飛馬F200無人機(jī)在大型水利工程及BIM建設(shè)中的應(yīng)用

賈智樂

(河南省水利勘測(cè)有限公司，河南 鄭州 450003)

無人機(jī)技術(shù)是近些年測(cè)繪行業(yè)的熱門技術(shù)[1]，其具有超低空飛行、受天氣影響小、數(shù)據(jù)獲取便捷、數(shù)據(jù)生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，使得無人機(jī)攝影測(cè)量在國土、農(nóng)林業(yè)、電力、交通、水利、應(yīng)急等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[2]。但是受其自身重量輕及攜帶傳感器等因素的影響，無人機(jī)航測(cè)的精度并非是穩(wěn)定的系統(tǒng)誤差，對(duì)于數(shù)據(jù)處理技術(shù)有很高的要求[3]。另外對(duì)于無人機(jī)正射影像成果，常規(guī)應(yīng)用主要是生產(chǎn)DLG、DOM、DEM、DSM等產(chǎn)品，雖然極大豐富了傳統(tǒng)的測(cè)量成果，但仍有挖掘的空間。本文以擬建大型水庫——信陽袁灣水庫為研究對(duì)象，利用飛馬F200無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在稀少像控點(diǎn)情況下大范圍水庫庫區(qū)1∶1000地形圖、DOM及DEM數(shù)據(jù)的生產(chǎn)[4]，并通過UAV Manager 3.0版軟件利用單相機(jī)影像構(gòu)建了庫區(qū)真實(shí)三維場(chǎng)景[5]。在此基礎(chǔ)上，利用制作的庫區(qū)設(shè)計(jì)壩體BIM模型，通過與三維場(chǎng)景的融合，實(shí)現(xiàn)了大型水利工程BIM模型的構(gòu)建[6]，通過一次垂直攝影航飛，實(shí)現(xiàn)了多元化產(chǎn)品生產(chǎn)，對(duì)于后期的淹沒分析及初步設(shè)計(jì)效果展示提供了數(shù)據(jù)支撐。

1 項(xiàng)目區(qū)概況及數(shù)據(jù)獲取平臺(tái)

擬建的袁灣水庫位于信陽市光山縣南部，新縣縣城以北，潢河干流上，是以防洪為主，結(jié)合供水、灌溉，兼顧發(fā)電、改善生態(tài)等綜合利用的大型水利樞紐工程，根據(jù)設(shè)計(jì)淹沒范圍計(jì)算庫區(qū)面積為35.5 km2，且為不規(guī)則形狀，庫區(qū)為潛山區(qū)，最大落差約150 m，測(cè)區(qū)范圍如圖1所示。項(xiàng)目采用飛馬F200無人機(jī)進(jìn)行正射影像的獲取，F(xiàn)200無人機(jī)翼展為1.9 m，單架次最大航時(shí)為80 min，攜帶35 mm焦距的索尼RX1RM2全畫幅相機(jī)，數(shù)據(jù)獲取平臺(tái)如圖2所示。

2 基于F200航測(cè)系統(tǒng)的多元化產(chǎn)品生產(chǎn)

水利行業(yè)與其他行業(yè)的最大區(qū)別是對(duì)高程精度的要求極高，由于水往低處流的自然屬性，使得高程精度對(duì)于水利工程成敗起著至關(guān)重要的作用，水利工程庫容、挖填土方量計(jì)算的依據(jù)也主要為高程數(shù)據(jù)，而高程精度恰是航測(cè)技術(shù)的難點(diǎn)，因此如何提高航測(cè)數(shù)據(jù)的高程精度尤為重要。本文項(xiàng)目充分利用F200無人機(jī)的后差分技術(shù)，在實(shí)施過程中，通過稀少控制與大量外業(yè)檢核點(diǎn)相結(jié)合，利用UAV Manager 3.0版軟件進(jìn)行空三解算，并在立體測(cè)圖模式下嚴(yán)格驗(yàn)證了空三成果的精度即生產(chǎn)庫區(qū)DLG線劃圖成果；在此基礎(chǔ)上，利用航攝數(shù)據(jù)生產(chǎn)庫區(qū)真實(shí)三維場(chǎng)景模型，結(jié)合構(gòu)建的水利工程重點(diǎn)區(qū)BIM模型，通過多平臺(tái)、多技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)了水利工程項(xiàng)目多元化產(chǎn)品的生產(chǎn)[7-9]。

2.1 控制測(cè)量及外業(yè)航飛影像獲取

根據(jù)測(cè)區(qū)的形狀及成圖比例尺要求，構(gòu)建了東西方向的航測(cè)路線，其中航向重疊度為80%，旁向重疊度為60%，影像分辨率為7 cm。測(cè)區(qū)采用均勻布控，為增加航帶間的穩(wěn)固性，像控點(diǎn)主要布設(shè)于旁向重疊區(qū)，測(cè)區(qū)共布設(shè)像控點(diǎn)31個(gè)、檢核點(diǎn)40個(gè)。飛行完成后，對(duì)照片的質(zhì)量進(jìn)行初步檢查。航線及像控規(guī)劃如圖3所示，像控測(cè)量如圖4所示。

2.2 空三處理及4D產(chǎn)品生產(chǎn)

無人機(jī)攜帶的相機(jī)多為非量測(cè)型相機(jī)，畸變比較嚴(yán)重，如果未能很好地消除相片畸變，對(duì)于空三成果影響巨大，甚至在立體測(cè)圖時(shí)出現(xiàn)波浪狀且像對(duì)間接邊差非常大，難以控制精度。本文項(xiàng)目中，采用逐格網(wǎng)畸變的方法對(duì)原始相片進(jìn)行畸變校正，傳統(tǒng)的畸變參數(shù)主要為K1—K4、P1、P2、A、B等，為了更好地?cái)M合索尼RX1RM2相機(jī)的畸變信息，在此基礎(chǔ)上加入了K5、K6參數(shù)，通過特殊的檢校場(chǎng)及檢校算法，采用畸變擬合的方式計(jì)算出相機(jī)的參數(shù)，以此更好地消除了原始照片的畸變。根據(jù)機(jī)載GPS數(shù)據(jù)與地面站GPS數(shù)據(jù)的聯(lián)合解算，得到了高精度的照片曝光瞬間中心點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)，利用布爾莎七參數(shù)模型，將這些經(jīng)緯度坐標(biāo)及橢球高轉(zhuǎn)換為1980西安坐標(biāo)系和1985國家高程。在未加入控制點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化的情況下，預(yù)測(cè)點(diǎn)的精度達(dá)到2～3個(gè)像元(實(shí)線為預(yù)測(cè)位置，虛線為刺點(diǎn)位置)，如圖5所示，這是在保證精度的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)稀少控制的主要原因。完成以上操作后，在UAV Manager智拼圖模塊下，進(jìn)行特征提取與匹配、空三計(jì)算，完成后刺控制點(diǎn)并進(jìn)行空三優(yōu)化，空三精度檢查無誤后，直接生成DOM、DEM、DSM。導(dǎo)出立體測(cè)圖工程，在立體測(cè)圖模式下，首先對(duì)檢核點(diǎn)精度進(jìn)行檢查，精度滿足項(xiàng)目要求，方可開始立體測(cè)圖作業(yè)，實(shí)現(xiàn)DLG的生產(chǎn)。由于空三匹配中連接點(diǎn)之間的迭代性，大量的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)證明，空三報(bào)告精度并不能代表成圖精度，因此在大型生產(chǎn)項(xiàng)目中，首先要在立體測(cè)圖模式下檢核檢查點(diǎn)精度，精度滿足測(cè)圖需要后，方可進(jìn)行全面的DLG生產(chǎn)作業(yè)，如圖6—圖8所示。

通過立體模型進(jìn)行檢核點(diǎn)精度檢查，以及外業(yè)補(bǔ)圖和查圖的精度檢驗(yàn)。使用F200無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在稀少控制下的高精度測(cè)圖，檢核點(diǎn)中誤差為0.18 m，達(dá)到了水利工程1∶1000地形圖的精度要求，極大地減少了人為外業(yè)工作量，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

2.3 基于垂直攝影及BIM技術(shù)的三維場(chǎng)景構(gòu)建

筆者在多年的水利行業(yè)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于大型的水利項(xiàng)目，三維場(chǎng)景所展現(xiàn)的直觀性更能反映出水利工程的真實(shí)情況，因此備受青睞。通過無人機(jī)攜帶多鏡頭相機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量的方式可以獲取測(cè)區(qū)精準(zhǔn)的三維模型，但是效率低、成本高、生產(chǎn)周期長。基于傾斜三維模型進(jìn)行測(cè)圖，不僅效率低，而且細(xì)節(jié)表達(dá)也不夠清晰。對(duì)于水利三維場(chǎng)景的構(gòu)建，居民地等建筑設(shè)施反而不是設(shè)計(jì)單位關(guān)注的重點(diǎn)。本文項(xiàng)目嘗試使用UAV Manager 3.0版軟件基于垂直攝影的成果構(gòu)建三維模型，雖然建筑物的側(cè)面紋理無法比擬多鏡頭傾斜攝影測(cè)量，但能較好地反映出工程區(qū)的三維場(chǎng)景，山體的側(cè)面紋理比較理想，如圖9所示。因此，通過第三方軟件構(gòu)建重點(diǎn)關(guān)注區(qū)如大壩、泵站、溢洪道、建管處等BIM模型，并疊加于庫區(qū)的三維場(chǎng)景中，即可實(shí)現(xiàn)水利工程施工完成后的真實(shí)三維場(chǎng)景構(gòu)建。該方法相比于多鏡頭傾斜攝影測(cè)量的方式構(gòu)建三維場(chǎng)景，大大減少了成本和時(shí)間，這對(duì)于項(xiàng)目在可研階段分析庫區(qū)淹沒范圍、展示大壩真實(shí)位置及形態(tài)、專家評(píng)審等方面效果良好。

在袁灣水庫項(xiàng)目中，利用F200無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行垂直攝影數(shù)據(jù)獲取，完成4D產(chǎn)品生產(chǎn)后，構(gòu)建了庫區(qū)OSGB格式的三維現(xiàn)狀場(chǎng)景。根據(jù)設(shè)計(jì)方面提供的大壩位置、尺寸、樣式等信息，基于3ds Max軟件構(gòu)建了真實(shí)的大壩BIM模型，并轉(zhuǎn)換成OSGB格式的切塊，如圖10所示。根據(jù)淹沒區(qū)面積在軟件材料庫中制作靜態(tài)水面，依據(jù)平面位置疊加到庫區(qū)OSGB格式的三維模型中，通過ContextCapture生成S3C索引，實(shí)現(xiàn)多模型的疊加。在項(xiàng)目的可研階段，即可真實(shí)地展示大壩完工后在三維場(chǎng)景中的形態(tài)，以及庫區(qū)在設(shè)計(jì)淹沒高程內(nèi)的淹沒區(qū)域，如圖11所示，為業(yè)主單位提供了真實(shí)數(shù)據(jù)模擬的直觀效果，在項(xiàng)目的評(píng)審階段，可以使評(píng)審專家從多角度、多方位、多比例了解庫區(qū)的基本情況和大壩信息[10]。

3 結(jié) 語

多元化的航測(cè)產(chǎn)品正在改變著人們對(duì)測(cè)量成果的認(rèn)知，BIM技術(shù)已成為水利行業(yè)發(fā)展的方向，并逐漸成為智慧水利的支撐。本文通過理論與實(shí)踐相結(jié)合，探索了一種基于無人機(jī)單相機(jī)垂直攝影高精度測(cè)圖的方法，在大型的水利工程中得到了驗(yàn)證；并以垂直攝影成果為基礎(chǔ)，構(gòu)建了庫區(qū)三維場(chǎng)景，結(jié)合單體化BIM模型實(shí)現(xiàn)了大型水利工程多維三維場(chǎng)景的構(gòu)建，可為其他水利工程項(xiàng)目的應(yīng)用提供一定的借鑒。