無人機傾斜攝影測量在王家壩閘信息化管理中的應用

路海濤

【摘 要】闡述了無人機傾斜攝影測量技術的特點、基本原理、作業流程，以王家壩閘工程應用為例，利用無人機進行傾斜攝影測量，基于BIM+GIS技術，實現高質量數據的快速獲取，搭建直觀的三維展示平臺，為工程日常管理和防汛搶險提供技術支持。

【關鍵字】無人機傾斜攝影測量；三維建模；水利信息化；BIM+GIS

中圖分類號：P231.5 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）24-0213-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.102

【Abstract】This paper expounds the the characteristics，basic principles and operation flow of UAV Oblique Photography Technique. Take the application of Wangjiba Gate as a example， It helps the staff get high-quality data quickly and and complex 3D structure based on the BIM+GIS. Therefore the efficiency of routine work and flood control and emergency rescue could be improved.

【Key words】UAV Oblique Photography Technique； 3Dmax； Water Resources Informatization； BIM+GIS

0 引言

無人機傾斜攝影測量技術是近年發展起來的一項高新技術，傾斜攝影技術三維數據可真實反映地物的外觀、位置、高度等屬性；借助無人機，可快速采集影像數據，實現全自動化三維建模，它的出現滿足了人們對三維信息的需求。

隨著水利信息化事業的推進，BIM+GIS技術已廣泛應用到水利行業，而無人機傾斜攝影測量在其中也發揮著越來越重要的作用。

1 傾斜攝影簡介

傾斜攝影技術，是通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器（目前常用的是五鏡頭相機）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。垂直地面角度拍攝獲取的是垂直向下的一組影像，稱為正片，鏡頭朝向與地面成一定夾角拍攝獲取的四組影像分別指向東南西北，稱為斜片。 攝取范圍如下圖1：

在建立建筑物表面模型的過程中，相比垂直影像，傾斜影像有著顯著的優點，它能提供更好的視角去觀察建筑物側面，這一特點正好滿足了建筑物表面紋理生成的需要。同一區域拍攝的垂直影像可被用來生成三維建筑物模型或是對生成的三維建筑物模型的改善。

2 傾斜攝影技術特點

2.1 反映地物真實情況并且能對地物進行量測

傾斜攝影測量所獲得三維數據可真實地反映地物的外觀、位置、高度等屬性，增強了三維數據所帶來的真實感，彌補了傳統人工模型仿真度低的缺點，增強了傾斜攝影技術的應用。

2.2 高性價比

傾斜攝影測量數據是帶有空間位置信息的可量測的影像數據，能同時輸出DSM、DOM、DLG等數據成果。可在滿足傳統航空攝影測量的同時獲得更多的數據。同時使用傾斜影像批量提取及貼紋理的方式，能夠有效地降低城市三維建模成本。

2.3 高效率

傾斜攝影測量技術借助無人機等飛行載體可以快速采集影像數據，實現全自動化的三維建模。實驗數據證明：1～2年的中小城市人工建模工作，借助傾斜攝影測量技術只需3～5個月就可完成。

3 作業流程

利用建模軟件將照片導入到建模軟件中，通過計算機圖形計算，結合POS信息空三處理，生成點云，點云構成格網，格網結合照片生成賦有紋理的三維模型。區域整體三維建模方法生產路線圖如下：

4 案例介紹

4.1 工程概述

王家壩閘上距淮源365公里，接近淮河黃金分割線，位于三個交點上：淮河上游與中游的交點，兩省三縣（安徽省和河南省，阜南、固始和淮濱）的交界點，三河（淮河、洪河和白露河）的交匯點。王家壩閘是濛洼蓄洪區的進洪閘，興建于1953年，設計防洪保證水位29.30m，設計進洪流量1626m3。王家壩水位被譽為淮河防汛的“晴雨表”和災情的“風向標”，當水位達到29.30m且繼續上漲時，王家壩閘由國家防總調度運行，省淮河河道管理局負責實施。建成至今，王家壩閘已有12個洪水年份15次開閘蓄洪，累計蓄洪總量75億m3，有效削減了淮河洪峰，確保了淮北大堤、兩淮煤礦、沿淮重要城市及交通大動脈安全。

為推進王家壩閘工程管理信息化，進一步提高技術管理水平，通過無人機對王家壩閘工程管理范圍及其周邊進行傾斜攝影測量，搭建三維模型，并接入工程周圍河道地形數據、實時水位數據、工程運行信息及視頻監控信息等實時數據，形成三維展示系統。通過該系統，實現工程信息的立體化、實時化展示，為工程日常管理和防汛搶險提供技術支持。

4.2 外業航飛

本工程外業采用六旋翼無人機配置五鏡頭傾斜相機航拍。在地面站設置及無人機組裝完成后，即可開始航測作業，無人機將依據指定的航線及參數設置，自動完成航拍任務。傾斜航測采集的數據包括各拍攝點的多角度影像信息和對應的POS數據。影像信息由五鏡頭相機獲取，無人機搭載相機以恒定速度對地面進行等距拍照，采集到具有70%重疊率的相片；POS數據由飛控系統在相機拍照時生成，與相片一一對應，賦予相片豐富的信息，包括經緯度、高度、海拔、飛行方向、飛行姿態等。

4.3 數據處理

采用Context Capture軟件完成本次航測的后期影像數據處理。Context Capture是基于影像自動化進行三維模型構建的并行軟件系統，軟件建模對象為靜態物體，輔以相機傳感器屬性、照片位置姿態參數、控制點等信息，在進行空中三角測量計算、模型重建計算后，輸出相應成果，以供瀏覽或后期加工。

4.4 模型修飾

基于Context Capture建立的三維模型，由于錯誤的影像匹配或者較差的幾何姿態造成建筑變形（紋理拉花、結構扭曲、破面缺面等）、懸浮物、丟失部件等問題。通過單體化軟件對模型進行精修重建，使地物要素完整，從而達到后期應用。通過利用建筑物、道路、橋梁、樹木等對應的矢量面，對傾斜攝影模型進行切割，把連續的三角面片網從物理上分割開，從而實現單體化。

本項目采用DP-Modeler軟件進行模型單體化和模型修飾。DP-Modeler是一款可對三維模型進行精細化修飾的單體化軟件，可針對第三方建模軟件自動建模的成果進行單體化精修、懸浮物刪除等工作，可得到精細化模型，達到后期應用要求，其單體化精修流程如下：

4.5 效果展示

經無人機傾斜攝影測量得到的王家壩閘工程及其管理設施三維模型展示如下：

4.6 實際應用

通過對王家壩閘進行三維建模，可直觀全方位瀏覽水工建筑物三維模型。結合BIM技術，通過傾斜攝影構建技術構建真實的建筑物外建構面模型，利用BIM技術對建筑物內部空間信息和屬性信息進行科學化的管理；后期根據管理需要，通過接入王家壩水文信息、王家壩閘閘門自動化控制系統相關信息，獲取水情、工期實時數據。實現在一張圖上展示和分析各類數據信息，為防汛決策提供準確、詳實的立體化、實時化數據支撐。

5 技術局限

傾斜攝影測量技術作為新興的高科技成果，它的出現滿足了人們的需求，具有廣泛的應用前景。但是作為一項新技術，在實際應用當中還存在著一定的技術局限：

（1）匹配傾斜航空攝影后期數據影像的過程中，由于傾斜影像攝影比例尺不一致、分辨率差異、地物遮擋等情況造成獲得的數據當中含有非常多的粗差，嚴重威脅著后續的影像空三精度。可見，如何使用傾斜攝影測量中的冗余信息進行數據的高精度匹配是提升傾斜攝影技術實用性的關鍵。

（2）由于傾斜攝影測量的技術特點，其所形成的三維模型在表達整體的同時，某些地方存在模型缺失或失真等問題。對于水利工程而言，水閘造型復雜，其閘孔和閘墩處由于匹配影像較少，造成模型扭曲變形；在水面、玻璃等表面紋理少的地方，匹配不到特征點，容易產生漏洞。因此，為了三維模型的完整準確地表達需要進行局部區域的補測，常用方法是近景攝影測量系統進行補測，甚至可以采用機載或者車載激光雷達設備進行掃描。

（3）目前海量傾斜影像三維模型的存儲、管理、發布、應用等方面，尚存在不少技術難點。

6 展望

當前，信息化技術在水利工程建設中的普及和發展，有效的促進了水利現代化的進程，能夠實現水利工程建設效率與質量的雙重提高。使用無人機傾斜攝影測量技術可以快速的建立逼真的三維模型，實現水工建筑物空間全方位、高精度的可視化表達，對于水利信息化的發展有著不可忽視的推動作用。未來，BIM+GIS協同應用越來越廣泛，也為水利行業帶來思路上的大轉變，而無人機傾斜攝影測量技術的重要性也將更加突出。

【參考文獻】

[1]楊國東，王民水.傾斜攝影測量技術應用及展望《測繪與空間地理信息》，2016年第1期：13-15.

[2]劉森.傾斜攝影三維建模技術流程及案例分析《科技資訊》，2017年第30期：1-2.

[3]王永生，盧小平，朱慧，焦金龍.無人機實景三維建模在水利BIM中的應用《測繪通報》，2018年第03期.