淺談傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在水利行業(yè)的應(yīng)用

蔡悅

摘 要：傾斜攝影測(cè)量技術(shù)由于其建模速度快、精度高、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)繪領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。快速、高精度的三維立體模型將為數(shù)字水利的建設(shè)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。本文闡述的傾斜攝影測(cè)量的原理及特點(diǎn)并結(jié)合水利行業(yè)信息化的發(fā)展方向，對(duì)傾斜攝影測(cè)量在水利信息化建設(shè)中的應(yīng)用進(jìn)行了思考與探究。

關(guān)鍵詞：數(shù)字水利；傾斜攝影測(cè)量；三維建模

1 引言

隨著“數(shù)字地球”的不斷發(fā)展，“數(shù)字水利”的概念被提出并依托計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、3S 技術(shù)等高新技術(shù)手段為國(guó)家水資源的管理與利用提供服務(wù)。然而傳統(tǒng)的二維地圖所提供的數(shù)據(jù)信息已無(wú)法滿足越來(lái)越多元和廣泛的水利需求。必須建立逼真的三維現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，并構(gòu)建以此場(chǎng)景為基礎(chǔ)的系統(tǒng)為數(shù)字水利的發(fā)展服務(wù)。

2傾斜攝影測(cè)量

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域近年來(lái)倡導(dǎo)使用的一項(xiàng)高新技術(shù)。它顛覆了以往影像只能從正攝角度拍攝影像的局限，通過(guò)不同的角度采集影像數(shù)據(jù)，將用戶引入了符合人眼視覺(jué)習(xí)慣的真實(shí)且直觀的世界。

2.1傾斜攝影測(cè)量概述

傾斜攝影測(cè)量以飛機(jī)為承載平臺(tái)，融合了傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量和近景攝影測(cè)量技術(shù)。它通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上安置的1 臺(tái)垂直相機(jī)及4 臺(tái)傾斜相機(jī)，可以在一次飛行過(guò)程中同時(shí)獲取正下方地物頂部影像及前、后、左、右四個(gè)方向地物的側(cè)面影像。

拍攝相片時(shí)，相關(guān)航測(cè)參數(shù)如航高、航速、航向重疊、旁向重疊、坐標(biāo)也應(yīng)同時(shí)被下來(lái)以便后期對(duì)傾斜影像進(jìn)行分析和處理。某時(shí)期飛機(jī)連拍影像重疊的照片如圖1所示。

2.2傾斜攝影測(cè)量的技術(shù)特點(diǎn)

以往的航拍正射影像只能從垂直角度拍攝地物，而低空無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)在同一個(gè)無(wú)人機(jī)平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從多個(gè)不同的角度采集影像，可以快速、高效獲取豐富的數(shù)據(jù)信息，從而得到地物的不同立面信息，有利于三維模型的細(xì)節(jié)構(gòu)造。相對(duì)于傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量手段多個(gè)角度地物目標(biāo)的特征信息能夠有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)正射影像的不足。傾斜攝影所獲成果不僅可以構(gòu)建可量測(cè)的傾斜實(shí)景影像系統(tǒng)，供用戶進(jìn)行包括高度、長(zhǎng)度、面積、角度、坡度等屬性的多角度快速瀏覽和空間量算，還可作為三維建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采取批量處理的方式快速構(gòu)建三維景觀模型，充分發(fā)揮航空攝影作業(yè)效率高的優(yōu)勢(shì)，有效降低三維建模的成本。三維建模的技術(shù)流程如圖3所示。

2.3傾斜攝影測(cè)量的發(fā)展

近年來(lái)，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)趨于成熟，一些商品化的傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)陸續(xù)出現(xiàn)；硬件系統(tǒng)以美國(guó)Pictometry 傾斜攝影相機(jī)和國(guó)內(nèi)四維遠(yuǎn)見(jiàn)SWDC - 5傾斜攝影相機(jī)為代表。數(shù)據(jù)后處理軟件以美國(guó)Pictometry 系統(tǒng)和法國(guó)Infoterra的像素工廠為代表，除此之外，徠卡公司的LPS 工作站、AeroMap 公司的MultiVision 系統(tǒng)、Intergraph公司的DMC 系統(tǒng)、Astrium 公司Street Factory 系統(tǒng)等軟件都達(dá)到了實(shí)用化的水平。在國(guó)內(nèi)主要有：紅鵬公司推出的無(wú)人機(jī)敏捷自動(dòng)建模系統(tǒng)、超圖軟件公司的SuperMap GIS 7C 軟件、立得空間公司的Leador AMMS 以及武漢天際航公司的DP-Modeler等傾斜攝影測(cè)量軟件。此外，微軟公司的UltraCam Osprey傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)也已投入商用，此舉無(wú)疑將把傾斜攝影測(cè)量的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)引向更高水平。

3數(shù)字水利的建設(shè)與發(fā)展

當(dāng)前，信息化正在加速向水利行業(yè)滲透。多學(xué)科、跨領(lǐng)域的各項(xiàng)新興技術(shù)正不斷為水利行業(yè)的發(fā)展提供著幫助與支持。傳感器技術(shù)日趨成熟，為信息采集、數(shù)據(jù)的可視化提供了前所未有的技術(shù)手段和解決方案，將對(duì)水利的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、安全管理等產(chǎn)生全方位的影響，為水利行業(yè)全面技術(shù)升級(jí)提供了可能。我們把利用以信息技術(shù)為核心的一系列高新技術(shù)對(duì)水利行業(yè)進(jìn)行全面技術(shù)升級(jí)和改造這一過(guò)程形象地稱為數(shù)字水利。

數(shù)字水利通過(guò)綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、遙感、GIS、GPS、多媒體技術(shù)、大規(guī)模存儲(chǔ)技術(shù)以及智能數(shù)字采集等技術(shù)，以各種數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施為框架，獲取水事活動(dòng)中相關(guān)的水文、氣象、環(huán)境、水情、工情等各種水利信息，將水利工作信息納入一個(gè)即時(shí)的可管理、可監(jiān)控、可調(diào)度的科學(xué)平臺(tái)；數(shù)字水利主要包括數(shù)字防汛、數(shù)字調(diào)水、數(shù)字水土保持、數(shù)字水資源、數(shù)字水文、數(shù)字水利工程以及電子政務(wù)和綜合水利會(huì)商等內(nèi)容。因?yàn)樗畔⒔^大部分都是空間信息.空間信息非常復(fù)雜，涉及到點(diǎn)、線、面和三維空間的復(fù)合問(wèn)題，因此，構(gòu)筑“數(shù)字水利”系統(tǒng)離不開(kāi)航測(cè)技術(shù)所提供的空間數(shù)據(jù)。

4傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的數(shù)字水利應(yīng)用

4.1水利規(guī)劃管理及工程建設(shè)

水利規(guī)劃作為一項(xiàng)先導(dǎo)性工作，是數(shù)字水利重要的一步，對(duì)水利工程設(shè)計(jì)、建設(shè)發(fā)揮著決定性的作用。以往，水利規(guī)劃人員利用傳統(tǒng)的二維地圖結(jié)合實(shí)地的勘測(cè)，通過(guò)專業(yè)技能和想象力構(gòu)思規(guī)劃，并通過(guò)文本、二維圖件等形式表達(dá)規(guī)劃成果。隨著這些年傾斜攝影測(cè)量對(duì)三維建模技術(shù)的發(fā)展的推動(dòng)，三維規(guī)劃系統(tǒng)的應(yīng)用，為在水利規(guī)劃過(guò)程中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查、規(guī)劃設(shè)計(jì)、方案對(duì)比、信息管理等提供了極大便利。與此同時(shí)，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)能夠便捷的獲取實(shí)景的三維數(shù)據(jù)，這為在實(shí)際工程中如大型水利建設(shè)中土石方量計(jì)算、水工建筑物的信息獲取、壩址選取、大型水庫(kù)淹沒(méi)區(qū)估算等提供了有效的數(shù)據(jù)依據(jù)，為水利工程建設(shè)節(jié)約了時(shí)間，也節(jié)約了成本。

4.2.水域安全管理及防災(zāi)減災(zāi)

借助傾斜攝影技術(shù)構(gòu)建的可量測(cè)實(shí)景和三維模型系統(tǒng)，非GIS專業(yè)的管理者也可以直觀、全面地掌握災(zāi)害發(fā)生地的環(huán)境信息，方便日常監(jiān)管、決策指揮。在天津特大火災(zāi)爆炸案中，利用傾斜攝影測(cè)量采集的數(shù)據(jù)構(gòu)建三維模型，使得搶險(xiǎn)工作在立體沙盤(pán)上直觀清晰的進(jìn)行。面對(duì)水利災(zāi)害，構(gòu)建的三維模型系統(tǒng)一方面能夠有效地傳遞洪水水位信息，獲取實(shí)時(shí)的洪水情況，為防汛指揮工作提供強(qiáng)有力決策支持。另一方面，清晰的三維可視化能夠直觀的反應(yīng)受災(zāi)情況，評(píng)估受災(zāi)面積、受災(zāi)房屋數(shù)量以及受災(zāi)程度等，并對(duì)水體污染、大面積泥石流、滑坡等山地災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警和監(jiān)控。與此同時(shí)，真實(shí)三維場(chǎng)景的建立還為應(yīng)急指揮人員同現(xiàn)場(chǎng)人員及社會(huì)公眾的互動(dòng)交流提供了便利。

4.3.水文信息分析與管理

水文信息是水利的重要組成部分，流域水資源合理開(kāi)發(fā)、運(yùn)行調(diào)度、管理、保護(hù)，水利工程管理都需要水文數(shù)據(jù)做堅(jiān)實(shí)的后盾基礎(chǔ)。利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)建立三維模型與GIS技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建三維可視化的數(shù)字水利系統(tǒng)，將傳統(tǒng)水文中水位、摘錄雨量、錄入蒸發(fā)量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠更加直觀和有效的獲得水情現(xiàn)狀，精確的水情現(xiàn)狀信息能夠?yàn)樗轭A(yù)報(bào)與監(jiān)測(cè)、流域保養(yǎng)水能力，水庫(kù)調(diào)度提供強(qiáng)有力的支持。

5 結(jié)論與展望

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的飛速發(fā)展為獲取地物的多角度紋理細(xì)節(jié)特征提供了豐富的信息，也為人工智能的三維實(shí)體重建提供了技術(shù)支持。然而，傾斜攝影測(cè)量高精度匹配仍然亟待解決的關(guān)鍵性問(wèn)題，對(duì)于三維模型的表達(dá)也會(huì)存在局部失真的情況。隨著數(shù)字水利的發(fā)展，通過(guò)傾斜攝影測(cè)量所提供的三維成果并結(jié)合其他傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，建立起一個(gè) “數(shù)字水利系統(tǒng)“，將為水利事業(yè)的發(fā)展提供更全面的服務(wù)。

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