實景三維空間信息模型技術在長江大保護建設中的應用

周 偉 周亞超

中國建筑第二工程局有限公司 北京 100010

1 項目總體概況

長江大保護岳陽項目王家河項目總投資7.32億元，建安費5.55億元。王家河全長約7 km，平均水深約2 m。項目主要建設內容包括新建管網55 km、新建調蓄池1座（20 000 m3）、生態濾池1座（10 000 m3/d）、河道清淤及淤泥處理（162 900 m3）、14處排口強化、7套水動力提升設備、管網清淤及修復（圖1）。

圖1 王家河項目區域

王家河項目點多面廣、施工區域分散，施工范圍區域面積約10 km2。項目通過傾斜攝影技術和激光雷達技術的融合建立王家河項目實景三維空間信息模型，以減少現場踏勘、測量等工作量。其中無人機激光雷達技術的應用，能提供植被覆蓋區域地面點的準確高程。

2 相關技術應用簡介

2.1 傾斜攝影技術

傾斜攝影技術通過從不同視角同步采集影像，獲取空間物理信息，通過數據處理、融合、建模等技術生成高分辨率、高精度的三維城市模型[1]。王家河項目傾斜攝影技術達到的分辨率為3 cm，模型能夠真實地反映王家河項目區域情況，還可以進行空間信息數據的獲取。

2.2 無人機激光雷達技術

無人機激光雷達技術是在無人機上搭載激光雷達平臺，通過發射激光光束實現空中探測目標，以生成精確的三維立體圖像[2]。王家河項目部分區域地形起伏、植被多，利用激光雷達可以穿透植被準確地獲取高精度空間環境信息的優點，將雷達數據與傾斜攝影數據融合，達到提高模型精度的目的，完成后可自動生成DEM（數字高程模型）、等高線、DLG（數字線劃圖）等。

2.3 實景三維空間信息模型

通過傾斜攝影技術和無人機激光雷達技術構建實景三維空間信息模型，其主要分為2個步驟：一是外業數據采集，二是內業數據處理。其中內業數據處理包括多次空三解算、mesh三維模型及初修、雷達數據與三維傾斜模型融合等。通過實景三模模型可以直接查看每個區域的實際情況，可獲取模型中每個點的空間數據（坐標、高程等）、挖填方量等，同時為項目后期建立空間地理信息數據專題庫提供基礎數據，提升運營管理效率。

3 項目應用過程

3.1 飛行平臺和航攝設備準備

1）飛行平臺：大疆M600型，單架次續航時間約25 min，正常續航速度60 km/h，六旋翼無人機，采用自主飛行模式，航線自動生成，航向分辨率不低于75%，旁向重疊率不低于70%。

2）航攝相機：五鏡頭相機（賽爾100S），總像素為1.2億，焦距為35 mm。

3）雷達設備：無人機（大黃蜂）1臺、機載雷達（瑞格）1臺。單次飛行30 min左右。

3.2 無人機作業

無人機作業流程如圖2所示，作業成果如圖3所示。

圖2 航空攝影測量工作流程

圖3 拍攝成果

3.3 雷達作業

雷達作業流程如圖4所示，作業成果如圖5所示。

圖4 雷達作業流程

圖5 點云解算成果及DEM成果

3.4 操作要點

3.4.1 準備階段

1）作業前需確定測區是否為禁飛區或限飛區，并辦理相關手續。王家河項目西側有鐵路線路，作業前需提前與鐵路公安進行對接。

2）根據項目原始地貌要求確定建模精度，采取航拍照片3 cm分辨率精度，建立1∶500地形模型。

3）分析現場障礙物，確定航測無人機飛行高度，如果存在較高建筑物或其他障礙物，采取對影響飛行的障礙物區域單獨航拍的方式解決。

4）現場踏勘確定無人機起飛、降落地區，防止無人機使用時因環境因素影響航拍效率。

5）像控點布設：

① 像控點的數量及精度會直接影響航測生成模型的精度，對像控點的選擇與布設應當嚴格、規范、精確。

② 項目像控點采取每300 m布設一個點，成矩形排布，點位使用紅色油漆噴涂標記。

③ 像控點布設采用GPS測量儀，按布點位置記錄該點位的原始坐標信息（經緯度及高程）。

3.4.2 外業采集階段

1）根據無人機單次飛行時間制定測區布設，對單次飛行路線提前制定，并設定拍攝距離。

2）無人機航測區域要求：以項目紅線范圍為界，超過約200 m。其目的是保證紅線區域模型建立的精確性。

3）無人機航測過程中的照片POS數據采用PPK天線與地面GPS測量儀進行確定，保證照片定位數據精度滿足建模精度要求。

4）航測過程中必須保證天氣條件為陰天或者晴天，確保整個過程的安全性。天氣條件對后期模型的生成效果也有影響，應避開霧天、霾較重的天氣。

5）控點布設時，必須采取雙人協作，避免單人作業不易發現危險源，從而導致安全事故發生。

6）任何人不得在無人機起飛、降落時靠近無人機。

3.4.3 內業數據處理階段

1）將GPS記錄的點位數據導出，將坐標信息與照片重新加載，實現照片POS數據更新。

2）在Smart 3D軟件中導入航測影像及更新后的POS數據，在軟件端進行第1次空三解算。因為航測面積大，無人機采集的數據量極大，所以空三解算消耗資源多、時間長，通過第1次空三解算測試影像和坐標信息的正確性。

3）復測解算完成的點云數據。無大的坐標偏差問題后，對圖像進行“刺點”操作，即將航測前期確定的像控點坐標在圖像中一一對應定位，提高模型生成精度，由真實點位坐標控制模型點位坐標，減小累計誤差。

4）完成第2次空三解算后，對模型進行渲染生成，選擇輸出OSGB格式模型。

5）模型渲染完成后，需要針對模型明顯缺陷進行修補，主要修補部分為水面、大型玻璃幕墻、路面等。

6）模型點位數據導出時，點位設置為每0.5 m一個，地勢變化較大的區域單獨增加點位，保證數據提取精細度。

3.5 模型精準度抽驗

隨機抽取模型數據，與GPS RTK數據進行對比。當對比數據偏差較大時，應進行相關區域的技術復核。

4 實景三維空間信息模型成果應用

4.1 高度及距離測量

模型生成后，距離量測、坐標獲取、高程獲取、土方量計算等測量工作可直接在模型中提取數據，各類數據完全滿足設計、施工需求。

4.2 土方量計算

采用土方量自動計算功能。通過定義挖填范圍，直接提取相關土方量，輔助項目開展完成施工前策劃，包括資源配置準備、土方量調配部署、進度計劃的編制等，同時為后期結算提供參考依據。

4.3 坐標提取

現場施工過程中可直接利用模型進行坐標和高程提取。因三維模型與現場實際情況吻合，故展示坐標區域更加直觀，便于具體位置的獲取。

4.4 現場情況展示

由于三維模型精度較高，故現場情況可利用三維模型進行直觀展示，減少現場踏勘工作量。

4.5 應用效果及效益分析

4.5.1 項目規劃設計階段

通過實景三維空間信息模型，大大減少了現場踏勘調研工作量，同時結合DLG線劃圖，極大地提高了設計的工作效率。設計院在向建設單位、政府部門匯報設計方案時結合該模型，大大提高了匯報的效率。

4.5.2 項目施工階段

1）項目原計劃配置8名測量人員開展項目原始地貌信息采集復核工作，通過本技術，只需配置5名測量人員及相應設備，大大優化了人員及設備配置，同時原計劃50 d完成的測量工作僅花費了15 d時間。該模型生成的數據也得到了監理單位的認可。

2）項目施工單位在施工部署階段，利用該技術進行現場踏勘、協調征拆、方案策劃工作，特別是在編制交通導行、土方調配、材料堆放等方面發揮了極大的作用，大大減少了現場反復踏勘工作，提高了工作效率。

3）本項目部分新建管道工程緊鄰小區房屋、街邊商戶施工，施工前需組織人力對沿線建筑物進行影像拍攝，避免施工過程中與建筑物權屬人發生不必要的糾紛。該技術的現場影像采集工作，提前完成了上述工作，縮短了施工前準備時間，提高了施工效率。

4.5.3 初步產生的效益

該技術需采購專業的軟硬件設備，成本較高。經測算，單個項目使用產生的直接經濟效益基本與成本持平，因此需由公司統一采購，多個項目使用后，其軟硬件成本將直線下降。本項目使用效益如下（不計算采購成本）：

1）減少測量人員及設備配置方面：約20萬元。

2）實地踏勘時間：每平方公里節約時間1.5 d左右，共計節約時間15 d。

3）成圖時間：相較于傳統方法，該技術可節約30 d。

4）減少復雜環境下進行踏勘時存在的潛在安全隱患。

5）在輔助施工部署策劃方面間接創造了經濟效益。

5 結語

通過項目實際應用，該實景三維空間信息模型具有精度高、可視化強、兼容性高等優點，解決了傳統市政水務項目點多面廣、施工范圍環境復雜、踏勘工作量大、踏勘工作難等問題。同時，該模型為建筑業信息化技術應用提供了支撐，在類似工程施工時具有很好的應用前景。

[1] 吳國梅.基于傾斜攝影測量技術構建實景三維模型的方法[J].世界 有色金屬,2017(9):296.

[2] 李清泉,李必軍.激光雷達測量技術及其應用研究[J].武漢測繪科技 大學學報,2000(5):387-392.