無人機傾斜攝影在卡拉水電站邊坡治理中的應用

范 維

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610213)

1 概 述

長期以來,國內(nèi)主要采用高水準尺、全站儀、GNSS接收機等地面檢測儀器設備對野外地物的全站坐標等信息進行收集。隨著科學技術的發(fā)展,測繪手段已經(jīng)從傳統(tǒng)水準儀或鋼尺的人工水平繪圖發(fā)展為無人機攝影及三維空間建模,其檢測科技亦朝著精確、高效率、低成本的方向蓬勃發(fā)展[1]。近年來,由于無人機設備具有成本投入小、操作簡便、機動快速、精確有效等優(yōu)點,使航測遙感網(wǎng)絡平臺的發(fā)展展現(xiàn)出蓬勃的生機[2,3],無人機傾斜攝影技術也逐漸成為其研發(fā)和應用的熱門[4,5]。無人機的攝影測量作為一種新興的測繪技術已在三維模型設計和測繪工程等領域中發(fā)揮出極其重要的作用,但國內(nèi)傾斜攝影測量技術目前仍處于快速發(fā)展的推廣階段[6]。

卡拉水電站是雅礱江中游河段一庫七級開發(fā)中的第七級電站,該電站為二等大(2)型工程,主要開發(fā)任務為發(fā)電,電站總裝機容量為1 020 MW,安裝4臺、單機容量為255 MW的立軸混流式水輪發(fā)電機組。根據(jù)前期現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)工程區(qū)發(fā)育有較明顯的危巖體250處,其中左岸160處,右岸26處,大碧溝區(qū)域40處,永久交通橋區(qū)域24處。根據(jù)現(xiàn)場的實際情況,卡拉水電站邊坡治理的水平距離超過2 000 m,垂直分布距離超過1 000 m,若采用全站儀及人工進行測繪,其數(shù)據(jù)收集效率低、數(shù)據(jù)更新慢。而在采用無人機傾斜攝影測量技術后,其數(shù)據(jù)采集速度大大提升,從而為卡拉水電站的建設帶來極大的便利。

2 無人機傾斜攝影測量技術

無人機傾斜攝影三維建模包含無人機、傾斜攝影和三維建模三部分。其中無人機是拍攝平臺;傾斜相機是拍攝工具;三維模型是攝影信息的處理過程和結果。無人機傾斜攝影可以將多個立體感應器搭建在一個航拍平臺上,同時通過傾斜、垂直的拍攝視角實現(xiàn)地形、地貌及高程等關鍵信息的獲取,最大限度地保證數(shù)據(jù)資料的精度和安全。

2.1 無人機

無人機(Unmanned Aerial Vehicle,簡稱UAV)是一種采用無線電和計算機程序遙控操縱的無人駕駛的航空器。 與載人飛機相比,無人機具有體重較小、靈活性高、造價低、操作簡單、飛行環(huán)境要求低等優(yōu)點。由于科學技術的飛速發(fā)展,無人機領域已由原來的軍工應用逐步延伸至民生行業(yè),被廣泛應用于地理、天氣、能源、搶險救援等各行各業(yè),具有良好的發(fā)展前景。目前無人機領域主要分為固定翼無人機與多旋翼無人機。多旋翼無人機設備具備便攜起降、飛機身高較低、操作靈巧、構造簡單、工藝完善、拆卸簡單、容易維修等優(yōu)點,目前在測繪領域多旋翼無人機飛行設備已經(jīng)獲得了廣泛應用。

2.2 無人機傾斜攝影測量

無人機的攝影測量主要是在無人機載荷平臺上搭載高分辨率多視點航空攝影儀,在進行航路規(guī)劃設計后對目標空域展開攝影以獲得目標地域的地理信息。

無人機載荷平臺為攜帶五個相機鏡頭的數(shù)碼相機,其中1個為垂直攝影機,作用是獲得底部區(qū)域的正射影象(正片),而其余四個鏡頭可以分別獲得前、后、左、右方位的傾斜圖像(斜片,傾斜角度為25°～45°),能夠更高效地獲得大角度圖像及更豐富地地物紋理圖像資料,從而更加真實地表現(xiàn)地物的實際狀態(tài),解決了傳統(tǒng)垂直攝影測量方法存在的不足,亦克服了垂直攝影存在的缺點。

2.3 三維建模技術

三維建模技術系指使用計算機描繪物品外形的三維技術。實現(xiàn)這項技術的軟件被稱為三維建模工具。目前市場上最主流的應用軟件涵蓋了Smart3D、PIX4D MAPPER、PHOTOSCAN、Photomesh、街景工廠等三維模型應用軟件?？ɡ娬纠肧mart3D建立了樞紐區(qū)的三維模型,利用無人機傾斜攝影獲取的三維建模數(shù)據(jù)能夠完美還原整個地表形狀。傾斜攝影三維模型通常具有以下特點:

(1)給定區(qū)域中,在三維環(huán)境中各處的相對精度都是一致的,如平面的相對位置;

(2)三維場景系指一種能夠通過投影轉(zhuǎn)換公式實現(xiàn)平移、翻轉(zhuǎn)、壓縮等投影變換功能的剛體;

(3)三維建模中可以利用特定位置的控制點和所在區(qū)域的位置控制系統(tǒng)發(fā)生關聯(lián)性(絕對定向);

(4)實景三維空間模擬是通過傾斜攝影和固定的體塊構模而成,與地貌、建筑等模式為一體表現(xiàn);

(5)實景三維模型造型完美、定位精確,能夠保持與實際現(xiàn)場高度一致。三維模型不會出現(xiàn)明顯的拉伸扭曲以及貼圖漏洞,也不會產(chǎn)生貼圖模糊及拉伸扭曲。

3 無人機傾斜攝影關鍵技術的控制

3.1 無人機的選擇

無人機包含機體、發(fā)動機、著陸架、飛控及安全保障系統(tǒng)五個部分。大多數(shù)無人機機體均采用玻璃鋼或碳纖維復合結構,其飛控的全稱為飛行控制系統(tǒng),主要作用是控制無人機飛行;發(fā)動機為無人機提供動力;著陸架提供無人機的起飛與降落;安全保障系統(tǒng)保障無人機能夠在信號源丟失時仍能夠自動飛行并返航。作為傾斜攝影技術的重要數(shù)據(jù)收集平臺,無人機在選型流程中需要著重留意以下幾點:

(1)無人機應具備充分的安全性和可信度;

(2)無人機須達到攝像裝置的承載能力和安裝要求;

(3)無人機的飛行控制精度應符合傾斜攝影的標準要求;

(4)無人機的設備性能應能適應卡拉水電站的地形環(huán)境及氣象條件;

(5)無人機的續(xù)航、飛行速度、控制距離等一定要滿足實際應用需求。

根據(jù)以上要求,卡拉水電站挑選了飛馬E2000無人機作為傾斜攝影搭載平臺。作為多旋翼無人機,飛馬E2000無人機具有操作簡單、起降便利等優(yōu)點,并具有低空飛行、空中懸停能力,能夠獲取高分辨率的傾斜影像資料,其最大飛行半徑為25 km,可以滿足卡拉水電站邊坡三維模型數(shù)據(jù)收集的需求。

3.2 多鏡頭傾斜攝影相機的設計

(1)利用單臺相機進行拼接組合,禁止鏡頭中不必要的功能;

(2)對單臺相機進行改造,將數(shù)碼后背與鏡頭重新組合;

(3)對所有傳感器、攝像頭等均另行購買。對集成后的傾斜式攝影鏡頭也需要精確檢校以適應精確測量的需要。

3.3 傾斜攝影影像數(shù)據(jù)的獲取

傾斜攝影影像數(shù)據(jù)的獲取方法是通過在飛馬E2000無人機上搭載5個鏡頭的照相機(該照相機可以進行旋轉(zhuǎn)),同時獲得多個角度的地形、地貌影像以及位置信息資料。

(1)航線的設計。無人機航線的設計是根據(jù)測圖精度、相機參數(shù)、作業(yè)區(qū)地形地貌等參數(shù)綜合確定飛行高度、飛行比例尺、飛行重疊寬度等參數(shù)。《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》CH/T 2005-2021規(guī)定航向的重合度應在60%～80%之間,其旁向重合度不得小于30%。為保持一定的富余,其航向重合度可以設置為75%,旁向重合度可以設置為35%,飛行速度為5～10 m/s。

(2)無人機航空攝影。無人機航空攝影主要參照以下步驟作業(yè):①選擇寬闊、無遮擋、視野良好的起降場地,在接收到飛行指令后發(fā)射無人機;②操作手根據(jù)設計航線進行飛行,通過無人機搭載的設備對區(qū)域內(nèi)地形地貌數(shù)據(jù)進行采集;③無人機完成飛行任務后返航完成外業(yè);④從存儲設備中導出采集到的數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)分析與檢查,若數(shù)據(jù)不合格則需進行補測。

3.4 傾斜影像數(shù)據(jù)的處理

獲得傾斜圖像紋理后即可啟動對傾斜圖像的數(shù)據(jù)處理工作。傾斜圖像數(shù)據(jù)的處理過程包括對正片和斜片的多角度圖像聯(lián)合平差、多角度圖像密集匹配、TIN三角網(wǎng)建模、3D紋理映射等步驟,通過以上步驟,可以實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的可量測操作。與人工建模相比,傾斜攝影自動模型控制系統(tǒng)具有高效率、高精度、高保真和低成本的優(yōu)點。而信息處理控制系統(tǒng)則大多使用空三分布式計算機制,從而極大程度地提高了運算效能,具備豐富的攝影處理功能。輸入數(shù)據(jù)時,系統(tǒng)通過圖形間的相互關聯(lián)完成空中三角測量自動解算,并通過密集點云配對、點云整合與構網(wǎng)、無縫的自動紋理投射等過程完成三維空間模型的自行重構。通過連續(xù)的二維圖形還可以復原成實景三維建模而無需人工干預, 即可實現(xiàn)對海量模型的批量管理。在完成數(shù)據(jù)采集等外業(yè)工作后,利用專門的處理軟件Smart3D對所獲取的數(shù)據(jù)進行三維建模處理,并采用GPS/POS系統(tǒng)對影像的坐標進行定位,其主要內(nèi)容為:

(1)影像預處理。對圖像品質(zhì)進行測試,確定圖像有無失真、變形問題。對于不合格的圖像進行修改并根據(jù)相應的規(guī)范采用POS進行圖像處理(POS即姿態(tài)定位:包含拍照瞬間對某組畫面的姿態(tài)角和空間位置兩個數(shù)據(jù)。航攝測量中的成像分辨率的準確度愈高,其影像的空間位置就愈準確,其空三解算的結果愈好。因此,所得到的三維模型的空洞、變形等模型錯誤就愈少。

(2)自動空三加密。自動空三加密系指在立體攝影中在一些實際地形上布設地面標志達到添加影片的外方位元素的目的,最終在計算機上解出所拍攝地區(qū)未知點地面坐標的測量方法?？杖馑闶谦@得加密點三維位置信息的過程。由于科學技術的進步,目前最普遍使用的方式是通過POS系統(tǒng)輔助實現(xiàn)空三解算。在實際攝影過程中,通過無人機群在空間的某一地點對目標物體實施攝影得到目標物體的空間方位和姿態(tài)角,形成攝影瞬間的POS數(shù)據(jù),該數(shù)值包括目標物體的經(jīng)緯度和高程,然后再通過POS進行區(qū)域網(wǎng)平差(以面積最大不超過像對總數(shù)劃分區(qū)域。像對總數(shù)是指區(qū)域內(nèi)點連線以內(nèi)的高點和高程點連接范圍內(nèi)的像對個數(shù)),再根據(jù)基礎誤差方程和最小二乘法即可解得地面物點的三維坐標;最后通過空三解算可以將航攝影像進行初步匹配并還原影片在空間進行時的空間信息,從而建立三維模型的初步建?？蚣懿⒖蛇M行高度平差解算;而傾斜式攝影技術進行的多鏡頭拍攝能夠綜合五組鏡頭的POS數(shù)據(jù)進行聯(lián)合高度平差解算,從而極大程度地降低了因POS數(shù)量過于單一產(chǎn)生的解算結果偏差,從而大大地提高了計算準確度。

在影像上刺像控(即給照片特定位置賦值坐標)時,利用光束法進行區(qū)域網(wǎng)的高程平差值解算得到加密點成果。

(3)多視角影響聯(lián)合平差。在多視角拍攝中,不但涵蓋了直角拍攝信息,也涵蓋了斜面拍攝信息。但部分空中三角測量技術并不能很好地處理斜面拍攝信息,因此,在多視角拍攝聯(lián)合平差時要充分考慮畫面空間的幾何變化和遮擋情況。根據(jù)POS系統(tǒng)給出的多視角影像的方位元素,采用了從粗狂到精細的金字塔搭配方法,在每級圖像上實現(xiàn)了同名點自動配對以及自由網(wǎng)光束的平差歸零,獲得了較高的同名點配對效果。另外,已經(jīng)確定的連接點和連接線、控制位置坐標、CPU/IMU等輔助參數(shù)可以利用多視角圖像校對及區(qū)域網(wǎng)平差的誤差方程進行統(tǒng)一解算,可以確保高程與平差計算結論的正確性。

(4)多視角影像密集匹配。圖像匹配是攝影測量的基礎技術之一,多視角圖像具備范圍廣、清晰度高等優(yōu)點,因此,如何在搭配流程中充分考慮多余的內(nèi)容以便迅速、精確地獲得多視角圖像中的同名點位置、進而獲得地物的三維數(shù)據(jù)即成為多視角圖像匹配的重點。單純采用一種匹配基元的匹配方式往往無法獲得建模需要的同名位置,故近年來伴隨著機器視覺開發(fā)出來的多基元、多視角圖像匹配也越來越多地成為水電領域關注的對象。通過尋找更多多視角圖像上的特點,如建筑物邊緣來定義建筑物的二維矢量數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù),亦可將不同角度的二維特征轉(zhuǎn)換為三維空間數(shù)據(jù)。

(5)高精度三維模型的構建。無人機傾斜攝影技術最直接的收獲是三維空間建模?？杖馑愠晒?能夠按照需求選擇如3 mx三維空間建模、las點云圖像、DOM數(shù)字平射影像等各種形式的信息。根據(jù)卡拉水電站樞紐區(qū)的測繪需求,3 mx格式的三維高精度實景建模更有利于該工程建設。在此基礎上構建研究區(qū)3D TIN并進行表面紋理繪制和顏色填充(表面紋理繪制是在已創(chuàng)建出的3D TIN基礎中將網(wǎng)格表面進行細節(jié)描寫),通過傾斜式拍攝技術形成的高精度三維模型對高陡邊坡區(qū)的研究工作具有很大的幫助。而傳統(tǒng)單攝像頭無人機在采集影像后雖然也可以進行三維建模工作,但其在拍攝目標物時僅能從一個視角進行取景,即在其他方位的區(qū)域中便會產(chǎn)生映像不全、位置偏移以及模型空洞等問題。而傾斜攝影技術是使用五組攝影機共同完成的影像收集,從而可以真正意義上實現(xiàn)對研究區(qū)域的“全方位”取景。多鏡頭航攝技術不但提高了影像數(shù)量,同時亦在進行空三解算時提高了多組POS數(shù)量,從而進一步提升了解算的準確度。無論在三維建模視覺效果或模型物理信息的提取準確度上,多鏡頭傾斜拍攝技術均明顯高于傳統(tǒng)單鏡頭拍攝技術。

(6)真正射影像糾正。真正射影像糾正包括物方連續(xù)性的數(shù)字高程模型DEM和大量離散分布粒度差別較大的地物數(shù)據(jù),還包括巨量的像方多角度圖像,具有一定的消息密集性和計算密集特性。在具有DSM的背景上,可以針對物方連續(xù)性地形特征和大量離散地物數(shù)據(jù)的不同特性采用輪廓抽取、面片模型擬合、屋頂重構等技術獲取物方的語義信息內(nèi)容;同時在多視圖像上采用圖像分割、輪廓抽取等多種技術獲取像方語義信息內(nèi)容,并通過聯(lián)合平差等密集匹配技術形成物方與像方之間的同名點匹配關系,繼而實現(xiàn)全局的取樣決策與顧及幾何輻射特性時的統(tǒng)一修正并實現(xiàn)勻光處理。

4 無人機傾斜攝影技術在卡拉水電站中應用具有的優(yōu)勢

4.1 降低了邊坡工程測繪的成本

卡拉水電站樞紐區(qū)邊坡的上下高差大于1 000 m,且其邊坡坡度大于75°,導致人工測繪非常困難。但利用低空飛行的無人機以傾斜拍攝的方式實施測繪后,由于其整個作業(yè)過程靈活、方便,從而大大減少了技術人員操作的時間,顯著提高了測繪的效率,有效地降低了卡拉水電站測繪的成本投資。同時,與常規(guī)單鏡頭航拍方式相比,傾斜攝影方式具有突出的優(yōu)點,其不但可以收集到多種不同維度的攝影信息,同時在對拍攝畫面進行后期數(shù)據(jù)處理中,也可以通過自動化批量數(shù)據(jù)處理的方法對信息進行處理,從一定意義上節(jié)約了建模成本、降低了航拍次數(shù),同時節(jié)約了測繪人員成本,在獲得準確、全面的地表數(shù)據(jù)資料的同時可以有效避免拍攝器材及人員的浪費。

4.2 獲取邊坡工程測繪的原數(shù)據(jù)

將傾斜攝影等測量技術運用到卡拉水電站測量時,其最主要的優(yōu)點是可以得到原數(shù)據(jù),即多角度影像。工程測量技術人員能夠從傾斜攝影數(shù)據(jù)中直接導出與測量原數(shù)相符的高密度圖形和點云,為卡拉水電站邊坡測量工作起到了輔助作用,從而有助于工程技術人員更全面地掌握測量范圍現(xiàn)場的復雜地貌。

4.3 提升水電工程測繪的質(zhì)量與效率

傾斜攝影可以顯著提高測量效果和整體效率。從事工程測量的技術人員通過將傾斜攝影測量方法和計算機軟件技術相結合,可以建立出工程測量區(qū)域的三維空間形象,其具有很強的可視性;如果進一步通過對其進行量取、編輯和立體測圖等作業(yè),既可以給工程決策者一種身臨其境的感受,有助于對其做出更準確的評估,亦可以提高水電工程測量的質(zhì)量與效率。

5 結 語

通過采用旋翼無人機對卡拉水電站邊坡進行傾斜攝影航飛并通過SMART3D軟件生成實景模型,再借助EPS軟件進行1∶1000 DLG采集并在通過GPS 驗證后其地形圖成果滿足1∶1000比例尺精度要求,其數(shù)據(jù)的獲取效率比采用人工收集提升了近五倍之多。傾斜攝影能夠取得優(yōu)良的數(shù)據(jù)收集效果且其所構建的建筑物三維模型與真實世界的建筑物具有高度的一致性;將其運用到水電工程測量領域,既可以全面保證測量資料的準確度及安全性,亦可有效提高工程測量的總體效率及測量效果,從而為水電工程的后續(xù)建設奠定基礎,其必將在國民經(jīng)濟建設領域中發(fā)揮更大的作用。