南水北調中線雄安調蓄庫三維實景采集技術及應用

魏伶蕓，李書友，黃珊

1.長江空間信息技術工程有限公司（武漢），湖北 武漢 430010；2.長江衛星遙感應用研究中心，湖北 武漢 430010；3.南水北調中線干線工程建設管理局，北京 100089

0 前言

水利工程建設智慧管理是水利信息化工程短板之一，也是水利工程強監管手段之一。而實施智慧水利、搭建智慧工程管理平臺的基礎是構建三維實景模型，實現水利工程現場信息動態感知與更新，直觀展示工程進度，實現水利工程智慧化、可視化、精細化管理。

隨著無人機技術的飛速發展，傾斜攝影測量技術逐漸獲得了更多的應用，在高空通過無人機上搭載的傾斜攝影相機從不同角度同時獲取相同位置的影像，GPS，轉角數據等，經過處理后快速構建地面實景三維模型，具有重要的工程實踐意義。

1 南水北調中線雄安調蓄庫概況

南水北調中線雄安調蓄庫工程位于保定市徐水區境內，具有優化配置北調水量，滿足雄安新區正常穩定供水要求，保障總干渠應急供水能力，兼顧蓄能發電、沉藻沉沙和礦山修復等功能。工程由調蓄上庫、調蓄下庫、聯通工程、抽水蓄能電站以及主壩下游環境整治工程等組成；總調蓄庫容約2.35億m3，其中調蓄上庫約1.58億m3，調蓄下庫約0.77億m3，裝機總容量600 MW，供水對象為雄安新區，是雄安新區建設發展的重要保障，也是滿足雄安新區正常穩定供水要求的保障措施。為提升水利工程建設精細化管理水平，實現水利工程全生命周期管理，開展智慧工程建設，需采集高分辨率的三維實景模型作為構建智慧工程的數據支撐。

2 無人機低空攝影測量

針對衛星與常規航空觀測手段難以獲取滿足水利工程過程管理與變化檢測所需影像分辨率要求的厘米級高分辨率影像的問題，文章研究了基于無人機的水利工程低空高清影像自動、精準數據采集技術。實現根據目標區域初始地形（已有地形數據，或采用無人機常規攝影提取的粗略地形），自動規劃無人機數據采集航跡，達到智能低空飛行控制，進而實現近距離“對地觀測”，獲取高分辨率影像，從而形成更真實的目標工程區域三維實景模型。見圖1。

圖1 無人機低空攝影測量航線示意圖

3 三維實景數據采集

3.1 技術路線

三維實景數據采集的主要作業流程有：空域申請、低空傾斜影像采集與布控、數據預處理、三維模型生成、模型修復與編輯等。總體技術路線圖2：

圖2 無人機三維實景采集技術路線圖

3.2 現場踏勘

在進入測區后了解測區的自然、地理、氣候、環境等情況，熟悉測區交通線路，了解測區周圍50 公里范圍內有無飛機場及軍事基地等敏感區域，確定飛行安全。

3.3 航線設計

利用測區資料，根據航攝工程范圍，按相應地形類型和成圖精度要求，采用條帶航線與面狀測區相結合的方式進行航線設計。

3.4 外業基礎控制測量

航空攝影測量外業基礎控制測量主要包括像片控制點的布設、像控點的選擇、像控點測量及像控點整飾等幾個步驟。像控點應選擇影像能清晰辨認、沒有遮擋的明顯特征地物，相交角度好的線狀特征地物的交點以及明顯特征地物的拐角頂點，如目標清晰的硬化道路的交角、路上的實線和斑馬線的角、大門頂蓋角、平屋頂房子的房角等，或者硬化地面刷油漆、土地撒石灰等做出便于識別的“十”字形或“L”字形測量標識。

3.5 執行飛行任務

在進入現場準備執行飛行任務時選擇氣象條件好，能見度好，太陽高度大于45度的時間段飛行，以滿足數據獲取所需的光照條件。首先進行常規無人機傾斜攝影，提取南水北調中線雄安調蓄庫工程區域的粗略地形。其次再進行無人機低空攝影測量，獲取高精度傾斜攝影數據。待所有無人機低空攝影測量數據采集完成后，對采集的成果進行質量檢查，對不合格的區域進行補測，直到成果質量符合要求為止。再次，若在飛行過程中存在時間和空間上的差異，影像之間可能會存在色偏，需要進行勻光勻色處理。

4 三維實景模型構建

4.1 技術路線

三維實景建模的設計制作主要流程包括：傾斜影像幾何糾正、區域網聯合空中三角測量、傾斜影像匹配、DSM點云生成、TIN網構建、紋理映射等幾部分。主要技術路線如圖3。

圖3 三維實景模型構建流程圖

4.2 傾斜影像處理

三維實景模型可采用全自動的生產方式，在完成聯合空中三角測量解算之后，獲取了基于無人機低空航攝影像的內、外方位元素解算出的多視影像同名點坐標。經過幾何校正、聯合平差等處理流程，從影像中盡可能多地抽取特征點，形成密集點云，從而表達出更準確的地物細節；越復雜的地物，越密集的建筑物，點密集程度就越高；反之，則相對稀疏。

4.3 紋理映射

根據點云數據提取深度圖并計算TIN模型，此時的模型是無紋理的白膜；最后，根據白膜的空間結構從不同視點的多幅影像中選取最優紋理圖貼合在白膜上，完成紋理映射，得到三維實景模型。

4.4 模型精修

在紋理映射影像獲取時，因拍攝角度問題、難免有樹木、機械、以及臨近建筑物傾斜遮擋，或所構建的TIN 模型結構不豐富不清晰，使部分三維實景模型在映射貼圖后表現力降低，就需要人工介入，對三維實景模型進行精細化修改，達到更好的顯示效果，使三維實景模型圖面清晰、整潔、自然，正確反映對象的表面特征，滿足水利智慧工程的要求。

5 結 語

水利工程常建于高山峽谷縱橫、地形復雜的地區，無人機航測具有靈活、機動、高效的優勢。隨著智慧水利、智慧工程的數字化、智能化跨越升級，基于三維實景的智慧管理平臺對規范管理程序、有效控制投資、降低溝通成本及風險、減少管理漏洞、完善知識沉淀、保障工程正常運行和綜合效益發揮具有重要作用。文中提出的基于無人機低空攝影測量技術的水利工程三維實景采集技術，相較于傳統無人機傾斜攝影具有自動化及更高精度的優勢，能獲取水利工程全方位、全角度的紋理和幾何信息。對服務于工程建設、生產和運營，提升工程現代化智慧化管理水平具有重要意義。