傾斜攝影技術(shù)在河道整治中的應(yīng)用

鐘棉卿，隋立春

（1.中交通力陜西環(huán)境綠化工程有限公司，陜西 西安 710075；2.長安大學(xué)，陜西 西安 710054）

河道是重要的水利設(shè)施和生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，基于河道現(xiàn)狀調(diào)查開展河道整治工程是水利規(guī)劃的重要環(huán)節(jié)。為摸清河道的數(shù)量、長度、沖刷和淤積情況、水環(huán)境狀況及管護狀況，為河道綜合治理提供現(xiàn)勢的基礎(chǔ)資料，需要開展大量辛苦的河道實地調(diào)查和野外勘測工作。傳統(tǒng)的現(xiàn)狀調(diào)查與測量工作需要到野外實地勘察與測繪，勞動強度大，作業(yè)效率低，有些危險區(qū)域不可達，給外業(yè)工作帶來了極大的難度。本文將日漸成熟的無人機傾斜攝影技術(shù)引入到河道整治工程，不僅能為河道整治工程提供現(xiàn)勢的地形地貌資料，還能基于傾斜攝影技術(shù)生成的實景真三維模型在室內(nèi)開展現(xiàn)狀調(diào)查，大幅減少外業(yè)工作量，并有利于形成工程管理的數(shù)字化檔案，記錄河道整治的全過程。

1 傾斜攝影測量技術(shù)簡介

傾斜攝影技術(shù)通過在無人機平臺上搭載多個傳感器，從多個視角同步采集地表形態(tài)的高分辨率影像，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，不僅能得到真正射影像和數(shù)字高程模型，生成大比例尺地形圖，還能基于地表豐富的真實紋理信息獲取精細的真實感三維地面模型。基于三維地面模型還能提供對象普查、實體量測、場景漫游、形態(tài)記錄等相關(guān)技術(shù)服務(wù)。無人機傾斜攝影技術(shù)已普遍應(yīng)用于三維城市模型、國土安全、土地規(guī)劃、林業(yè)、電力、石油等行業(yè)領(lǐng)域。

相比以垂直角度拍攝地面的傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)，無人機傾斜攝影能同時獲取多個視角的同步影像，如五鏡頭相機采用1 個垂直和四個傾斜視角的相機同時獲取地物頂面和側(cè)面的影像，以極高的重疊度覆蓋了地物的各個部分，能實現(xiàn)目標(biāo)的快速建模。其技術(shù)優(yōu)勢還在于：

（1）技術(shù)先進，建模成本低

無人機傾斜攝影融合了無人機、傾斜攝影和數(shù)字建模等多種高新技術(shù)，從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理的作業(yè)流程基本實現(xiàn)了自動化。無人機系統(tǒng)配套有航線設(shè)計軟件，飛行成本低，獲取的影像質(zhì)量高，傾斜攝影的多鏡頭大幅提高了數(shù)據(jù)采集效率。高度自動化的數(shù)據(jù)處理與建模軟件使無人機傾斜攝影技術(shù)成為當(dāng)前獲取實景三維模型成本很低的成熟解決方案。

（2）數(shù)據(jù)成果多樣、精度高

傳統(tǒng)攝影測量以4D 產(chǎn)品作為最終的數(shù)據(jù)成果，傾斜攝影技術(shù)突破了正射影像的不足，從多個角度采集了地物的豐富信息，基于數(shù)字建模技術(shù)，為用戶提供了符合人眼視覺的真實直觀世界模型，模型精度可達cm 級，精細度高，為基于模型的三維量測和專題調(diào)查提供了數(shù)據(jù)支持。

（3）大幅減少野外調(diào)查與測量工作

基于地表的真三維模型，可以讓用戶從各個角度觀察地物，得到實地的現(xiàn)勢資料，大幅減少實地考察工作[1]，創(chuàng)新了傳統(tǒng)調(diào)查與測量的作業(yè)模式，省時，省力，還便于隨時檢查，對于質(zhì)量控制有重要的價值。基于精細的模型，可以隨時進行三維量測[2]，包括高度、面積、長度、面積、角度、坡度等的量測，而這些測量內(nèi)容利用傳統(tǒng)的測量技術(shù)可能需要很多不同的設(shè)備分別采集。

（4）便于建立數(shù)字化檔案，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享

常規(guī)測量往往服務(wù)于工程建設(shè)的某個階段，如前期的地形圖測量，為設(shè)計方案開展的詳細工程勘測，施工測量、竣工測量等等。每個階段都需要較長的持續(xù)時間，各個階段產(chǎn)生了不同的測量數(shù)據(jù)，不便于對比和管理。傾斜攝影測量技術(shù)能基于實景模型高效的開展細致的數(shù)據(jù)獲取和處理工作，包含的內(nèi)容全面、豐富，再次采集的成本低，便于建立工程管理全過程的數(shù)字化檔案，傾斜攝影技術(shù)獲取的影像和模型的數(shù)據(jù)格式可采用成熟的技術(shù)快速進行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，實現(xiàn)共享應(yīng)用，對于工程的精細化管理有積極的推動作用。

2 工程概況

本工程為延河延安城區(qū)段綜合治理某河道整治工程，治理河道總長23.4 km，其中河道疏導(dǎo)段總長21.2 km，堤岸防護段河道總長7.3 km，修建擋水建筑2 處，形成水面面積11 hm2。主要建設(shè)內(nèi)容包括：擋水工程、河道防護工程、河道清淤工程、交通工程、附屬建筑物、電氣設(shè)備安裝等。

根據(jù)工程需要，采用無人機傾斜攝影技術(shù)為河道整治工程提供數(shù)字化測繪成果，包括：項目前期，生成項目周邊地區(qū)地面分辨率優(yōu)于0.2 m 的數(shù)字正射影像圖，提供沿河地帶兩側(cè)外擴(100 m～200 m)的 1∶1000 帶狀地形圖和建（構(gòu)）筑物地區(qū)1∶500 的區(qū)域地形圖，并實地調(diào)查河道淤積、水污染及管護狀況，為河道整治的方案設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)方案，確定清淤量，繪制整治前后的縱、橫斷面圖。在工程竣工后，生成河道整治后的可量測的三維實景模型。

3 河道整治傾斜攝影測量技術(shù)流程

河道整治的目的在于恢復(fù)和改善河道原有的功能，加強對河道的監(jiān)控，調(diào)查河道水源污染、垃圾污染、河底淤積抬高、河道堵塞、河岸侵占等現(xiàn)象，并提供相關(guān)的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)減少水災(zāi)、提升防洪排澇能力、保護和改善沿河兩岸的生態(tài)環(huán)境等任務(wù)。傾斜攝影技術(shù)能快速提供地表的真實形態(tài)，基于三維模型很快能得到河道現(xiàn)狀資料，同時獲取各種專題的實況信息，數(shù)據(jù)獲取的成本低，成果質(zhì)量高，非常適合于河道整治的工作內(nèi)容。本文根據(jù)傾斜攝影測量的主要技術(shù)要點和河道整治的關(guān)注點整理了一個河道整治傾斜攝影測量技術(shù)流程，主要包括：航飛設(shè)計、控制測量、無人機傾斜攝影實施、航攝內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、三維建模與基于三維模型的數(shù)據(jù)采集[3]六個主要環(huán)節(jié)。

3.1 航飛設(shè)計

本工程采用利用大疆精靈無人機搭載五鏡頭傾斜攝影測量相機。按照設(shè)計比例尺的成圖要求及無人機飛行飛控軟件設(shè)計飛行方案。設(shè)計總體航線為“Y”字形，根據(jù)測區(qū)兩岸的山區(qū)地形和建筑高度，分三次飛行。敷設(shè)4 條航線，相對航高100 m～200 m，獲取航片4132 張。影像地面分辨率優(yōu)于0.02 m，河道兩岸的航向重疊度和旁向重疊度分別設(shè)置為80%、60%，下視角相機垂直角度拍攝，4 個不同朝向的傾斜相機側(cè)視角設(shè)置為-45°。飛行速度8 m/s。

3.2 控制測量

本工程共布設(shè)像控點15 個，檢查點3 個，全部為平高點。像控點位于帶狀測區(qū)左右兩側(cè)，基本采用“S”型路線布點，像控點完全覆蓋施工區(qū)域。像控點測量采用RTK 方式方法對中測量3 次，取平均值作為最終控制點成果。

3.3 無人機傾斜攝影實施

考慮到氣象條件對航飛的影響，選擇了能見度好，碧空無云的晴朗天氣實施飛行，逐條航線使用同一架次在兩天內(nèi)完成航飛任務(wù)。飛行結(jié)束后，對獲取的航攝資料質(zhì)量進行檢查包括。檢查的主要內(nèi)容有：影像的清晰度，影像的色調(diào)，確保水系要素在照片上清晰可辨，地物輪廓完整，相鄰的影像間相同地物色調(diào)一致。

3.4 航攝內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

3.4.1 空中三角測量

本項目傾斜航空攝影的空中三角測量在ContextCaptureCenter 軟件下完成。首先進行航片整理和影像質(zhì)量檢查，保證順序一致。并將定位定姿（POS）文件也放入相應(yīng)的架次文件夾內(nèi)。設(shè)置相機參數(shù)，和影像對應(yīng)的pos 文件的位置、最后設(shè)置坐標(biāo)系統(tǒng)，影像路徑等參數(shù)，形成block 文件。

3.4.2 空三加密

本工程采用ContextCaptureCenter 軟件自動進行空三加密。空三加密結(jié)束后，對加密精度各項指標(biāo)進行檢查，滿足航攝內(nèi)業(yè)規(guī)范中定向點、檢查點、區(qū)域網(wǎng)公共點的精度要求后提交下工序生產(chǎn)實景三維模型使用。

3.5 三維建模

本項目主要采用ContextCaptureCenter 軟件實現(xiàn)實景三維自動化生產(chǎn)。軟件內(nèi)設(shè)影像密集匹配算法，自動匹配出所有影像中的同名點，并從傾斜影像中提取更多的特征點構(gòu)成三維密集點云，從而更精確地表達地物的細節(jié)。軟件基于瓦片技術(shù)，將建模區(qū)域分割為很多個正方形“Tile”，每個“Tile”的面積可以根據(jù)計算機配置設(shè)置。采用并行機制，將每個“Tile”的三維模型建立打包成為一個任務(wù)，自動分配節(jié)點，進行測區(qū)三維模型生產(chǎn)，獲取的三模型格式為OSGB。

3.6 基于三維模型河道現(xiàn)狀調(diào)查和數(shù)據(jù)采集

3.6.1 河道現(xiàn)狀調(diào)查

基于精細的三維實景模型，可開展的調(diào)查內(nèi)容有：

（1）河道兩側(cè)的非法侵占地。河道兩岸常存在雜草、茂密植被、護河林或沿河建筑，野外實測非常困難。通過實景三維模型可以清晰的看到兩岸復(fù)雜的環(huán)境，清查沿岸堆積的雜物，違章建筑等，還能勾勒出侵占的范圍輪廓，注明可辨別的侵占類型。

（2）河道現(xiàn)狀調(diào)查。根據(jù)河道水體的顏色，辨別水污染、固體廢棄物污染、床淤積、沖刷等清況[4]，對水質(zhì)復(fù)雜的區(qū)域標(biāo)識實地探查符。當(dāng)水質(zhì)清澈時，水體建模特征點不足，易在局部建模失敗，可參考影像進行水質(zhì)調(diào)查。圖1 為基于實景三維模型的水質(zhì)調(diào)查和基于影像的水質(zhì)調(diào)查。

（3）巡察非法排污，包括工業(yè)污染和生活污水的不當(dāng)排放口進行調(diào)查。基于三維實景模型可以排查位置隱蔽排污口，避開實地巡查壁壘，有獨特的巡視效果。

圖1 河道整治工程水質(zhì)調(diào)查

3.6.2 數(shù)據(jù)采集

基于大比例尺地形圖需求，在采集地形要素基礎(chǔ)上，重點采集水文要素。數(shù)據(jù)采集、編輯在清華山維EPS 地理信息工作站完成。直接在三維實景模型上采集，對于有遮擋的模型缺漏或變形區(qū)進行實地補測。數(shù)據(jù)采集過程中對能定性地物或現(xiàn)象的類別盡量定性，按照地形圖編碼要求賦予地物編碼，以減少外業(yè)調(diào)查工作量，對于不能定性的地物或現(xiàn)象賦予特殊的編碼，如“1”。數(shù)據(jù)采集過程中嚴(yán)格進行錯、漏檢查，對未按模型采集或漏采的地物、地貌應(yīng)當(dāng)重測或補測。

在工程中也發(fā)現(xiàn)了這項技術(shù)存在的一些不足，如河道兩側(cè)密集的植被容易遮擋河道的邊線，五鏡頭相機不能完全采集到遮擋區(qū)域，造成建模時的變形較大。另外，清澈的水面上提取的特征點稀少，易產(chǎn)生建模漏洞，還需要另外的修模工作等。

4 結(jié)語

利用無人機傾斜攝影技術(shù)不僅能獲取河道整治工程所需的大比例尺地形圖、縱、橫斷面圖，還能高效的獲取大范圍、高精度的三維實景模型，直接服務(wù)于河道現(xiàn)狀調(diào)查、河道測量、水污染調(diào)查和河岸占地非法占地調(diào)查等，具有廣闊的應(yīng)用空間。本文基于傾斜攝影技術(shù)原理及其技術(shù)優(yōu)勢，并結(jié)合工程實例提出使用無人機傾斜攝影技術(shù)開展河道整治工程的實施流程，探討將此項新技術(shù)應(yīng)用于河道整治工程的適用性。隨著傾斜攝影測量技術(shù)的快速發(fā)展和日漸成熟，可以預(yù)見無人機傾斜攝影測量技術(shù)在水利工程領(lǐng)域會有廣泛的應(yīng)用。