長江行蓄洪空間數字孿生實景三維模型構建研究

王鍇華 甘拯 石娟娟

收稿日期：

2023-05-18

作者簡介：

王鍇華，男，工程師，主要從事水利工程測繪及信息化相關工作。E-mail：wkh651010@126.com

引用格式：

王鍇華，甘拯，石娟娟.長江行蓄洪空間數字孿生實景三維模型構建研究

［J］.水利水電快報，2024，45（1）：89-94.

摘要：

數字孿生是流域數字化轉型的重要技術手段，為有力支撐數字流域孿生中數據底板的構建，以長江中下游三洲聯垸行蓄洪空間為研究對象，利用飛馬無人機D200獲取測區(qū)五視角影像，基于Context Capture軟件全自動構建實景三維模型，并利用野外量測的檢查點對模型精度進行評定。研究表明：基于傾斜攝影構建的實景三維模型平面誤差和高程誤差分別為0.104 m和0.121 m，均在3個像素以內，滿足1∶500比例尺測圖要求?；诟呔葘嵕叭S模型構建的三維數字場景，可為行蓄洪空間在實時調度模擬分析中的運用提供參考。

關鍵詞：

實景三維模型； 數字孿生； 傾斜攝影； 行蓄洪空間

中圖法分類號：P231

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.01.016

文章編號：1006-0081（2024）01-0089-06

0? 引? 言

數字孿生水利作為水利建設的一種新理念、新模式，是流域數字化轉型的重要支撐技術。數字孿生流域需要構建數據底座，以時空大數據為基礎，匯集不同領域的業(yè)務數據、傳感器實時監(jiān)測數據，結合5G、物聯網等新一代信息通訊技術，形成集信息采集、記錄、決策于一體的循環(huán)數據流。數據底座按照不同尺度分為流域層面數據底座、河段層面數據底座以及行蓄洪空間層面數據底座。其中，行蓄洪空間層面屬于精細尺度?？臻g數據底座以行蓄洪空間精細化三維地形圖為本底，對行蓄洪空間分洪工程、圍堤、隔堤、安全臺等重要防洪工程進行三維數字化建模［1］。然而，水利工程周邊地形一般較為復雜，采用傳統(tǒng)的測量手段或人工三維建模均難以在效率和精度上滿足要求。傾斜攝影三維建模能夠通過無接觸方式采集數據，以全自動方式獲取項目區(qū)域目標地物的實景三維模型，是三維數字建模的主要技術手段，也將成為長江中下游行蓄洪空間數字孿生應用的必然趨勢。

當前三維建模的技術主要分為3種：人工建模，傾斜攝影建模和激光雷達建模。人工建模制作周期較長，與真實世界反差大；激光雷達建模領域，已有大量的研究利用激光雷達技術進行三維重建，但該方法效率相對較低，需采集影像單獨進行紋理貼面［2］。傾斜攝影三維建模在目前測繪領域研究較多，基于傾斜攝影的建模技術已較為成熟，可通過全自動的方式高效獲取大范圍準確的三角網模型［3］。傾斜攝影三維建模的精度主要與兩方面因素有關：① 獲取數據的傳感器精度；② 后處理軟件的技術，尤其是空中三角測量的算法模型。

本文利用無人機獲取長江中下游三洲聯垸行蓄洪空間的五視角影像，并基于傾斜影像在Context Capture軟件中全自動構建實景三維模型，對最終實景三維模型的精度進行評定。

1? 傾斜攝影三維建模原理

傾斜攝影測量通過一次航飛即可獲取五視角影像，同時利用航空攝影測量理論解算影像的外方位元素，獲得影像的位置姿態(tài)參數，并進一步將其映射到數字表面模型上作為模型紋理［4］。傾斜三維建模的特點是紋理真實，可高精度獲取物方紋理信息，通過先進的定位、融合、建模等技術，生成實景三維模型。傾斜攝影測量是區(qū)別于傳統(tǒng)航空攝影測量的多視角、大傾斜航空攝影［5］，克服傳統(tǒng)人工建模周期長、成本高、紋理失真、模型精度低、缺乏地理信息等缺點。傾斜攝影拍攝出的影像色彩和形狀可實現全要素還原。利用傾斜攝影方法可以從影像上獲取地面上真實的長寬高等，比傳統(tǒng)影像擁有更高的真實性［6］。

隨著近些年無人機技術的快速發(fā)展，行業(yè)所用無人機朝著小型化、智能化、集成化方向發(fā)展［7］。無人機搭載五視角鏡頭傾斜航飛屬低空飛行，相對于載人大飛機航空攝影測量，能夠基于短焦距鏡頭獲取高分辨率影像，一定程度上保證紋理更為清晰。

2? 實例分析

2.1? 傾斜影像獲取

研究區(qū)域位于長江中下游，測區(qū)分布在長江沿線。測量區(qū)域除長江沿線的堤防、民垸，還有樞紐建筑物如土壩、溢洪道、泄洪洞等。堤防、民垸和樞紐建筑物是傾斜攝影三維建模重點，為長行蓄洪空間數字孿生提供基礎數據。傾斜航攝采用飛馬D200，配備5個Sony ILCE-6000型數碼相機，其中1個為焦距25 mm的垂直鏡頭，另外4個為焦距35 mm的傾斜鏡頭。整個項目采集30個架次共3萬多張影像，分辨率為5 cm左右。根據測區(qū)資料和Google earth底圖，利用無人機管家航線設計軟件規(guī)劃航線，快速準確生成覆蓋測區(qū)范圍的曝光點坐標，為飛行管理定點曝光提供基礎數據，助力測區(qū)數據快速有效獲取。

2.2? 控制點采集

為保證行蓄洪空間實景三維模型的絕對精度，外業(yè)布設了51個像控點。關于像控點布設，應選擇影像能清晰辨認、沒有遮擋的明顯特征地物，相交角度好的線狀特征地物的交點以及明顯特征地物的拐角頂點［8］。布設密度根據要求及現場環(huán)境而定，同時布設一些檢查點。像控點應在航拍前布設，并在已有的地形圖或影像資料上選點布設并現場調整，三洲聯垸行蓄洪空間像控點布設見圖1，控制點分布均勻，可實現對項目區(qū)域精度有效控制。

像控點測量采用GNSS-RTK 技術，通過GNSS-RTK技術獲取的控制點的坐標系統(tǒng)為地理坐標系統(tǒng)，根據項目要求，需要先將控制點地理坐標系統(tǒng)轉成平面坐標系統(tǒng)。野外量測控制點時，需密切關注衛(wèi)星信號狀況，保證可觀測到衛(wèi)星數目大于5個，PDOP（Position Dilution of Precision）值小于5。控制點量測完，在每個點位均拍攝含有參照物的照片至少2張，作為點之記。

關于布設控制點精度，通過內業(yè)測算，像控點的精度相對于附近起算點的平面位置中誤差低于圖上0.1 mm，即實地5 cm；相對于附近起算點的高程中誤差不超過基本等高距的1/10，即實地5 cm。

2.3? 數據處理

傾斜航攝三維建模內業(yè)數據處理使用ContextCapture 軟件，是目前市面上最常用的三維建模軟件之一，主要有三大模塊，即Context Capture Master（主控制臺）、Context Capture Engine（任務啟動引擎）、Acute3D Viewer（可視化模塊）。Context Capture支持在集群環(huán)境并行運算，配置好路徑，可在多臺工作站上運行Context Capture Engine，從而大幅度提升建模效率。傾斜攝影三維建模流程如圖2所示。

2.3.1? 數據預處理

影像數據預處理主要分為以下幾個步驟：① 檢查影像數量與POS文件中數量是否一致；② 影像質檢，確認影像無過暗、扭曲等；③ 無人機獲取的影像轉換為目標坐標系統(tǒng)和相應投影；④ 保證影像名稱和POS中影像名稱一致。

2.3.2? 空中三角測量

空中三角測量是三維建模關鍵步驟，其目的是解算航拍影像外方位元素。將下視影像外方位元素、相機文件、5 個視角傾斜影像導入軟件構網平差，再引入野外像控點，經反復濾波、平差，直至解算出滿足精度要求的所有影像的精確外方位元素［9］。

空中三角測量分為自由網平差和約束平差，應用基礎Patch匹配的多尺度多視角密集匹配方法，該算法基于深度融合框架進行密集匹配，計算深度圖。算法既考慮多尺度信息，同時又考慮了匹配的光照信息、幾何信息、影像的可見性信息，以提升匹配精度［10］。自由網平差完成后，利用控制點在Context Capture中刺點，刺點完成后再次提交空中三角測量并進行約束平差，以保證三維模型絕對精度。空中三角測量完成后檢查空中三角測量精度報告，發(fā)現誤差為0.53個像素，精度滿足要求。

2.3.3? 三維模型構建

影像通過密集匹配生成高密度信息點云，由于點云數據量大，需先對點云數據分塊，分塊大小主要由內業(yè)數據處理工作站的性能決定?；诜謮K后的點云數據構建TIN，此時三維模型為白模，未進行紋理映射，沒有紋理信息，如圖3所示。Context Capture軟件自動根據白模的空間結構從不同視點的多幅影像中選取最優(yōu)紋理圖貼合在白模上，完成紋理映射，得到實景三維模型，如圖4所示。

2.3.4? 模型修飾

針對實景三維模型漏洞、平面（水面、道路）、凹凸不平等現象，需人工進行實景三維模型修飾。DP-Modeler是一款集單體建模和Mesh格網模型修飾于一體的軟件，通過特有的攝影測量算法實現對實景三維模型的修飾。修飾工作主要包括：① 刪除懸浮物；② 補充存在空洞的地方；③ 對不平整路面等進行平滑處理，擬合到平面；④ 拉直部分扭曲的建筑物；⑤ 針對需要精細化展示的建筑物進行單體化重建，再映射實景紋理［11］。本項目模型修飾主要涉及水域，水域沒有明顯特征點，無法匹配出完整點云，易出現漏洞，所以利用DP-Modeler統(tǒng)一做壓平處理。DP-Modeler具備多瓦片聯合處理功能，無需切換即可實現大面積水面自動修補。圖5和圖6分別為水域修飾前和修飾后的圖像對比。

2.4? 成果分析

2.4.1? 實景三維模型位置精度分析

實景三維模型位置精度包括平面精度和高程精度，精度檢驗主要利用DasViewer軟件和中誤差計算公式。DasViewer軟件是大勢智慧自主研發(fā)的一款公開的輕量級實景三維模型瀏覽器，無需插件，支持大規(guī)模傾斜實景三維模型極速加載展示，具備方便快捷的量測功能，能夠實現長度、面積以及三維坐標值精準量測。

精度檢驗流程如下：① 利用DasViewer軟件打開實景三維模型，在模型上找出野外實測檢查點的位置即點之記；② 使用DasViewer軟件的量測工具直接量測檢查點坐標，并將其作為模型坐標，將野外實測檢查點的坐標作為實測坐標；③ 計算模型坐標與實測坐標的差值作為x、y、h方向上的真誤差和中誤差。中誤差是用來衡量觀測精度的一種常用指標，可以很好地反映誤差精度，在測繪領域應用廣泛。中誤差公式如下：

σx=? ∑ni=1x實測－x模型2/n （1）

σy=? ∑ni=1y實測－y模型2/n（2）

σxy=? σ2x+σ2y（3）

σh=? ∑ni=1h實測－h(huán)模型2/n（4）

式中：x實測、y實測、h實測為檢查點的實測坐標值，x模型、y模型、h模型為在三維模型上量測的坐標值；σxy為點的平面中誤差；σx、σy為點在x、y方向上的中誤差；σh為點在高程上的中誤差。

將野外實測檢查點坐標與DasViewer中量測的坐標進行x、y和h三個方向比對，見表1。由表1可知，y方向誤差整體較小，最大誤差值為0.087 m，在2個像素以內，最小誤差為0.008 m；50%檢查點平面誤差在2個像素以內，僅有1個檢查點平面誤差在3個像素以上；27.8%檢查點高程誤差在1個像素以內，66.7%檢查點高程誤差在2個像素以內。

各檢查點平面誤差值分布如圖7所示。由圖7可知，大部分檢查點平面誤差都在2個像素左右；檢查點P11平面誤差值最大，其次為P13，分別達到4個像素和3個像素，通過查看點之記圖片，發(fā)現檢查點P11和P13位于地物特征不明顯區(qū)域，誤差主要與地物特征不明顯匹配連接點少有關。

各檢查點高程誤差值分布如圖8所示。由圖8可知，P06高程誤差最大，P21高程誤差最小，實景三維模型高程精度整體較好。

整理匯總18個檢查點的平面誤差和高程誤差，并利用公式計算中誤差，如表2所示，可知測區(qū)平面誤差和高程誤差的最大誤差、最小誤差、平均誤差以及中誤差。

由表2可知，實景三維模型的平面平均誤差為0.099 m，在2個像素以內；高程平均誤差為0.000 6 m，在1個像素以內，精度較好。實景三維模型的平面中誤差和高程中誤差分別為0.104 m與0.121 m，均在3個像素以內。根據CH/T 9015-2012《三維地理信息模型數據產品規(guī)范》，當平面中誤差不大于0.5 m、高程中誤差不大于0.37 m，可達到1∶500比例尺測圖的精度要求［12］。因此，本次實景三維模型精度可達到1∶500測圖的要求，實景三維模型的平面精度和高程精度達到Ⅰ級產品的精度要求。

2.4.2? 實景三維模型應用

作為長江中下游行蓄洪空間的基礎數據底板之一，高精度行蓄洪空間實景三維模型支持準確定位行蓄洪區(qū)以及洲灘民垸位置。針對行蓄洪空間分洪運用、調度效果分析，傳統(tǒng)方式主要基于一、二維水動力學模型實施，計算時間較長，無法快速準確反映物理世界真實擾動對孿生世界的信息反饋以及孿生世界的交互決策對真實物理世界的作用影響。利用無人機航飛傾斜影像、DEM、DOM以及傾斜實景三維模型構建數字孿生數據底板和數字化場景，并在其他監(jiān)測數據實時更新驅動下，使基于數據驅動的模型成為行蓄洪空間實時調度模擬分析運用的一條新路徑。

高精度傾斜實景三維模型支持構建智慧管控平臺，在平臺上可進行模型查看、三維分析以及對邊坡、滑坡體和相關水工建筑物的管理和可視化展示，為管理人員提供直觀的數據支持。另外，以實景三維模型為基礎可制作相匹配的數字高程模型并派生出等高線、坡度圖等信息，通過配套軟件對地形進行分析，支持計算地基的土石方量［13］。

3? 結? 論

本文以長江中下游三洲聯垸行蓄洪空間為研究對象，利用飛馬D200獲取項目區(qū)域五視角影像，采用Context Capture軟件全自動構建區(qū)域地物的高精度實景三維模型，并利用野外量測的檢查點對構建的實景三維模型精度進行評定，可得到以下結論。

（1） 采用傾斜攝影三維建模方法，通過無接觸方式能夠快速獲取五視角影像、全自動化構建高精度模型，節(jié)省了大量人力物力，能高效率地獲取數字孿生行蓄洪空間的數據底板。

（2） 實景三維模型平面中誤差和高程中誤差分別為0.104 m和0.121 m，按照CH/T 9015-2012《三維地理信息模型數據產品規(guī)范》，可達到1∶500比例尺測圖的精度要求。高精度實景三維模型對行蓄洪空間分洪運用、調度效果分析有重要的參考意義。

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（編輯：唐湘茜，張? 爽）

Research on construction of real scene 3D model of digital twin for flood discharge and storage space of Yangtze River

WANG Kaihua，GAN Zheng，SHI Juanjuan

（Changjiang Space Information Technology Engineering Co.，Ltd.，（Wuhan），Wuhan 430010，China）

Abstract：

Digital twin is an important technical means for digital watershed transformation.To strongly support the construction of data base plate in digital watershed twin，a flood discharge and storage space in the middle and lower reaches of Yangtze River was taken as the research object，Pegasus drone D200 was used to obtain five-angle images of the measurement area，and the real 3D model was automatically constructed based on the Context Capture software.The accuracy of the model was evaluated by the field inspection points.The results showed that the plane error and elevation error of the 3D model based on oblique photography were 0.104 m and 0.121 m respectively，and both within 3 pixels，which can meet the requirements of 1∶500 scale mapping.The 3D digital scene based on the high-precision 3D real scene model can provide a reference for the application of flood discharge and storage space in real-time scheduling simulation analysis．

Key words：

real scene 3D model； digital twin； oblique photography； flood discharge and storage space