無人機傾斜攝影地理信息采集在湖南省蒙公塘水文站的應用

李穎 毛俊杰

（湖南省水文儀器設備檢測中心 湖南長沙 410000）

當前，水利信息化朝著應用物聯網、大數據、云計算、移動互聯網和人工智能等新一代空間信息技術方向發展，實現對水利對象及活動的服務，這也是水利基礎測繪工作的新課題，將面臨著更廣的現實需求。其在實現流域高質量發展中的基礎性作用不斷強化，一是要繼續滿足傳統的流域規劃等方面的需求，提供傳統的以4D產品（DOM（數字正射影像圖）、DEM（數字高程模型）、DRG（數字柵格地圖）、DLG（數字線劃地圖））為主的基礎地理信息產品；二是要滿足新時代背景下“水利工程補短板、水利行業強監管”、智慧水利、流域動態監測、精準水情預報等愈來愈多樣化、定制化的新需求，提供各種尺度的從三維實體模型到一體化場景的地理信息產品［1］。

湖南省水文儀器設備檢測中心組織實施基本水文站的無人機傾斜攝影地理信息采集工作，對水文站上、下游河段及周邊進行三維建模，成果將應用于內部信息平臺、四水項目、縣市級平臺、公眾服務平臺，讓受眾可直觀查看河段三維實景、水情實景模擬。

1 現狀分析

湖南水文測繪體系建設進程中，以服務于防洪減災、流域規劃、河湖治理、公眾應用為目的，著重提升快速、高精度三維河道數據獲取、處理與分析等方面的綜合服務能力。當前，由于技術限制，仍然存在一些問題和不足。例如，水下地形測繪、三維建模工作量大；基礎信息更新時效性不強；地形的應急測繪能力不足，難以滿足時效和精度的需求，亟需進一步提高三維河道空間數據快速獲取、處理及分析能力；河湖測繪的產品形式較為原始、單一，難以全方位地滿足現代江河治理與水利建設的需要［2］。

針對幾類問題，需要在以下兩方面重點改善：（1）打通快速獲取高精度三維空間數據瓶頸，為應急需求提供基礎保障；（2）建設湖南水文基礎地理服務平臺，提供更豐富，形式更多樣的測繪成果產品。因此，無人機傾斜攝影地理信息采集及三維建模成果可作為湖南水文的服務產品之一。無人機傾斜攝影地理信息采集及三維建模完成后，三維模型為今后進行測站基本信息展示、淹沒分析等提供數據支撐，是整個四水系統建設的重要一環。

2 技術路線

近年來，無人機產業快速發展，并在國防、公安、水利、電力、國土、農林、石油、勘測、娛樂等行業廣泛應用。同時，無人機控制技術、數碼航攝技術及影像處理技術的不斷成熟，成功解決了傳統攝影測量上技術的困難和傳統測繪成本高、強度大的問題，無人機航測系統成為繼全站儀、RTK（實時動態定位）后新一代的測繪技術裝備［3］。傾斜攝影技術是國際上新發展起來的高新技術，它搭載多臺傳感器，從5個不同的角度對采集對象進行攝影（1 個垂直角度和4 個傾斜角度）。基于無人機航測及傾斜攝影技術生產的4D 產品和實景三維模型已廣泛應用于國民經濟建設的各個領域。

本中心開展了專題研究，多次深入水文測站現場進行實地試飛，探索最好的采集方法。通過不斷反復實踐比較，確立了查勘采集現場、確定采集范圍、布置采集控制點、測定經緯度及高程、設定軟件參數、獲取現場地理信息、數據處理生成等工作措施，找到了最合適的無人機野外采集水文測站三維地理信息的辦法［4］。

3 系統組成

無人機傾斜攝影地理信息采集在蒙公塘水文站通過航測無人機搭載攝像機對流域進行拍攝，實現影像數據采集，對采集到的影像采用專業影像數據處理軟件進行處理，形成規范的數據產品，再對采集的影像進行三維建模。系統組成見圖1，傾斜影像特點如下。

圖1 無人機傾斜攝影地理信息采集項目系統組成圖

（1）能反映流域周邊最真實的狀況。與正射影像相比，傾斜影像能提供多角度觀察地物，能更好地反映出流域的實際狀況，彌補了正射影像的不足。

（2）可進行單張影像的量測。通過影像處理軟件的應用，可基于影像成果直接進行長度、高度、面積、坡度、角度、剖面等的量測及堆積體體積的計算，使傾斜攝影技術在各行各業廣泛應用。

（3）數據格式量小，利于在網絡上發布。采用傾斜攝影技術得到的影像數據量要比三維GIS數據的量小得多，并且其影像的數據可快速進行網絡發布，實現共享。

4 蒙公塘水文站地理信息采集開展

4.1 站點基本情況

蒙公塘水文站1972年建站，是資水一級支流區域代表站，位于湖南省益陽桃江縣大栗港鎮蒙公塘組，屬山溪性暴漲暴落河流。它的集水面積約為509km2，干流長約72km，基本水尺斷面至河口距離7km。

4.2 項目開展流程

項目開展流程包括前期資料收集、現場勘察、編寫實施方案、像控點測量及航攝實施、三維建模、質量評估、上傳四水系統，流程圖如圖2所示。

圖2 項目流程圖

4.3 操作步驟

（1）用地圖軟件確定地理信息采集范圍，標出確定像控點位置，如圖3所示。

圖3 蒙公塘水文站攝影區域及像控點位置

（2）在天氣晴朗、低空無云霧、能見度大于5km、太陽高度角大于45°時進行航攝。

（3）根據周邊環境，確定飛行高度是否合適（本次飛行高度為180m），對無人機設備進行組裝和進行飛行前例行檢查，將地圖文件導入遙控器，飛行航線要按照實際需要的地面分辨率進行設計，航線能完整覆蓋整個航拍區域。根據無人機的性能參數如巡航速度、續航時間、有遮擋及無遮擋環境下可控距離，以及航攝地區的地形特征等，規劃無人機的飛行航線及規定單架次飛行的最大飛行距離以保證無人機的飛行安全，確定飛行路線后輸入相關飛行參數。

（4）根據地圖文件上標記的像控點位置，在蒙公塘水文站周邊逐一進行像控點噴涂，同時，利用GNSS 接收機，采用實時動態測量RTK（Real-Time Kinematic）載波相位差分技術測量經緯度及高程數據。像控點必須選在明顯且影像清晰的地物點上，如細田埂的交匯點、十字路口的道路中心線交匯點或其他接近正交的線狀地物交點，且選在航線（上下兩條）6 片重疊的范圍內，使布設的控制點能用于多張像片。

（5）像控點噴涂完成后，開始無人機傾斜攝影，采集過程中要實時監控采集過程。由于飛行范圍大、時間長，航攝中途要分幾次更換電池以保證設備安全與數據完整。飛行距離過遠可能遇到與無人機無法連接的情況，要對無人機進行及時召回，確保無人機與遙控器連接正常。

（6）在信息采集現場填寫《無人機傾斜攝影地理信息采集項目現場信息記錄表》。

（7）將攝影相機拍攝的照片用賽爾航測管家系統進行處理和輸出，拷貝至電腦。

（8）進行三維建模工作。將高分辨率的航攝影像及對應的POS 數據建模，建模前對起飛和降落階段不合格的數據進行剔除［5］。基于Context Capture，建立三維GIS模型，對模型精修和單體化處理，可能會存在由于錯誤的影像匹配或者較差的幾何姿態造成建筑變形、懸浮物、丟失部件等情況。通過單體化軟件，對模型進行精修重建，使地物要素完整，從而達到后期三維GIS 應用［6］。水面修飾即是用于展示的實景三維模型成果，需將水面的空洞、凸起或下陷的部分刪除、填充、整平并賦正常水面顏色。水文站模型修飾在修飾水文站特定模型時，要以其細節層次照片為基本依據，故在外業航片采集時，需對該特定地物進行多方位、多層次的環繞平拍。對水尺、傳感器等精細對象進行建模表現，需要實地使用相機拍攝全貌和細節，建模效果如圖4所示。

圖4 蒙公塘水文站三維模型

5 結語

雖然無人機應用技術在不斷深入，但是水文行業的基礎地理信息采集應用在我省還是首次，如何使無人機應用技術與水文專業技術要求和規范標準有機地結合起來，采集到適合水文工作需要的基礎地理信息，是一道前所未有的課題。將通過對各種自然環境下的水文站進行多次采集和研究，來完成更好的水文站三維建模，讓無人機傾斜攝影地理信息采集工作在湖南水文中充分發揮其作用。