無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在水工建筑物精細(xì)化建模中的應(yīng)用

◎ 張占勇 廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司

1.引言

根據(jù)水利部《關(guān)于大力推進(jìn)智慧水利建設(shè)的指導(dǎo)意見》《“十四五”期間推進(jìn)智慧水利建設(shè)實(shí)施方案》[1]等意見和條例，各級(jí)水利單位在開展組織水利數(shù)字孿生建設(shè)，在數(shù)字孿生流域建設(shè)過程中，一些重要的水工建構(gòu)物如大壩、水閘等需要精細(xì)化建模提供可視化分析參考。無人機(jī)航攝在數(shù)據(jù)采集時(shí)具有快速、便捷的優(yōu)點(diǎn)在模型數(shù)據(jù)的采集時(shí)被廣泛應(yīng)用，但如何利用無人機(jī)的傾斜攝影測(cè)量技術(shù)建立精細(xì)化的水工建筑物模型需要更多的實(shí)踐和探索，本文根據(jù)水工建筑物的特點(diǎn)提出優(yōu)化航線來提供數(shù)據(jù)采集的精度和效率。

無人機(jī)傾斜影像三維建模的關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、空中三角測(cè)量、多視影像密集匹配、紋理映射等[2-3]。通過對(duì)影像數(shù)據(jù)做畸變差改正、增強(qiáng)處理等操作預(yù)處理，在進(jìn)行影像的空三解算時(shí)根據(jù)特征點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合平差來生產(chǎn)正射影像和三維模型。根據(jù)項(xiàng)目的需要采用特定的輸出格式和目標(biāo)坐標(biāo)系，在模型初步生產(chǎn)完畢再利用后處理軟件對(duì)模型進(jìn)行修飾、單體化操作等。李煜東提出利用傾斜攝影技術(shù)建立實(shí)景三維模型可以對(duì)大型水利橋閘的除險(xiǎn)加固工程進(jìn)行三維可視化設(shè)計(jì)和管理[4]；姚永祥等提出利用無人機(jī)傾斜影像和GPS、BEIDOU數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式建立精細(xì)化三維模型，可以在模型紋理上更加的清晰，但是在數(shù)據(jù)采集時(shí)航飛工作量比較大，數(shù)據(jù)處理時(shí)間較長[5]；卞敏等提出利用低空傾斜攝影測(cè)量進(jìn)行精細(xì)化三維模型的建立，但是需要利用多個(gè)不同的飛機(jī)進(jìn)行手動(dòng)補(bǔ)拍來進(jìn)行空地一體化建模[6]；王永生等提出利用單鏡頭和多鏡頭傾斜攝影聯(lián)合作業(yè)的模型對(duì)水利工程進(jìn)行實(shí)景三維建模，在庫區(qū)的BIM建設(shè)和施工管理方面可以提供全周期的技術(shù)支持[7]；王啟龍通過使用精靈4RTK調(diào)整不同的拍攝角度來獲取水庫的實(shí)景三維模型，然后結(jié)合BIM構(gòu)建了水庫的內(nèi)外實(shí)體結(jié)構(gòu)，為水利工程的智能化管理應(yīng)用提供了參考[8]；馬廣恩等利用無人機(jī)航測(cè)獲取了文川溪流域的實(shí)景三維模型，為數(shù)字流域提供了基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，這種方法在智慧水利的建設(shè)中發(fā)揮了效率高、成本低的優(yōu)勢(shì)[9]。以上研究人員和工程技術(shù)人員通過利用多鏡頭和單鏡頭采集模型所需要的數(shù)據(jù)，雖然可以取得較好的成果，但是作業(yè)過程中會(huì)采集大量的照片，并且有時(shí)需要手動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)拍，在重疊率方面無法獲得準(zhǔn)確的保證，造成后續(xù)數(shù)據(jù)處理出現(xiàn)掉片、空三不通過等問題，本文通過采用單鏡頭設(shè)備只需優(yōu)化航線就能達(dá)到數(shù)字孿生建設(shè)所需要的三維模型，可以較大地減少照片數(shù)量和處理的工作量，為后續(xù)技術(shù)人員提供一種新的航攝方案。

2.試驗(yàn)區(qū)域與技術(shù)路線

2.1 工程背景概況

飛來峽水利樞紐位于清遠(yuǎn)市東北約40公里的北江河段上，是廣東省最大的綜合性水利樞紐工程。泄洪閘為一等1級(jí)建筑物，采用混凝土重力式結(jié)構(gòu)，前沿總長285米，最大壩高52.3米，壩頂高程34.8米，壩頂公路橋?qū)?米。溢流壩共設(shè)16個(gè)溢流孔，孔口尺寸為14×12米，堰頂高程9米，工作門為弧形鋼閘門，固定式卷揚(yáng)機(jī)啟閉。2022年6月，北江發(fā)生百年一遇大洪水，飛來峽水利樞紐發(fā)揮了巨大的防洪作用，為了更好的預(yù)防洪水的到來，需要建立數(shù)字化水閘實(shí)景三維模型。

2.2 技術(shù)路線

數(shù)字化水閘實(shí)景三維模型的建立需要對(duì)水閘進(jìn)行精細(xì)化數(shù)據(jù)采集，包括水閘的閘門、閘墩、底板、工作橋、交通橋等部位。本項(xiàng)目根據(jù)水利部印發(fā)的《數(shù)字孿生流域數(shù)據(jù)底板地理空間數(shù)據(jù)規(guī)范（試行）》要求壩址及重點(diǎn)水工建（構(gòu)）筑物區(qū)域的實(shí)景三維模型應(yīng)優(yōu)于3cm，采取航線優(yōu)化及建模軟件優(yōu)選的方案對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。在設(shè)備采集方面選用大疆精靈4RTK，航線規(guī)劃方面采用航跡大師軟件對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行帶狀防地飛行，模型重建方面采用大疆智圖軟件。具體的技術(shù)路線如圖1所示。

3.水工建筑物精細(xì)化模型構(gòu)建

3.1 數(shù)據(jù)獲取

本次測(cè)區(qū)位置位于飛來峽水利樞紐的壩址位置，具體范圍如圖2所示，測(cè)區(qū)范圍較小，大壩精細(xì)化建模長度為500米，但水工建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜。利用的無人機(jī)采集設(shè)備為精靈4RTK，航線設(shè)計(jì)可以為“井”字飛行或五向飛行進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，但需要采集優(yōu)于3cm的實(shí)景三維模型，此方案不僅需要采集大量的影像數(shù)據(jù)，在效果上也不能獲取到精細(xì)的水工建筑物結(jié)構(gòu)。

圖2 大壩位置示意圖

圖3 一控雙機(jī)作業(yè)圖

圖4 CC軟件空三傾斜前后對(duì)比

圖5 大疆智圖空三處理

圖6 大疆智圖重建模型

本項(xiàng)目使用航跡大師進(jìn)行航線規(guī)劃，相比傳統(tǒng)的“井”字飛行和五向飛行節(jié)約數(shù)量和時(shí)間，本次使用的是區(qū)域環(huán)繞方式進(jìn)行航線規(guī)劃，利用航跡大師軟件在飛行前根據(jù)分辨率設(shè)定飛行高度、旁向和航向重疊率、相機(jī)拍攝角度即可。可保證數(shù)據(jù)分辨率的一致性，且可生成任務(wù)航線直接導(dǎo)入精靈4RTK中執(zhí)行。為了提高數(shù)據(jù)采集的效率，在航線規(guī)劃時(shí)可以選擇雙機(jī)執(zhí)行的航線規(guī)劃，即在飛行時(shí)利用一控雙機(jī)的方式采集數(shù)據(jù)，可以節(jié)省時(shí)間50%，提高數(shù)據(jù)采集的效率。

如果使用五向飛行，按照重疊率航向80%，旁向70%計(jì)算，飛行高度73米，分辨率同樣是2cm，需要照片數(shù)量4 629張，需要采集時(shí)間210分鐘。使用航跡大師規(guī)劃航線，采用區(qū)域環(huán)繞方式進(jìn)行規(guī)劃，飛行高度50米，航向重疊率和旁向重疊率均為50%，分辨率優(yōu)于2cm，照片數(shù)量1349張，采集時(shí)間120分鐘。

本項(xiàng)目中沒有采用手動(dòng)補(bǔ)拍的方案，在實(shí)際生產(chǎn)中雖然手動(dòng)補(bǔ)拍可以生產(chǎn)出更高精度的三維模型，但是面對(duì)水工建筑物本身的特點(diǎn)，存在金屬結(jié)構(gòu)較多和大面積水面等弱紋理信息。手動(dòng)補(bǔ)拍不能保證重疊率和在模型生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)掉片等現(xiàn)象。

3.2 模型構(gòu)建

本項(xiàng)目中根據(jù)采用的設(shè)備和航線設(shè)計(jì)方案，采用大疆智圖軟件進(jìn)行實(shí)景三維模型的生產(chǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中大疆智圖軟件對(duì)大疆無人機(jī)采集的數(shù)據(jù)具有更好的適配性，而且生產(chǎn)建模效率較高。模型構(gòu)建過程主要包括空中三角測(cè)量、模型重建、模型修飾部分。

1）空中三角測(cè)量。建立新的工程項(xiàng)目文件，將影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入工程中，根據(jù)影像的相對(duì)位置進(jìn)行空中三角測(cè)量，由于數(shù)據(jù)采集是采用環(huán)繞方式進(jìn)行，一次空三并不一定可以通過，可能會(huì)出現(xiàn)空三以后數(shù)據(jù)傾斜。在空三數(shù)據(jù)出現(xiàn)傾斜后，大都是由于GPS位置和飛行高度不一造成的，本次我們采集的高度為相對(duì)高度50米。在空三數(shù)據(jù)處理時(shí)選擇了大疆智圖和ContextCapture軟件進(jìn)行對(duì)比，在使用CC軟件進(jìn)行空三數(shù)據(jù)處理時(shí)出現(xiàn)了空三傾斜問題，針對(duì)本次試驗(yàn)出現(xiàn)的這個(gè)問題，可以對(duì)空三數(shù)據(jù)再次進(jìn)行空三，并適當(dāng)?shù)恼{(diào)整空三前的參數(shù)設(shè)置，如連接點(diǎn)的密度設(shè)置為高等，通常再次進(jìn)行一到二次空三即可解決空三傾斜的問題。

雖然CC軟件空三數(shù)據(jù)通過，但是通過對(duì)生成的點(diǎn)云進(jìn)行查看發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)數(shù)據(jù)分層，無法直接用于三維重建。需要通過添加關(guān)鍵點(diǎn)和連接點(diǎn)等方式調(diào)整空三直至數(shù)據(jù)不分層通過。在通過大疆智圖軟件進(jìn)行空三處理時(shí)，單機(jī)處理數(shù)據(jù)只用了10分鐘一次性空三通過。

2）模型重建及修飾。待空三通過以后，根據(jù)電腦的內(nèi)存配置，設(shè)置輸出的規(guī)則格網(wǎng)大小，通常不超過內(nèi)存的三分之二，按照給定的范圍線進(jìn)行模型的重建。在使用大疆智圖軟件進(jìn)行模型重建時(shí)重建場(chǎng)景選擇環(huán)繞，分辨率選擇高，選擇水面平整，輸出格式為OSGB 格式進(jìn)行模型的重建。在使用電腦配置為CPU:Intel Core(TM) i9-9900X CPU @3.50GHz 20 cores，GPU: NVIDIA GeForce RTX 2080使用了100分鐘即完成了模型的重建。

模型重建完成后，通過觀察模型效果較好，完整地將大壩模型建立起來且泄洪閘等金屬構(gòu)件清晰可見，無拉花模糊等問題。由于在生產(chǎn)時(shí)已經(jīng)將水面平整，故模型也沒有水面隆起等問題，只是局部有漂浮的水面、雜物等，需要利用DPModel等修模軟件對(duì)局部模型進(jìn)行刪除處理，根據(jù)項(xiàng)目需要添加水面等即可完成水閘的精細(xì)化模型重建。

3.3 模型精細(xì)化評(píng)估

在模型重建完成及修飾后，為了評(píng)估模型是否達(dá)到精細(xì)化，將從以下幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估。

1）將生產(chǎn)的模型和實(shí)際的水工建筑物進(jìn)行目視觀測(cè)對(duì)比，觀察模型的紋理、結(jié)構(gòu)等與實(shí)際建筑物存在的差別。模型的紋理越清晰，說明模型的精細(xì)度越高。

2）從模型生產(chǎn)時(shí)空三的精度和實(shí)際精度進(jìn)行分析?？杖戎灰獏⒖寄Ｐ蜕a(chǎn)時(shí)自動(dòng)生成的精度報(bào)告從而判定是否符合要求。實(shí)際精度通過與RTK采集的檢查點(diǎn)對(duì)比進(jìn)行評(píng)估。外業(yè)檢查點(diǎn)精度報(bào)告如表1所示，檢查結(jié)果符合《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量內(nèi)業(yè)規(guī)范》[10]。

表1 外業(yè)檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)

4.結(jié)語

本項(xiàng)目中水工建筑物模型從數(shù)據(jù)采集到重建修飾完成用時(shí)約5小時(shí)，利用本項(xiàng)目中的技術(shù)方案在面對(duì)精細(xì)化水工建筑物建模方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，可以快速高效地生產(chǎn)高精度實(shí)景三維模型。

利用無人機(jī)傾斜影像進(jìn)行三維模型制作是目前廣泛采用的三維建模方式，它提高了三維建模的效率，在降低成本的同時(shí)提高了建模效果。根據(jù)數(shù)字孿生項(xiàng)目中水工建筑物精細(xì)化建模的需要，采用本方案可以使無人機(jī)自動(dòng)執(zhí)行航線任務(wù)，獲取高精度的水工建筑物實(shí)景三維模型，相比使用手工補(bǔ)拍可以保證重疊率和精度，在數(shù)據(jù)處理時(shí)也不容易出現(xiàn)掉片等現(xiàn)象。為后續(xù)中小型水閘等水工建筑物模型的精細(xì)化建立提供了一種可行的參考方案。