1、無人機傾斜攝影三維建模技術概述

傾斜攝影技術是國際測繪遙感領域近年發(fā)展起來的一項高新技術，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，還可通過先進的定位、融合、建模等技術，生成真實的三維模型。傾斜攝影測量技術以大范圍、高精度、高清晰度的方式全面感知復雜場景，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的意義

水利信息化是指充分利用現(xiàn)代信息技術，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)普遍應用現(xiàn)代通信、計算機網(wǎng)絡等信息技術，開發(fā)與水有關的信息資源，直接為水資源的開發(fā)利用、水資源的配置與使用、水環(huán)境保護與治理等管理決策服務，提高水利行業(yè)的科學管理水平。

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入建設高峰期，水利信息化需求不斷增加，水利行業(yè)中的特定領域，例如水資源管理、防洪減災等領域，對于監(jiān)控精度的準確性、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責，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)的技術手段已經(jīng)越來越難以滿足社會需求。水資源監(jiān)測、災害監(jiān)控等方式的演變，為信息化應用在水利領域提供了良好的發(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、技術的升級改進也加大了水利行業(yè)信息化的需求。云計算、無人機傾斜攝影等先進技術逐漸在水利行業(yè)滲透，將加快推動我國水利信息化建設向健康、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在水利信息化建設中的應用。

圖1：作業(yè)技術流程圖

本次作業(yè)采用無人機航空攝影的方法獲取影像資料，根據(jù)測區(qū)情況規(guī)劃設計航線，實地踏勘測區(qū)，選取適宜起降場地進行無人機航空攝影，并布設測量像控點。航攝和像控作業(yè)完成后，進行空三加密、三維模型生產(chǎn)、模型修飾、信息化平臺展示及應用等工作，作業(yè)技術流程如圖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)進行無人機低空攝影作業(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)設計飛“井”字航線，飛馬F200系統(tǒng)設計飛往返航線。

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，且兩側山頂架設有高壓線，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設計，飛行高度高于高壓線40m，大壩區(qū)域按GSD 3cm設計，飛行高度低于高壓線40m。航向重疊度80%,旁向重疊度 70%。航線設計如圖3所示：

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

圖4：陸渾水利樞紐傾斜航線（藍色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，機組人員攜帶設備到達起降場。首先對航攝硬件進行檢查維護，確保其在最佳狀態(tài)下工作。在飛機起飛前對飛機狀況進行全面檢查，確保安全后作業(yè)。無人機起飛后，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）

無人機航攝外業(yè)像控點布設一般按照區(qū)域網(wǎng)布設，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。

像片控制測量采用雙頻GNSS接收機，基于GNSS RTK技術施測，作業(yè)前在已知控制點上進行檢校，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)準備

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

2）空中三角測量

選擇四臺高性能計算機，聯(lián)機組成工作站，軟件采用ContextCapture Center（CC），對所采集影像數(shù)據(jù)進行空三加密、三維模型構建。將外業(yè)測定的像片控制點成果，在內(nèi)業(yè)環(huán)境中進行轉刺，利用這些點對已有區(qū)域網(wǎng)模型進行約束平差計算，將區(qū)域網(wǎng)納入到精確的大地坐標系統(tǒng)中，完成絕對定向，如圖6所示?？杖Y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） 三維模型構建

圖8：CC三維建模流程

全自動三維建模采用多機多節(jié)點并行運算的CC軟件進行，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)構建、白體三維模型創(chuàng)建、自助紋理映射和三維場景構建，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行修補，刪除漂浮物，局部進行影像紋理映射等等，最后采用CC軟件，對水域進行約束干預后重新生成模型，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行檢驗，故縣水利樞紐檢驗結果如下表：

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對測圖精度的要求。

陸渾水利樞紐檢驗結果如下表：

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對測圖精度的要求。

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

通過信息技術的應用,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,并在此基礎上推動我國水利事業(yè)的長遠發(fā)展。將傳統(tǒng)水利管理向水利信息化管理傾斜能夠彌補在解決自然災害中水資源浪費的不足,實現(xiàn)人與自然的和諧相處,維護水資源的生態(tài)平衡。

通過水利信息化平臺可對流域內(nèi)進行洪水預測預報、洪水調(diào)度、方案制訂和工作部署，進一步梳理水文預報節(jié)點，提高水文預測預報能力，完善預報預警機制，做到預測預報和洪水測驗齊頭并進。提高預報精度，延長預見期。進一步細化各關鍵節(jié)點、關鍵環(huán)節(jié)的應對措施，細化洪水調(diào)度方案，規(guī)范、理順指揮調(diào)度程序，進一步細化防汛工作部署，未雨綢繆，提前做好各項準備。

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業(yè)務，使分析計算過程更加高效、直觀，使決策的準確性和時效性進一步增強。主要功能有：（1）水利樞紐過沙預估；（2）洪水調(diào)度預案分析；（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坐標系，1985國家高程基準，導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、優(yōu)化配速置提供有力支撐，成功應對了流域洪澇災害、干旱缺水、生態(tài)惡化等問題，為“精細調(diào)度”黃河水資源提供了強大的科技支撐。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

隨著計算機和傾斜攝影技術的迅速發(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)一轉換為AutodeskFBX格式，WGS-84坐標系，1985國家高程基準，導入基于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在BIM領域的應用

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

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營和施工管理方面的應用，展示如下：

圖18：南水北調(diào)倒虹吸運營維護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，項目成果可為水利BIM技術（一種應用于工程設計、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）提供技術支持，可以促使水利工程各個階段的管理和運營更加科學精準。

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)域進行疊置航線作業(yè)，對雙層航線所采集影像共同進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。隨后詳細介紹了基于無人機傾斜攝影和CC軟件的三維建模過程及模型成果在水利信息化建設中的應用。

2018年黃委重點水利工程信息化建設項目，是一次較全面的傾斜攝影三維建模綜合應用實戰(zhàn)。我們在資料準備、工序規(guī)劃、相關硬件、應急預案等方面都做了充分的準備，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經(jīng)驗，并在此項目基礎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領域的應用研究，希望能盡早與地質(zhì)、物探的三維數(shù)據(jù)進行融合，為三維協(xié)同設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，飛馬系列無人機航測系統(tǒng)以其機動、快速、 靈活、高效等特點得到了廣泛的應用，不但節(jié)省作業(yè)成本，而且操作和維護還非常簡單，不僅具有較強的作業(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用于測繪領域。其基于飛馬云的主動式服務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飛馬系列無人機的力度，購置更多數(shù)量、更高精度、操作更簡單的新款無人機，完善其在水利領域的應用，加強地理信息數(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，強化黃河流域水利工程信息化建設，推進BIM技術在水利領域的應用研究，為水利工程投資分析、工程設計、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)劃設計，還可以作為水利工程信息化建設的底圖數(shù)據(jù)，以便后期的運行維護管理。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用

黃委2018年度直管河道和水利工程劃界無人機航空攝影區(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：濟寧市梁山縣、泰安市東平縣、濟南市平陰縣、濟南市濟陽縣、聊城市東阿縣、濱州市區(qū)、東營市區(qū)、東營市河口區(qū)，我單位提前進行空域申報，軍航、民航、公安批準后，方進入測區(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，兩個機組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行檢驗，其中一個區(qū)域的檢驗結果如下表：

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“引黃濟寧”工程中的應用

隨著“蘭西城市群”發(fā)展規(guī)劃的逐步落地，大西寧地區(qū)構建“一芯雙城，環(huán)狀組團發(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“引黃濟寧”工程意義重大，十分必要。

圖20：測區(qū)分布示意圖

“引黃濟寧”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，風力強勁，同等條件下無人機升力降低，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行作業(yè)。此次共投入2架飛馬F200，兩個機組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