基于三維實景模型的水庫管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王 穎

（阜新市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 阜新 123000）

1 無人機傾斜攝影技術(shù)

1.1 傾斜攝影測量基本原理

傾斜攝影測量技術(shù)是當(dāng)今國際測繪領(lǐng)域的一項新興技術(shù)。 打破現(xiàn)有實拍圖像只能垂直拍攝的限制，在飛行平臺上同時安裝多臺航拍相機（或傳感器），實現(xiàn)垂直、傾斜等多種角度的拍攝［1-2］。

為用戶開發(fā)的攝影平臺是一種3D建模技術(shù)，使開發(fā)成為可能以5針相機為例，飛行平臺上可以安裝5個鏡頭，方向為垂直向下、向前、向后、向左、向右，可以在飛行過程中同時獲取多個角度的傾斜圖像［3］。某些物體，例如建筑物，可從不同相機位置獲取不同角度的圖像，包括正射影像和傾斜影像。對目標(biāo)區(qū)域中的每一面墻拍照，對于每個曝光位置，多個鏡頭同時從多個角度拍攝圖像，以獲得一組連續(xù)的圖像。

拍攝圖像時，需要同時記錄海拔高度、曝光時間、經(jīng)緯度坐標(biāo)、大地高、姿態(tài)等信息，對傾斜的圖像進行分析和清理。相機從不同位置和角度拍攝的正射影像和傾斜圖像一方面用于攝影測量數(shù)據(jù)處理，另一方面用于實景3D建模的紋理數(shù)據(jù)。 攝影測量數(shù)據(jù)處理使用攝影測量技術(shù)生成精確的3D點云數(shù)據(jù)， 為3D建模奠定基礎(chǔ)。Ortho和Tilt圖像具有豐富的紋理信息，覆蓋建模域的各個角度，能夠滿足真實3D建模的要求［4］。

1.2 空中三角測量

空中三角測量是使用攝影測量分析方法來確定一個范圍內(nèi)所有圖像的外向元素。 主要目的是根據(jù)圖像中像點的實測坐標(biāo)和少量數(shù)求出未知點的測地坐標(biāo)。在每個計算模型中，已知點的數(shù)量大于或等于4，已知點用于求解圖像的外向元素，一般來說，空中三角測量也稱為攝影測量加密。 空中三角測量是數(shù)據(jù)處理過程中最重要的一步，計算必要的圖像內(nèi)部方位角因子、外部方位角因子、相機鏡頭畸變因子和地面參考點。

2 三維實景建模技術(shù)

2.1 三維實景建模技術(shù)路線

使用傾斜攝影測量進行3D真實世界場景建模的關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、空中三角測量、 傾斜圖像的密集匹配、DSM點云生成、TIN構(gòu)建、紋理映射和3D真實世界場景建模。 其中關(guān)鍵是通過空中三角測量自動創(chuàng)建3D模型和紋理映射，作為后續(xù)數(shù)據(jù)處理和3D建模的基礎(chǔ)［5］。 三維實景建模技術(shù)路線如圖1。

圖1 技術(shù)路線

2.2 三維實景建模技術(shù)流程

內(nèi)業(yè)的3D模型構(gòu)建主要分為3D處理和模型重建。 三球處理的目的是從多視圖圖像中提取同名圖像點，連接匹配點，對區(qū)域網(wǎng)絡(luò)進行聯(lián)合調(diào)整，計算出單個圖像的外向元素。曝光的瞬間。模型構(gòu)建不規(guī)則三角TIN，并基于TIN生成無色白模，同時根據(jù)三維模型的空間位置信息和bin3計算的圖像位置信息，自動映射目標(biāo)紋理被實現(xiàn)并最終輸出基于真實的自然紋理。 高分辨率真實3D模型。

2.3 三維模型精細(xì)化處理

使用Smart3D軟件，通過斜向圖像聯(lián)合區(qū)域網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)、密集多視圖圖像匹配、紋理映射，快速構(gòu)建真實直觀的三維模型。但是，生成的3D模型仍然存在一些需要修復(fù)的問題。例如，某些模型的邊緣細(xì)節(jié)不夠準(zhǔn)確，缺少建筑物的某些地面、水和側(cè)面紋理，或者某些地形變形和不一致。物理位置（例如道路）。這些誤差主要是由于圖像中缺少明顯的特征點， 如多相位圖像中建筑物或植被和水面的遮擋， 從而導(dǎo)致同名圖像的匹配較少，影響了DSM和DSM的精度。 缺少不正確的切片紋理。

針對這些問題，必須糾正有問題的模型。本文采用的修正方法是將Smart3D的自動建模結(jié)果導(dǎo)入DPModeler軟件，進行精細(xì)處理，修復(fù)建筑物變形部分，在地面精細(xì)重建模型部分， 掛載單個模型屬性滿足未來3D GIS的應(yīng)用需求。

3 三維智能水庫管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 研究區(qū)域概況

佛寺水庫位于大凌河水系細(xì)河右側(cè)最大支流伊瑪圖河中下游的佛寺鄉(xiāng)腰窩堡。 水庫壩址以上河長55.5km，集水面積600km2。 水庫運用為多年調(diào)節(jié)綜合性水庫，按百年一遇洪水設(shè)計，千年洪水校核。 總庫容為1.49億m3，正常庫容為4 940萬m3，1985年后改為向阜新市區(qū)供水，年供水量不超過1000萬m3。

3.2 三維智能水庫管理系統(tǒng)設(shè)計

三維智能水庫管理系統(tǒng)總體設(shè)計框架遵循C/S開發(fā)過程中的相應(yīng)規(guī)則， 采用標(biāo)準(zhǔn)的3層體系結(jié)構(gòu)，分別是用戶層、中間層、數(shù)據(jù)層。

三維智能水庫管理系統(tǒng)主要包括三維可視化、水庫水位動態(tài)預(yù)警、降雨預(yù)警、淹沒分析等主要功能。

三維智能水庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫分為關(guān)系數(shù)據(jù)庫和地理數(shù)據(jù)庫兩部分，關(guān)系數(shù)據(jù)主要存儲水庫水位、流量等信息數(shù)據(jù)信息， 采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫SQL Server2008，如表1。

表1 水庫數(shù)據(jù)

地理數(shù)據(jù)是指具有屬性信息和位置坐標(biāo)的測站的矢量數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)。地理數(shù)據(jù)主要有水庫站、佛寺水庫地形、 佛寺水庫三維實景模型等地圖數(shù)據(jù)及其圖層的屬性信息表。

3.3 三維智能水庫管理系統(tǒng)功能實現(xiàn)

3.3.1 佛寺水庫電子沙盤

三維系統(tǒng)采用強大的三維軟件Skyline來搭建佛寺水庫電子沙盤。 作為佛寺水庫的3D地形數(shù)據(jù)。 使用3DMaxs軟件建立水庫站三維模型，結(jié)合模型數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)，構(gòu)建佛寺水庫三維電子沙表。 三維場景清晰直觀地反映了佛寺水庫各站點的具體分布及周邊地形地貌，可以判斷雨后水流的大致方向。在防洪救災(zāi)時，可以根據(jù)地形數(shù)據(jù)提前預(yù)測受災(zāi)區(qū)域，及時采取防護措施，減少災(zāi)害損失。

3.3.2 水庫水位動態(tài)變化

水位動態(tài)變化是模擬特定時期強降雨過程及水庫水位相應(yīng)變化的近似過程。 通過數(shù)據(jù)庫獲取降雨信息確定降雨強度， 利用水庫站的水位信息動態(tài)模擬水位上升，并在水位超過警戒值時發(fā)出蜂鳴聲?？缮删瘓螅逦庇^地反映降雨量。

3.3.3 降雨預(yù)警功能

降雨預(yù)警，主要是作為實時降雨量預(yù)報功能。打開三維系統(tǒng)后，觸發(fā)降雨預(yù)警功能事件，功能自動開啟，并設(shè)定間隔時間10s，系統(tǒng)自動訪問降雨數(shù)據(jù)庫，只要各遙測站將降雨數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)庫， 三維智能水庫管理系統(tǒng)就會獲得當(dāng)前時段的降雨信息， 并判斷降雨量是否超過設(shè)定的預(yù)警值， 會自動顯示超標(biāo)的降雨站，并產(chǎn)生警報聲響，實現(xiàn)了實時降雨數(shù)據(jù)的自動監(jiān)測，能夠更快、更準(zhǔn)地進行降雨預(yù)報。

3.3.4 淹沒分析

洪水淹沒分析用于估計在設(shè)定水位內(nèi)洪水過后各個時期和水位的洪水的地理范圍。系統(tǒng)洪水分析過程的結(jié)果是一組代表洪水區(qū)的多邊形。本系統(tǒng)洪水分析分為兩種情況，一種是水位上升一次用戶設(shè)置初始水位高度的單例情況， 另一種是連續(xù)上升的情況，即水位上升到一個特定的上升速度，用戶設(shè)置上升的速度和時間間隔，以設(shè)置初始水位高度。 地球窗口清晰直觀地顯示了淹沒的影響，還可以使用測量工具的測量區(qū)域功能來估計在設(shè)定的水平面內(nèi)的淹沒程度。

4 結(jié)語

本文利用無人機傾斜攝影技術(shù)和3D實景建模技術(shù)構(gòu)建了阜新市佛寺水庫真實3D模型， 并結(jié)合使用Skyline軟件的佛寺水庫數(shù)字高程模型構(gòu)建了3D電子沙盤。佛寺水庫的這種建模方法是一種超越傳統(tǒng)手工的建模方法，無需在現(xiàn)場拍攝建筑物的立面，從而節(jié)省了大量的人力和時間。 現(xiàn)場3D場景便捷高效，大大縮短了場景3D制作周期， 有效解決了3D場景如何快速更新的問題， 在自動快速建模方面有一定的創(chuàng)新。開發(fā)了基于天際線的三維智能水庫管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了GIS的基本功能，如水庫水位動態(tài)變化、降雨預(yù)警、以圖形化、可視化、可視化狀態(tài)進行洪水分析，以便在發(fā)生洪水時快速確定并提供疏散區(qū)域。