水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站無(wú)人機(jī)實(shí)景三維建模與應(yīng)用

劉亞平 ，魯言波 ，李 彤 ，陳權(quán)彬

（1．廣東省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，廣東 廣州 510308；2．北京世紀(jì)國(guó)源科技股份有限公司，北京 100044）

0 引言

生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)是生態(tài)環(huán)境保護(hù)的基礎(chǔ)，是生態(tài)文明建設(shè)的重要支撐，是科學(xué)評(píng)價(jià)改善環(huán)境質(zhì)量和治理環(huán)境成效的重要依據(jù)?！渡鷳B(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)劃綱要（2020—2035 年）》提出了“切實(shí)提高生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)現(xiàn)代化能力水平，有力支撐生態(tài)文明和美麗中國(guó)建設(shè)”[1]。“十三五”以來(lái)，我國(guó)加快了地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站建設(shè)，到 2020 年底初步實(shí)現(xiàn)了以“自動(dòng)監(jiān)測(cè)為主、手工監(jiān)測(cè)為輔”的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)模式。 實(shí)景三維作為一種新技術(shù)在地質(zhì)調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如王耿明等[2]利用無(wú)人機(jī)對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)進(jìn)行實(shí)景三維建模，獲取礦山地質(zhì)災(zāi)害、環(huán)境污染及恢復(fù)治理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，真實(shí)模擬礦區(qū)三維信息。李德仁等[3]實(shí)現(xiàn)了傾斜影像在城市真三維模型中的應(yīng)用，并提出了一種適用于 SWDC-5傾斜影像的自動(dòng)空中三角測(cè)量方法，為重建城市的三維空間模型提供參考。田鴿等[4]結(jié)合三維激光掃描、地面近景數(shù)據(jù)和傾斜攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行融合建模，打破了數(shù)據(jù)間的壁壘，提高了土地整治的效率。文雄飛等[5]利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)作為衛(wèi)星影像的補(bǔ)充，在水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中能快速獲取地物所在區(qū)域的二維平面信息，也能更全面地獲取土地利用現(xiàn)狀、植被覆蓋及水土保持情況，為后續(xù)解譯提供基礎(chǔ)。

為加快建設(shè)具有廣東特色的地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，基于實(shí)景三維建模技術(shù)建立了國(guó)內(nèi)首個(gè)省級(jí)地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)站（以下簡(jiǎn)稱水站）三維實(shí)景影像數(shù)據(jù)庫(kù)，以廣東蓮花山水站實(shí)景三維建模為例，從影像數(shù)據(jù)采集、后期處理及模型生成一步步構(gòu)建起水站實(shí)景影像，逼真地還原出水站的真實(shí)細(xì)節(jié)構(gòu)成，除了展示水站三維地理空間信息外，還可對(duì)水站周邊的生態(tài)紅線、河網(wǎng)分布、污染源構(gòu)成、水源保護(hù)區(qū)等重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行實(shí)景重現(xiàn)。在功能上，能實(shí)現(xiàn)對(duì)高度、長(zhǎng)度、面積、角度、坡度等空間矢量數(shù)據(jù)的測(cè)量和計(jì)算[6]，進(jìn)行水環(huán)境質(zhì)量分析研判，推動(dòng)了水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站可視化業(yè)務(wù)應(yīng)用水平，特別是為污染防治攻堅(jiān)、多部門會(huì)商及政府決策提供了可視化技術(shù)服務(wù)。

1 實(shí)景三維建模

1.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集時(shí)采用多旋翼無(wú)人機(jī)，通過(guò)掛載球形傾斜相機(jī)進(jìn)行航攝數(shù)據(jù)采集。在航攝前需現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)水站作業(yè)區(qū)周邊環(huán)境，在滿足飛行安全和適飛條件下才開展數(shù)據(jù)采集作業(yè)。對(duì)作業(yè)區(qū)進(jìn)行無(wú)人機(jī)航線設(shè)計(jì)，包括飛行高度、飛行速度、相對(duì)曝光時(shí)間、航線坐標(biāo)及起飛降落點(diǎn)等。航線設(shè)計(jì)可采用WaypointMaster，RockyCapture 及 Topplan 等專用軟件進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)程中要結(jié)合水站的地理位置和周邊環(huán)境，比如要避開一些禁飛區(qū)等情況。對(duì)航線高度、地面像素及物理像元尺寸要滿足三角比例關(guān)系，設(shè)計(jì)航線的旁向重疊率一般需要達(dá)到65%，航向重疊率一般需要達(dá)到 75%[7]。

數(shù)據(jù)采集過(guò)程中首先將飛行計(jì)劃加載到地面站設(shè)備中，連接地面站設(shè)備及無(wú)人機(jī)，并進(jìn)行飛行前安全檢查，如無(wú)人機(jī)機(jī)況、電池電量、地面站通信狀況等情況，確保無(wú)人機(jī)各項(xiàng)功能正常后方可進(jìn)行航攝飛行作業(yè)。在地面站確認(rèn)起飛后，發(fā)出執(zhí)行飛行作業(yè)的指令，無(wú)人機(jī)隨后按飛行計(jì)劃進(jìn)行數(shù)據(jù)采集作業(yè)，當(dāng)飛機(jī)爬升到預(yù)定飛行高度后，對(duì)作業(yè)區(qū)域按預(yù)先規(guī)劃的航線進(jìn)行飛行航攝，航線規(guī)劃按照網(wǎng)格化原則設(shè)定，可以最大范圍覆蓋航飛區(qū)域。飛行過(guò)程中向地面站設(shè)備傳回采集到的實(shí)時(shí)影像數(shù)據(jù)，在完成所有航攝任務(wù)后按原設(shè)定指令安全降落，航線規(guī)劃圖如圖1 所示。

圖1 航線規(guī)劃圖（紫色點(diǎn)為多角度采集點(diǎn)）

1.2 數(shù)據(jù)建模

無(wú)人機(jī)在航攝過(guò)程中受氣象和環(huán)境影響較大，如受到陰雨天或大風(fēng)天影響飛行安全，還會(huì)因受外界環(huán)境影響或者系統(tǒng)自身原因發(fā)生震動(dòng)、傳感器擺動(dòng)等現(xiàn)象，造成采集的影像出現(xiàn)位移或者模糊的情況[8]。飛行過(guò)程出現(xiàn)的時(shí)空差異，則會(huì)造成影像色彩偏差或紋理不清晰。在飛行航攝作業(yè)結(jié)束后需在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查，對(duì)不符合要求的航攝影像數(shù)據(jù)予以剔除，若剔除影像數(shù)量過(guò)多達(dá)不到作業(yè)技術(shù)設(shè)計(jì)中航向和旁向重疊的要求時(shí)，需要馬上對(duì)該飛行作業(yè)區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)飛或重飛，直至滿足影像的數(shù)量和質(zhì)量為止。建模過(guò)程就是把采集的數(shù)據(jù)處理為 3D 影像。而無(wú)人機(jī)航攝采集的數(shù)據(jù)是大量單獨(dú)的矢量照片，是一個(gè)個(gè)片段零碎的，不能馬上使用。航飛結(jié)束后，首先要對(duì)航攝采集的矢量照片進(jìn)行自動(dòng)密集匹配處理，相當(dāng)于把一張張單獨(dú)的照片“無(wú)縫拼接”起來(lái)，生成包含矢量信息的白模，構(gòu)建出 TIN 模型映射出 3D 紋理，最后生成實(shí)景三維影像。建模流程如圖2 所示。

圖2 實(shí)景三維建模流程圖

無(wú)人機(jī)航攝獲取的影像數(shù)據(jù)有很多種，從空間維度上說(shuō)，既包含垂直影像數(shù)據(jù)，還包含大量的側(cè)視影像數(shù)據(jù)。影像數(shù)據(jù)覆蓋的范圍大、分辨率高，處理過(guò)程中要充分利用冗余信息提取矢量影像特征點(diǎn)坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)特征點(diǎn)自動(dòng)匹配[9-11]。同時(shí)，在處理傾斜三維影像聯(lián)合平差時(shí)需要考慮大視角變化所引起的幾何變形和遮擋的問(wèn)題[12]。一般來(lái)說(shuō)，以傾斜攝影瞬間 POS 系統(tǒng)提供的多角度影像的外方位元素作為初始值，采用由粗到細(xì)的匹配策略構(gòu)成三維實(shí)景影像，在每一個(gè)級(jí)別上的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)連接點(diǎn)提取，在連接點(diǎn)提取后再進(jìn)行光束網(wǎng)區(qū)域網(wǎng)平差處理，就可以獲得更好的匹配效果[13-16]，對(duì)于平差結(jié)果精度問(wèn)題，可以同時(shí)增加 POS 輔助數(shù)據(jù)、控制點(diǎn)坐標(biāo)等方式聯(lián)合解算進(jìn)一步解決[17]。

在經(jīng)過(guò)多視影像聯(lián)合平差之后，還需要進(jìn)行多視影像密集匹配處理，在匹配的過(guò)程中充分利用多個(gè)視覺(jué)影像矢量空間和冗余數(shù)據(jù)信息，快速提取特征點(diǎn)坐標(biāo)，由于同一個(gè)特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)多個(gè)矢量影像，要解算出每張影像精確的外方位元素，在此基礎(chǔ)上選擇合適的多視影像匹配單元進(jìn)行逐像素的密集匹配，從而實(shí)現(xiàn)影像之間特征點(diǎn)的自動(dòng)匹配[18-20]。這里要強(qiáng)調(diào)，由于要建立水站的實(shí)景三維影像，在進(jìn)行矢量影像像素密集匹配過(guò)程中要以水站為中心，覆蓋水站周邊 0.8 km2的范圍所有特征點(diǎn)，避免出現(xiàn)特征點(diǎn)缺失造成實(shí)景不完整，以此建立起水站地物三維空間信息。三維數(shù)據(jù)影像密集匹配效果如圖3 所示。

圖3 三維數(shù)據(jù)影像密集匹配效果圖

三維影像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)密集匹配后，可以得到精度及分辨率較高的實(shí)景三維影像，真實(shí)反映地平面起伏，構(gòu)成三維空間基礎(chǔ)的重要內(nèi)容[21-22]。對(duì)三維影像數(shù)據(jù)進(jìn)行遍歷像素的密集匹配，獲取水站周邊成像區(qū)域地物超高密度點(diǎn)云，密度點(diǎn)云是帶有矢量信息的，經(jīng)過(guò)點(diǎn)云構(gòu)網(wǎng)即可完成高精度高分辨率的線陣影像多視匹配自動(dòng)提取。由于水站是三維空間的建筑物，在高密度點(diǎn)云構(gòu)網(wǎng)自動(dòng)提取過(guò)程中，要盡量保證水站三維像素的完整和紋理的勻光勻色，創(chuàng)建完成后即形成了三維模型的 TIN 模型矢量結(jié)構(gòu)。

在 TIN 模型矢量結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，運(yùn)用三維影像對(duì)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的白模進(jìn)行自動(dòng)紋理映射處理，得到水站的 3D 紋理映射。由于三維影像是通過(guò)無(wú)人機(jī)多角度攝影采集信息，獲取的影像數(shù)據(jù)較多，部分影像的重疊度高，甚至?xí)霈F(xiàn)水站附近同一地物在多張影像上出現(xiàn)，由于每張影像中所包含的紋理信息不完全相同，有些影像雖然重疊度高，但是由于拍攝的角度和采集的矢量信息有不同，選擇 1 張效果最好的紋理影像是十分重要的。在實(shí)際處理過(guò)程中，可以通過(guò)設(shè)置參數(shù)篩選確定效果最好的紋理影像，根據(jù)算法原理 3D 紋理中每個(gè)三角形面都會(huì)唯一映射 1 張目標(biāo)影像，通過(guò)計(jì)算每個(gè)三角形面與影像對(duì)應(yīng)區(qū)域之間的幾何關(guān)系，這種幾何關(guān)系是唯一確定的[23-25]，最終就能找到三角面對(duì)應(yīng)的實(shí)際紋理區(qū)域，這樣就實(shí)現(xiàn)了紋理影像與三維 TIN 模型的精準(zhǔn)匹配。水站實(shí)景三維重建效果圖如圖4 所示，通過(guò)該方法處理后的水站三維影像實(shí)景效果是非常理想的，不但水站三維結(jié)構(gòu)能完全展現(xiàn)出來(lái)，水站周邊的地理環(huán)境也都全部匹配出來(lái)了，即使個(gè)別像素點(diǎn)云匹配出現(xiàn)偏差，也不會(huì)影響三維影像的整理效果[26]。

圖4 水站實(shí)景三維重建效果圖

2 實(shí)景三維功能應(yīng)用

2.1 可視化功能

可視化是實(shí)景三維建模的最直接應(yīng)用，能實(shí)現(xiàn)航攝區(qū)域內(nèi)任意實(shí)景角度放大、旋轉(zhuǎn)、俯側(cè)視等展示及應(yīng)用功能，由于實(shí)景三維自帶矢量信息，可以把實(shí)景三維疊加在第三方地圖上（如 GIS、天地圖等），構(gòu)造出地物和地形的紋理、形狀和環(huán)境信息，可以提供豐富的地理環(huán)境和地面信息實(shí)景可視化環(huán)境。水站實(shí)景三維除了能展示水站建筑的立體結(jié)構(gòu)外，還能展示水站地理環(huán)境、周邊支流河口及閘壩分布等情況，立體效果好、沉浸感強(qiáng)，達(dá)到身臨其境的三維效果，切實(shí)提高了水站的實(shí)景三維可視化應(yīng)用水平。

實(shí)景三維影像（右下角）疊加到高分衛(wèi)星圖效果如圖5 所示。從圖5 中可以看到通過(guò)無(wú)人機(jī)航飛采集的水站周邊 0.8 km2實(shí)景三維影像已經(jīng)完全疊加在高分衛(wèi)星圖中，可以直觀地顯示水站周邊的地形環(huán)境、河網(wǎng)分布和污染源等要素，也可以根據(jù)需要疊加其他圖層，如谷歌和粵政衛(wèi)星圖、行政區(qū)域圖等。實(shí)景三維影像還可以進(jìn)行立體旋轉(zhuǎn)展示，可以根據(jù)業(yè)務(wù)需要對(duì)各種圖層使用進(jìn)行擴(kuò)展延伸應(yīng)用。

圖5 實(shí)景三維影像（右下角）疊加到高分衛(wèi)星圖效果

2.2 測(cè)量功能應(yīng)用

實(shí)景三維采集的是矢量數(shù)據(jù)，三維模型帶有空間矢量信息，可實(shí)現(xiàn)三維空間測(cè)量功能，包括距離（起伏面及兩點(diǎn)直線的距離）、高度（兩點(diǎn)間的高程差），以及面積、體積測(cè)量等功能。由于水站的正常運(yùn)行受到天氣、氣候等較大影響，比如斷電、洪澇災(zāi)害都會(huì)對(duì)水站安全產(chǎn)生影響，實(shí)景三維還能實(shí)現(xiàn)水站周邊緩沖區(qū)和水浸模擬分析，其中緩沖區(qū)分析是通過(guò)建立水站周圍一定范圍內(nèi)多邊形圖層與目標(biāo)圖層疊加分析水站周邊水文信息及污染源情況；水浸模擬分析通過(guò)結(jié)合水文和地理空間數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)模擬河流水位由小高程漲到大高程的淹沒(méi)過(guò)程對(duì)水站的影響，做到動(dòng)態(tài)可視化，對(duì)水站站房安全及監(jiān)測(cè)儀器正常運(yùn)行起到風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警研判作用，提高了水站運(yùn)行安全。實(shí)景三維面積測(cè)量及水浸模擬效果圖如圖6 所示。

圖6 實(shí)景三維效果圖

2.3 數(shù)據(jù)融合應(yīng)用

實(shí)景三維是運(yùn)用實(shí)景還原技術(shù)，通過(guò)專業(yè)軟件進(jìn)行三維重建制作地物實(shí)景三維模型[27]，除了實(shí)現(xiàn)可視化及測(cè)量功能外，模型還能接入水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的實(shí)時(shí)水質(zhì)在線或歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，比如水溫、pH、溶解氧、濁度、氨氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)及總氮等參數(shù)。實(shí)景三維與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合應(yīng)用效果圖如圖7 所示。最快可實(shí)現(xiàn)每小時(shí)更新 1 次水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)數(shù)據(jù)與水站實(shí)景三維影像的融合應(yīng)用，有助于水站周邊污染源及風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)對(duì)水環(huán)境的變化分析和科學(xué)評(píng)價(jià)，對(duì)政府多部門開展污染防治攻堅(jiān)和水環(huán)境質(zhì)量會(huì)商起到技術(shù)支撐作用，尤其能對(duì)水環(huán)境發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估，以確定水環(huán)境狀況、變化趨勢(shì)、變化速度及達(dá)到一定限度的時(shí)間等，提前預(yù)判潛在風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空范圍和危害程度，適時(shí)提供各種預(yù)警信息及綜合對(duì)策，及時(shí)提出安全防范措施。

圖7 實(shí)景三維與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合應(yīng)用效果圖

2.4 分析研判應(yīng)用

由于實(shí)景三維影響帶有矢量信息，可以結(jié)合不同的地圖圖層和各種開放數(shù)據(jù)對(duì)水站的正常運(yùn)行、水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)、治污成效進(jìn)行綜合分析研判。比如結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、污普調(diào)查數(shù)據(jù)、自然保護(hù)區(qū)分布、黑臭水體分布和環(huán)境功能區(qū)劃等要素進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析；結(jié)合污普涉水企業(yè)的污染物排放、工業(yè)總產(chǎn)值、污水處理廠等數(shù)據(jù)，分析周邊排污企業(yè)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)；結(jié)合環(huán)境功能區(qū)劃、水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、涉水企業(yè)數(shù)量分析水站周邊水環(huán)境質(zhì)量狀況。水站實(shí)景三維周邊污染源信息圖如圖8 所示，通過(guò)實(shí)景三維模型把各種海量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成了可視化的信息并使用起來(lái)，具有很好的展示效果，進(jìn)一步提高了水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的定制化、可視化、實(shí)用化，提高了自動(dòng)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用化水平。

圖8 水站實(shí)景三維周邊污染源信息圖

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)景三維建模作為一種 3D 影像還原技術(shù)，具有高精度、高分辨率及高清晰度的特點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于測(cè)繪測(cè)量、地理信息、城市規(guī)劃等行業(yè)領(lǐng)域[28-29]。結(jié)合多年生態(tài)環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)工作經(jīng)驗(yàn)，以廣東蓮花山水站實(shí)景三維建模為例，詳細(xì)介紹了水站實(shí)景三維影像從數(shù)據(jù)采集、處理到三維建模的整個(gè)過(guò)程，通過(guò)無(wú)人機(jī)采集的水站影像數(shù)據(jù)，獲取水質(zhì)自動(dòng)站周邊清晰、直觀、準(zhǔn)確的三維影像數(shù)據(jù)資料，建立起國(guó)內(nèi)首個(gè)省級(jí)地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站實(shí)景三維影像數(shù)據(jù)庫(kù)，包括水站地理環(huán)境、水系分布、水文條件、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、污普信息等數(shù)據(jù)。功能上，實(shí)景三維渲染效果逼真，還能結(jié)合多源多維數(shù)據(jù)應(yīng)用，極大增強(qiáng)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展示效果。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了廣東省 168 個(gè)國(guó)考水站自動(dòng)監(jiān)測(cè)站實(shí)景三維影像數(shù)據(jù)庫(kù)建模和業(yè)務(wù)化應(yīng)用，為推進(jìn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)體系與監(jiān)測(cè)能力現(xiàn)代化，全面提升生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)自動(dòng)化、智能化、信息化水平提供了參考借鑒。