1、無人機(jī)傾斜攝影三維建模技術(shù)概述

傾斜攝影技術(shù)是國際測繪遙感領(lǐng)域近年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息。它不僅能夠真實地反映地物情況，高精度地獲取物方紋理信息，還可通過先進(jìn)的定位、融合、建模等技術(shù)，生成真實的三維模型。傾斜攝影測量技術(shù)以大范圍、高精度、高清晰度的方式全面感知復(fù)雜場景，系統(tǒng)具備高性能的協(xié)同并行處理能力，傾斜攝影三維數(shù)據(jù)可為水利、智慧城市、規(guī)劃、國土、測繪等多種行業(yè)提供二三維一體化的數(shù)據(jù)來源。

2、水利工程信息化建設(shè)的意義

水利信息化是指充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，深入開發(fā)和利用水利信息資源，實現(xiàn)水利信息的采集、輸送、存儲、處理和服務(wù)的現(xiàn)代化，全面提升水利事業(yè)活動效率和效能的過程。具體地講，水利信息化就是在水利全行業(yè)普遍應(yīng)用現(xiàn)代通信、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)，開發(fā)與水有關(guān)的信息資源，直接為水資源的開發(fā)利用、水資源的配置與使用、水環(huán)境保護(hù)與治理等管理決策服務(wù)，提高水利行業(yè)的科學(xué)管理水平。

近年來，水利投資規(guī)模持續(xù)增長，中國產(chǎn)業(yè)信息研究網(wǎng)發(fā)布數(shù)據(jù)顯示：截至2018年2月28日，2018年已累計安排中央水利建設(shè)投資計劃2248.0億元。水利信息化需求加大，中國重點水利項目已進(jìn)入建設(shè)高峰期，水利信息化需求不斷增加，水利行業(yè)中的特定領(lǐng)域，例如水資源管理、防洪減災(zāi)等領(lǐng)域，對于監(jiān)控精度的準(zhǔn)確性、及時性要求越來越高。

傳統(tǒng)的水利管理由各地主管部門負(fù)責(zé)，上下游及河湖兩岸主管部門間溝通協(xié)調(diào)性差，高效的管理方案未能及時有效落實到基層調(diào)度管理中心，管理的科學(xué)性不足、效率較低、水資源價值未能得到充分發(fā)揮,傳統(tǒng)的技術(shù)手段已經(jīng)越來越難以滿足社會需求。水資源監(jiān)測、災(zāi)害監(jiān)控等方式的演變，為信息化應(yīng)用在水利領(lǐng)域提供了良好的發(fā)展前景。除了水利行業(yè)整體投入增加的大環(huán)境因素，專業(yè)化程度的提高、檢測監(jiān)控等方式的演變、技術(shù)的升級改進(jìn)也加大了水利行業(yè)信息化的需求。云計算、無人機(jī)傾斜攝影等先進(jìn)技術(shù)逐漸在水利行業(yè)滲透，將加快推動我國水利信息化建設(shè)向健康、可持續(xù)化、現(xiàn)代化方向發(fā)展。

本次水利工程信息化建設(shè)共分五大區(qū)域：故縣水利樞紐、陸渾水利樞紐、石洼分洪閘、十里堡分洪閘、陳山口和清河門泄洪閘。區(qū)域較多，本文主要以故縣和陸渾水利樞紐為例介紹傾斜攝影技術(shù)在水利信息化建設(shè)中的應(yīng)用。

圖1：作業(yè)技術(shù)流程圖

本次作業(yè)采用無人機(jī)航空攝影的方法獲取影像資料，根據(jù)測區(qū)情況規(guī)劃設(shè)計航線，實地踏勘測區(qū)，選取適宜起降場地進(jìn)行無人機(jī)航空攝影，并布設(shè)測量像控點。航攝和像控作業(yè)完成后，進(jìn)行空三加密、三維模型生產(chǎn)、模型修飾、信息化平臺展示及應(yīng)用等工作，作業(yè)技術(shù)流程如圖1。

1、 航空攝影實施

1）航線規(guī)劃

圖2：飛馬F200和D1000智能航測系統(tǒng)

本次作業(yè)采用飛馬F200和D1000智能航測系統(tǒng)進(jìn)行無人機(jī)低空攝影作業(yè)（如圖2）。為了獲取測區(qū)地面高分辨率影像，滿足三維建模對地物各個立面都要有足夠重疊度的要求，飛馬D1000系統(tǒng)設(shè)計飛“井”字航線，飛馬F200系統(tǒng)設(shè)計飛往返航線。

圖3：故縣水利樞紐傾斜攝影航線（紅色為高壓線）

故縣水庫海拔落差大，且兩側(cè)山頂架設(shè)有高壓線，給航飛帶來了極大的困難，為了保證飛行安全和重點區(qū)域的高分辨率，在確定好測區(qū)海拔和高壓線高度后，分區(qū)域上下層疊置規(guī)劃航線，整個測區(qū)按GSD 5cm設(shè)計，飛行高度高于高壓線40m，大壩區(qū)域按GSD 3cm設(shè)計，飛行高度低于高壓線40m。航向重疊度80%,旁向重疊度 70%。航線設(shè)計如圖3所示：

陸渾水庫攝影面積較大，采用飛馬F200和D1000結(jié)合飛行的方式進(jìn)行作業(yè)。整個測區(qū)按GSD 3cm設(shè)計，航向重疊度80%，旁向重疊度 70%。航線設(shè)計如圖4所示：

圖4：陸渾水利樞紐傾斜航線（藍(lán)色F200，黃色D1000）

2）航空攝影

在天氣符合飛行作業(yè)要求的情況下，機(jī)組人員攜帶設(shè)備到達(dá)起降場。首先對航攝硬件進(jìn)行檢查維護(hù)，確保其在最佳狀態(tài)下工作。在飛機(jī)起飛前對飛機(jī)狀況進(jìn)行全面檢查，確保安全后作業(yè)。無人機(jī)起飛后，時刻監(jiān)控其狀況參數(shù)。

3）像控布測

圖5：像控點示意圖（左：航片上點位，右：實地測量點位）

無人機(jī)航攝外業(yè)像控點布設(shè)一般按照區(qū)域網(wǎng)布設(shè)，像控點點位均勻控制測區(qū)。區(qū)域網(wǎng)大小和像控點的跨度以能夠滿足內(nèi)業(yè)空中三角測量精度要求為準(zhǔn)。

像片控制測量采用雙頻GNSS接收機(jī)，基于GNSS RTK技術(shù)施測，作業(yè)前在已知控制點上進(jìn)行檢校，作業(yè)時取三次讀數(shù)的平均值為最終成果。

2、基于ContextCapture Center的三維實景建模

1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

在進(jìn)行三維建模前,需要整理原始影像、相機(jī)文件、像控數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)等,為導(dǎo)入軟件進(jìn)行后期的處理做準(zhǔn)備。

2）空中三角測量

選擇四臺高性能計算機(jī)，聯(lián)機(jī)組成工作站，軟件采用ContextCapture Center（CC），對所采集影像數(shù)據(jù)進(jìn)行空三加密、三維模型構(gòu)建。將外業(yè)測定的像片控制點成果，在內(nèi)業(yè)環(huán)境中進(jìn)行轉(zhuǎn)刺，利用這些點對已有區(qū)域網(wǎng)模型進(jìn)行約束平差計算，將區(qū)域網(wǎng)納入到精確的大地坐標(biāo)系統(tǒng)中，完成絕對定向，如圖6所示。空三結(jié)束后及時查看精度報告，確保符合規(guī)范要求，空三完成后相片分布如圖7（左）所示。

圖6：CC空三加密流程

圖7：空三結(jié)果和三維粗略模型圖（左：空三完成圖，右：三維粗略模型圖）

3） 三維模型構(gòu)建

圖8：CC三維建模流程

全自動三維建模采用多機(jī)多節(jié)點并行運(yùn)算的CC軟件進(jìn)行，建模流程如圖8所示。將空三完成后的成果數(shù)據(jù)直接提交生成三維TIN格網(wǎng)構(gòu)建、白體三維模型創(chuàng)建、自助紋理映射和三維場景構(gòu)建，模型成果如圖7（右）所示。

3、基于CC軟件的模型修飾及輸出

模型修飾主要是對水域和模型漏洞進(jìn)行修補(bǔ)，刪除漂浮物，局部進(jìn)行影像紋理映射等等，最后采用CC軟件，對水域進(jìn)行約束干預(yù)后重新生成模型，使模型不存在漏洞，更貼近實際。同位置修飾前后對比圖如下：

圖9：三維模型修飾前后截圖

4、精度評價

三維模型修飾后，采取人工實測平高檢查點的方式對模型精度進(jìn)行檢驗，故縣水利樞紐檢驗結(jié)果如下表：

經(jīng)檢驗，故縣測區(qū)平均GSD為5cm，重點區(qū)域平均GSD為3cm,平面中誤差為0.041m，高程中誤差為0.033m，均在1：500比例尺三維測圖限差范圍內(nèi)，滿足本次信息化建設(shè)對測圖精度的要求。

陸渾水利樞紐檢驗結(jié)果如下表：

經(jīng)檢驗，陸渾測區(qū)平均GSD為3cm，平面中誤差為0.031m，高程中誤差為0.046m，均在1：500比例尺三維測圖限差范圍內(nèi)，滿足本次信息化建設(shè)對測圖精度的要求。

伴隨信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速對接和信息化的廣泛應(yīng)用，信息化已經(jīng)成為現(xiàn)代社會發(fā)展的強(qiáng)大動力。從中央到地方，從行業(yè)到企業(yè)，信息化及信息技術(shù)的應(yīng)用已成為推動社會向前發(fā)展的重要手段。

通過信息技術(shù)的應(yīng)用,可以實現(xiàn)水利工程管理的自動化和智能化,提高工程管理水平,并在此基礎(chǔ)上推動我國水利事業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。將傳統(tǒng)水利管理向水利信息化管理傾斜能夠彌補(bǔ)在解決自然災(zāi)害中水資源浪費的不足,實現(xiàn)人與自然的和諧相處,維護(hù)水資源的生態(tài)平衡。

通過水利信息化平臺可對流域內(nèi)進(jìn)行洪水預(yù)測預(yù)報、洪水調(diào)度、方案制訂和工作部署，進(jìn)一步梳理水文預(yù)報節(jié)點，提高水文預(yù)測預(yù)報能力，完善預(yù)報預(yù)警機(jī)制，做到預(yù)測預(yù)報和洪水測驗齊頭并進(jìn)。提高預(yù)報精度，延長預(yù)見期。進(jìn)一步細(xì)化各關(guān)鍵節(jié)點、關(guān)鍵環(huán)節(jié)的應(yīng)對措施，細(xì)化洪水調(diào)度方案，規(guī)范、理順指揮調(diào)度程序，進(jìn)一步細(xì)化防汛工作部署，未雨綢繆，提前做好各項準(zhǔn)備。

1、基于三維的黃河防汛調(diào)度方案情景展示系統(tǒng)

建成防汛調(diào)度系統(tǒng)，可以較為全面地支持黃河流域洪水和泥沙的調(diào)度與管理的主要技術(shù)業(yè)務(wù)，使分析計算過程更加高效、直觀，使決策的準(zhǔn)確性和時效性進(jìn)一步增強(qiáng)。主要功能有：（1）水利樞紐過沙預(yù)估；（2）洪水調(diào)度預(yù)案分析；（3）實時洪水泥沙調(diào)度方案分析；（4）水庫調(diào)度監(jiān)測信息應(yīng)用；（5）調(diào)度方案評估。

圖10：黃河防汛調(diào)度方案展示系統(tǒng)中故縣水利樞紐正側(cè)視圖

圖11：黃河防汛調(diào)度方案展示系統(tǒng)中陸渾水利樞紐局部正視圖

本文將修飾好的實景三維模型統(tǒng)一輸出為OBJ wavefront format格式，WGS-84坐標(biāo)系，1985國家高程基準(zhǔn)，導(dǎo)入基于三維的黃河防汛調(diào)度方案情景展示系統(tǒng)。故縣和陸渾水利樞紐三維實景模型在黃河防汛調(diào)度方案展示系統(tǒng)中的正側(cè)視圖如圖10、11、12所示。

圖12：黃河防汛調(diào)度方案展示系統(tǒng)中陸渾水利樞紐局部側(cè)視圖

2、基于Skyline平臺的黃河水資源管理與調(diào)度系統(tǒng)

黃河水資源管理調(diào)度系統(tǒng)以及所包含的子系統(tǒng)猶如一個巨大的黃河大數(shù)據(jù)庫，為水資源實時監(jiān)控、快速反應(yīng)、優(yōu)化配速置提供有力支撐，成功應(yīng)對了流域洪澇災(zāi)害、干旱缺水、生態(tài)惡化等問題，為“精細(xì)調(diào)度”黃河水資源提供了強(qiáng)大的科技支撐。該系統(tǒng)榮獲中國水利工程優(yōu)質(zhì)（大禹）獎，這是全國水利信息化行業(yè)建設(shè)項目獲得優(yōu)質(zhì)工程的最高獎項之一。

圖13：黃河水資源管理與調(diào)度系統(tǒng)主界面

圖14：黃河水資源管理與調(diào)度系統(tǒng)系統(tǒng)中故縣水利樞紐區(qū)域圖

圖15：黃河水資源管理與調(diào)度系統(tǒng)系統(tǒng)中龍羊峽水利樞紐

圖16：黃河水資源管理與調(diào)度系統(tǒng)系統(tǒng)中小浪底水利樞紐

隨著計算機(jī)和傾斜攝影技術(shù)的迅速發(fā)展,三維實景地理信息系統(tǒng)為用戶提供了更豐富的地理信息、更友好的用戶體驗以及低廉的成本,應(yīng)用前景廣闊。將本次修飾好的實景三維模型和原來制作的三維模型統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為AutodeskFBX格式，WGS-84坐標(biāo)系，1985國家高程基準(zhǔn)，導(dǎo)入基于Skyline平臺的黃河水資源管理與調(diào)度系統(tǒng)，展示如圖13、14、15、16所示。

3、傾斜攝影三維建模技術(shù)在BIM領(lǐng)域的應(yīng)用

1）測繪三維模型和地質(zhì)勘探三維數(shù)據(jù)融合后，可以進(jìn)行三維協(xié)同設(shè)計：

圖17：測繪三維模型和地質(zhì)勘探三維數(shù)據(jù)刨面展示

2）三維模型在水利工程運(yùn)營和施工管理方面的應(yīng)用，展示如下：

圖18：南水北調(diào)倒虹吸運(yùn)營維護(hù)和引水閘門施工管理示意圖

本次作業(yè)完成了多個水利實景模型信息化建設(shè)，項目成果可為水利BIM技術(shù)（一種應(yīng)用于工程設(shè)計、建造、管理的數(shù)據(jù)化工具，通過對建筑的數(shù)據(jù)化、信息化模型整合）提供技術(shù)支持，可以促使水利工程各個階段的管理和運(yùn)營更加科學(xué)精準(zhǔn)。

本文以故縣水利樞紐為例，嘗試了高海拔落差測區(qū)重點區(qū)域進(jìn)行疊置航線作業(yè)，對雙層航線所采集影像共同進(jìn)行空三加密和三維建模，將不同分辨率影像同時映射到數(shù)字表面模型上作為模型的紋理，既保證了測區(qū)的完整性，又大大提高了重點區(qū)域的地面分辨率。隨后詳細(xì)介紹了基于無人機(jī)傾斜攝影和CC軟件的三維建模過程及模型成果在水利信息化建設(shè)中的應(yīng)用。

2018年黃委重點水利工程信息化建設(shè)項目，是一次較全面的傾斜攝影三維建模綜合應(yīng)用實戰(zhàn)。我們在資料準(zhǔn)備、工序規(guī)劃、相關(guān)硬件、應(yīng)急預(yù)案等方面都做了充分的準(zhǔn)備，多工序緊密銜接。通過本項目，我們積累了更多傾斜攝影三維建模的相關(guān)經(jīng)驗，并在此項目基礎(chǔ)上完善了基于三維的黃河防汛調(diào)度方案情景展示系統(tǒng)和基于Skyline平臺的黃河水資源管理與調(diào)度系統(tǒng)。開展了三維模型在BIM領(lǐng)域的應(yīng)用研究，希望能盡早與地質(zhì)、物探的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，為三維協(xié)同設(shè)計提供高分辨率高精度的三維模型數(shù)據(jù)。

地理信息大數(shù)據(jù)和水利工程信息化的時代已經(jīng)到來，飛馬系列無人機(jī)航測系統(tǒng)以其機(jī)動、快速、 靈活、高效等特點得到了廣泛的應(yīng)用，不但節(jié)省作業(yè)成本，而且操作和維護(hù)還非常簡單，不僅具有較強(qiáng)的作業(yè)能力，而且智能化、穩(wěn)定性和可靠性都能得到保障。其一站式大比例尺測圖解決方案已廣泛應(yīng)用于測繪領(lǐng)域。其基于飛馬云的主動式服務(wù)更是為客戶提供了很多方便，幫助客戶解決了很多難題。下一步我們將加大引進(jìn)飛馬系列無人機(jī)的力度，購置更多數(shù)量、更高精度、操作更簡單的新款無人機(jī)，完善其在水利領(lǐng)域的應(yīng)用，加強(qiáng)地理信息數(shù)據(jù)底圖的獲取，加大黃河流域重點水利工程三維實景模型建設(shè)，強(qiáng)化黃河流域水利工程信息化建設(shè)，推進(jìn)BIM技術(shù)在水利領(lǐng)域的應(yīng)用研究，為水利工程投資分析、工程設(shè)計、施工與安全質(zhì)量管理、庫區(qū)移民、變形監(jiān)測及穩(wěn)定性評估等水利工程全生命周期管理提供技術(shù)支持。

目前黃河流域水利工程底圖數(shù)據(jù)的獲取既可以用于工程的勘測規(guī)劃設(shè)計，還可以作為水利工程信息化建設(shè)的底圖數(shù)據(jù)，以便后期的運(yùn)行維護(hù)管理。下面列舉兩個典型的水利工程數(shù)據(jù)獲取案例：

1、案例一：飛馬F200在黃委2018年度水利工程劃界中的應(yīng)用

黃委2018年度直管河道和水利工程劃界無人機(jī)航空攝影區(qū)域主要位于河南省和山東省境內(nèi)的黃河大堤沿線，其中河南段為：鄭州市滎陽市、新鄉(xiāng)市原陽縣、開封市、濮陽市范縣；山東段為：濟(jì)寧市梁山縣、泰安市東平縣、濟(jì)南市平陰縣、濟(jì)南市濟(jì)陽縣、聊城市東阿縣、濱州市區(qū)、東營市區(qū)、東營市河口區(qū)，我單位提前進(jìn)行空域申報，軍航、民航、公安批準(zhǔn)后，方進(jìn)入測區(qū)作業(yè)。

圖19：河南段測區(qū)概況（左）和山東段測區(qū)概況（右）

此次航攝作業(yè)共投入2架飛馬F200型無人機(jī)，兩個機(jī)組5名作業(yè)員，作業(yè)時間22天，合計飛行111個架次，飛行里程5118km，攝影面積865km²。已完成DOM、DSM、DLG成果制作。

測圖工作完成后，采取人工實測平高檢查點的方式對線劃地形圖的要素精度進(jìn)行檢驗，其中一個區(qū)域的檢驗結(jié)果如下表：

經(jīng)檢驗，該區(qū)域地形圖要素平面中誤差為0.0556m，高程中誤差0.1241m，滿足水利工程劃界項目1：2000比例尺地形圖精度要求。

2、案例二：飛馬F200在“引黃濟(jì)寧”工程中的應(yīng)用

隨著“蘭西城市群”發(fā)展規(guī)劃的逐步落地，大西寧地區(qū)構(gòu)建“一芯雙城，環(huán)狀組團(tuán)發(fā)展”的生態(tài)山水城市發(fā)展模式和布局，水資源保障面臨重大挑戰(zhàn)。因此，從水資源利用現(xiàn)狀看，只有通過從黃河調(diào)水才能實現(xiàn)，加快建設(shè)“引黃濟(jì)寧”工程意義重大，十分必要。

圖20：測區(qū)分布示意圖

“引黃濟(jì)寧”測繪項目分為龍羊峽自流方案、龍羊峽自流繞線方案以及東部城市群供水線路等幾個區(qū)域，其中東部城市群供水線路分為南、北線兩條線路。測區(qū)均為高原地區(qū)，平均海拔3300米，起飛點最高海拔4030米，飛行最高高度4761m，測區(qū)概略位置如圖21所示。

測區(qū)內(nèi)人煙稀少，空氣稀薄，氣候惡劣，風(fēng)力強(qiáng)勁，同等條件下無人機(jī)升力降低，給航測作業(yè)帶來極大困難，我們提前換上高原槳，給電池做好保暖措施，在天氣允許的情況下進(jìn)行作業(yè)。此次共投入2架飛馬F200，兩個機(jī)組5名作業(yè)員，作業(yè)時間25天，合計飛行128個架次，飛行里程6054km，攝影面積1006km²。已完成大部分區(qū)域DOM、DSM、DLG成果制作,完成區(qū)域經(jīng)實地測量平高點進(jìn)行精度檢驗，全部滿足1 ：1000比例尺地形圖精度要求，局部DOM和DLG套合如圖21所示。

圖21：局部DOM和DLG套合圖