(jié)合,并剔除近點與遠點分辨率差異過大的區(qū)域。根據(jù)正射影像地面分辨率公式與傾斜攝影傳感器主光軸旋轉(zhuǎn)角度,可得到影像的近點、中點及遠點的地面分辨率,分別為GSDtop、GSDmid、GSDbottom,計算公式如下:

(7)

(8)

(9)

式中:δ為傾斜相機像元尺寸大小;H為相對航高；αy為傾角;f為攝影鏡頭焦距;βy為視場角的一半[21]。傾斜攝影像片的幾何關(guān)系如圖8所示。

圖8 傾斜影像的幾何關(guān)系

最終得到本次無人機仿地飛行任務(wù)的地面分辨率為0.47 cm/pixel。根據(jù)試驗區(qū)范圍與任務(wù)航高,劃定航線范圍[22]。仿地飛行航線參數(shù)見表1,仿地飛行總體航線規(guī)劃如圖9所示。

表1 航線參數(shù)

2)無人機仿地飛行試驗設(shè)計。仿地飛行選用的飛行平臺為DJI M300 RTK,云臺鏡頭為RAINPOO DG2 PSDK,其五鏡頭相機總像素為1.2億,正射焦距為25 mm,傾斜焦距為35 mm,傳感器尺寸為23.5 mm×15.6 mm;相機采用等時曝光,最小曝光間隔0.8 s。試驗區(qū)仿地飛行傾斜攝影影像采集時間為2021年3月25日上午10:00—12:00,天氣晴朗,風(fēng)力2～3級。設(shè)計飛行架次為3架次,采集影像10 880張,整個飛行過程歷時約2.2 h。

圖9 仿地飛行總體航線規(guī)劃

3 數(shù)據(jù)處理與精度分析

3.1 數(shù)據(jù)處理

3.1.1 數(shù)據(jù)處理軟件及硬件

ContextCapture是一套集合數(shù)字影像、計算機虛擬現(xiàn)實及計算機幾何圖形算法的全自動高清三維建模軟件解決方案,它能接收各種硬件采集的多種原始影像數(shù)據(jù),良好的數(shù)據(jù)兼容性以及強大的數(shù)據(jù)運算能力使其成為三維數(shù)據(jù)建模領(lǐng)域比較優(yōu)秀的軟件[23]。

建模對電腦硬件要求較高,為避免出現(xiàn)空中三角測量失敗等情況,本次內(nèi)業(yè)均使用Precision 3630系列工作站,處理器為intel CORE i7-9700k。

3.1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于低空仿地飛行數(shù)據(jù)量較大,不同視角鏡頭的影像數(shù)據(jù)是分開存儲的,因此需要檢查每個鏡頭的影像數(shù)量及質(zhì)量，在每個鏡頭及其對應(yīng)的高精度測量系統(tǒng)的位置及姿態(tài)數(shù)據(jù)(Position and Orientation System,POS)中剔除不合格影像,避免其影響建模效果。檢查時應(yīng)注意照片數(shù)量與POS數(shù)據(jù)數(shù)量須一一對應(yīng)。

3.1.3 集群設(shè)置

為了提高數(shù)據(jù)的處理效率,需建立ContextCapture工作集群,并進行多機聯(lián)合空中三角計算與建模生產(chǎn),集群電腦需接入同一局域網(wǎng)。工作集群的建立分為3步:①共享磁盤,映射網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動器;②查看主機已提交生產(chǎn)的工程路徑; ③在其他從機中通過ContextCapture Settings 添加與主機相同的路徑,運行即可。

3.1.4 空中三角測量解算

解析空中三角測量又稱為攝影測量加密或者空三加密,是指在航空攝影測量中,根據(jù)像點坐標與地面控制點的大地坐標,求得未知點的坐標,保證至少4個已知點放在每個模型中,然后利用解析法解算出測區(qū)所有像片的外方位元素。根據(jù)公式(10)—(12)進行光束法聯(lián)合空中三角測量,解算耗時4.4 h,輸出結(jié)果如圖10所示,獲得了高精度外方位元素(XS、YS、ZS、φ、ω、κ),以及糾正后的影像,為后續(xù)紋理獲取與三維重建奠定了基礎(chǔ)。

P1:V=CΔ+KGΔG+KTΔT-L,

(10)

Pd:Vd=IΔ-Ld,

(11)

PG:VG=IΔG-LG。

(12)

式中:P1為光束法平差的誤差方程;Pd為外方位元素的虛擬觀測方程;PG為控制條件方程所對應(yīng)的權(quán)陣;C為系數(shù)矩陣;Δ為影像外方位元素(XS、YS、ZS、φ、ω、κ)的改正量;ΔG為控制點的坐標;ΔT為連接點的坐標改正數(shù);KG為控制點坐標隊列的系數(shù)矩陣;KT為連接點坐標對應(yīng)的系數(shù)矩陣;L是像點坐標觀測值的殘差向量;Ld和LG均為虛擬觀測向量;I為單位矩陣。

圖10 空中三角測量成果

3.1.5 模型構(gòu)建

模型構(gòu)建是依次按照密集點云生成、Tin模型構(gòu)建和紋理自動映射3個步驟來完成的。試驗區(qū)建模過程中匹配成功的影像共9 454張,用時約15 h,整體效果如圖11所示,放大后局部紋理如圖12與圖13所示。

圖11 試驗區(qū)渠段三維建模效果

圖12 三維建模渠道裂縫細節(jié)

圖13 三維建模邊坡植被紋理與裂縫細節(jié)

3.2 精度分析

3.2.1 紋理精度分析

三維實景建模的紋理精度是衡量產(chǎn)出模型質(zhì)量好壞的重要標準之一。通過對比真實影像照片紋理(圖14)與三維模型表面紋理細節(jié)(圖15)的差異可知,本次試驗三維建模清晰精細,可以精確反映地物的真實紋理信息,完全滿足南水北調(diào)中線工程大高差渠段的三維重建要求。

圖14 試驗區(qū)真實影像

圖15 三維模型截圖

3.2.2 位置精度分析

基于三維建模對大型水利工程的研究和保護工作,注重模型的紋理質(zhì)量、幾何精度和位置精度等。本文采用網(wǎng)絡(luò)RTK在試驗區(qū)內(nèi)均勻隨機獲取10個檢驗點的坐標作為真值,三維模型上對應(yīng)點的量測值作為估計值,將兩者進行對比,并通過公式(13)進行三維模型的誤差計算,求得距離均方根誤差與高度均方根誤差。

(13)

式中:RMSE為均方根誤差;Δi為檢驗地物點坐標的測量值與模型上對應(yīng)坐標的差值;n為檢驗地物個數(shù)。經(jīng)過計算,得出所建模型的距離均方根誤差為0.03 m,高度均方根誤差為0.04 m,模型精度滿足三維建模精細模型精度標準及水利檢修需求[24]。10個檢驗點的距離殘差絕對值與高度殘差絕對值如圖16所示。

圖16 檢驗點殘差

4 結(jié)論

為探明渠道邊坡的裂縫分布情況,針對南水北調(diào)中線工程渠首段邊坡高差大的特點,引入仿地飛行傾斜攝影測量技術(shù)進行航空測量,設(shè)計了適合高填方與深挖方渠段的仿地飛行作業(yè)流程及試驗方案。結(jié)果表明,在保證飛行安全的前提下,將仿地飛行應(yīng)用到大高差水利邊坡工程中,航高設(shè)定為30 m,構(gòu)建的毫米級模型地面分辨率可達0.47 cm/pixel,距離均方根誤差達0.03 m,高度均方根誤差達0.04 m,滿足相關(guān)規(guī)范及水利檢修需求;所建三維模型極其接近真實情況,具有完整性好、紋理特征明顯、幾何精度高等特點,可為有關(guān)水利部門開展相關(guān)工程建筑的病害排查工作和及時采取措施提供數(shù)據(jù)支撐。