傾斜攝影技術在河道整治中的應用

鐘棉卿，隋立春

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

河道是重要的水利設施和生態環境的重要組成部分，基于河道現狀調查開展河道整治工程是水利規劃的重要環節。為摸清河道的數量、長度、沖刷和淤積情況、水環境狀況及管護狀況，為河道綜合治理提供現勢的基礎資料，需要開展大量辛苦的河道實地調查和野外勘測工作。傳統的現狀調查與測量工作需要到野外實地勘察與測繪，勞動強度大，作業效率低，有些危險區域不可達，給外業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引入到河道整治工程，不僅能為河道整治工程提供現勢的地形地貌資料，還能基于傾斜攝影技術生成的實景真三維模型在室內開展現狀調查，大幅減少外業工作量，并有利于形成工程管理的數字化檔案，記錄河道整治的全過程。

1 傾斜攝影測量技術簡介

傾斜攝影技術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的高分辨率影像，經數據處理，不僅能得到真正射影像和數字高程模型，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、形態記錄等相關技術服務。無人機傾斜攝影技術已普遍應用于三維城市模型、國土安全、土地規劃、林業、電力、石油等行業領域。

相比以垂直角度拍攝地面的傳統航空攝影技術，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面的影像，以極高的重疊度覆蓋了地物的各個部分，能實現目標的快速建模。其技術優勢還在于：

（1）技術先進，建模成本低

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

（2）數據成果多樣、精度高

傳統攝影測量以4D 產品作為最終的數據成果，傾斜攝影技術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，基于數字建模技術，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查提供了數據支持。

（3）大幅減少野外調查與測量工作

基于地表的真三維模型，可以讓用戶從各個角度觀察地物，得到實地的現勢資料，大幅減少實地考察工作[1]，創新了傳統調查與測量的作業模式，省時，省力，還便于隨時檢查，對于質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，而這些測量內容利用傳統的測量技術可能需要很多不同的設備分別采集。

（4）便于建立數字化檔案，實現數據共享

常規測量往往服務于工程建設的某個階段，如前期的地形圖測量，為設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時間，各個階段產生了不同的測量數據，不便于對比和管理。傾斜攝影測量技術能基于實景模型高效的開展細致的數據獲取和處理工作，包含的內容全面、豐富，再次采集的成本低，便于建立工程管理全過程的數字化檔案，傾斜攝影技術獲取的影像和模型的數據格式可采用成熟的技術快速進行網絡發布，實現共享應用，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。主要建設內容包括：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、電氣設備安裝等。

根據工程需要，采用無人機傾斜攝影技術為河道整治工程提供數字化測繪成果，包括：項目前期，生成項目周邊地區地面分辨率優于0.2 m 的數字正射影像圖，提供沿河地帶兩側外擴(100 m～200 m)的 1∶1000 帶狀地形圖和建（構）筑物地區1∶500 的區域地形圖，并實地調查河道淤積、水污染及管護狀況，為河道整治的方案設計提供基礎數據。根據方案，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流程

河道整治的目的在于恢復和改善河道原有的功能，加強對河道的監控，調查河道水源污染、垃圾污染、河底淤積抬高、河道堵塞、河岸侵占等現象，并提供相關的數據，實現減少水災、提升防洪排澇能力、保護和改善沿河兩岸的生態環境等任務。傾斜攝影技術能快速提供地表的真實形態，基于三維模型很快能得到河道現狀資料，同時獲取各種專題的實況信息，數據獲取的成本低，成果質量高，非常適合于河道整治的工作內容。本文根據傾斜攝影測量的主要技術要點和河道整治的關注點整理了一個河道整治傾斜攝影測量技術流程，主要包括：航飛設計、控制測量、無人機傾斜攝影實施、航攝內業數據處理、三維建模與基于三維模型的數據采集[3]六個主要環節。

3.1 航飛設計

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。按照設計比例尺的成圖要求及無人機飛行飛控軟件設計飛行方案。設計總體航線為“Y”字形，根據測區兩岸的山區地形和建筑高度，分三次飛行。敷設4 條航線，相對航高100 m～200 m，獲取航片4132 張。影像地面分辨率優于0.02 m，河道兩岸的航向重疊度和旁向重疊度分別設置為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視角設置為-45°。飛行速度8 m/s。

3.2 控制測量

本工程共布設像控點15 個，檢查點3 個，全部為平高點。像控點位于帶狀測區左右兩側，基本采用“S”型路線布點，像控點完全覆蓋施工區域。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完成航飛任務。飛行結束后，對獲取的航攝資料質量進行檢查包括。檢查的主要內容有：影像的清晰度，影像的色調，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一致。

3.4 航攝內業數據處理

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量檢查，保證順序一致。并將定位定姿（POS）文件也放入相應的架次文件夾內。設置相機參數，和影像對應的pos 文件的位置、最后設置坐標系統，影像路徑等參數，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。空三加密結束后，對加密精度各項指標進行檢查，滿足航攝內業規范中定向點、檢查點、區域網公共點的精度要求后提交下工序生產實景三維模型使用。

3.5 三維建模

本項目主要采用ContextCaptureCenter 軟件實現實景三維自動化生產。軟件內設影像密集匹配算法，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成三維密集點云，從而更精確地表達地物的細節。軟件基于瓦片技術，將建模區域分割為很多個正方形“Tile”，每個“Tile”的面積可以根據計算機配置設置。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，自動分配節點，進行測區三維模型生產，獲取的三模型格式為OSGB。

3.6 基于三維模型河道現狀調查和數據采集

3.6.1 河道現狀調查

基于精細的三維實景模型，可開展的調查內容有：

（1）河道兩側的非法侵占地。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雜的環境，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）河道現狀調查。根據河道水體的顏色，辨別水污染、固體廢棄物污染、床淤積、沖刷等清況[4]，對水質復雜的區域標識實地探查符。當水質清澈時，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調查。圖1 為基于實景三維模型的水質調查和基于影像的水質調查。

（3）巡察非法排污，包括工業污染和生活污水的不當排放口進行調查。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 河道整治工程水質調查

3.6.2 數據采集

基于大比例尺地形圖需求，在采集地形要素基礎上，重點采集水文要素。數據采集、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進行實地補測。數據采集過程中對能定性地物或現象的類別盡量定性，按照地形圖編碼要求賦予地物編碼，以減少外業調查工作量，對于不能定性的地物或現象賦予特殊的編碼，如“1”。數據采集過程中嚴格進行錯、漏檢查，對未按模型采集或漏采的地物、地貌應當重測或補測。

在工程中也發現了這項技術存在的一些不足，如河道兩側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，易產生建模漏洞，還需要另外的修模工作等。

4 結語

利用無人機傾斜攝影技術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，直接服務于河道現狀調查、河道測量、水污染調查和河岸占地非法占地調查等，具有廣闊的應用空間。本文基于傾斜攝影技術原理及其技術優勢，并結合工程實例提出使用無人機傾斜攝影技術開展河道整治工程的實施流程，探討將此項新技術應用于河道整治工程的適用性。隨著傾斜攝影測量技術的快速發展和日漸成熟，可以預見無人機傾斜攝影測量技術在水利工程領域會有廣泛的應用。