傾斜攝影技術在水利工程中的應用研究

吳仰鋒

(廣東珠榮工程設計有限公司，廣東 廣州 510000)

1 工程概況

某大型水庫調蓄樞紐工程，位于中低山區峽谷區，由攔河壩、引水系統、發電廠房及開關站等建筑物組成。水庫大壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂總長220.0 m，壩頂寬6.0 m，最大壩高51.0 m，最大壩底寬42.4 m。大壩壩頂中段設泄洪表孔，為開敞式泄洪方式，共2孔，溢流總凈寬12 m，孔頂設6.0 m寬交通橋連接大壩兩端。溢流壩面以半徑12.0 m的圓弧段接消力池，消力池全長18.0 m、寬13 m，邊墻高5.0 m。場地地形整體呈寬緩“V”字形，地表植被發育豐富，主要以低矮樹木和灌木為主，大壩基礎范圍內上覆地層為第四系河流相沉積層和沖積層，以粉質黏土為主，下部基巖為泥質粉砂巖和灰巖，巖層產狀主要為270°∠15°～20°，基巖內發育多條構造擠壓破碎帶。研究采用無人機傾斜攝影技術對水庫大壩進行測繪，試驗區域面積約1.46 km2，東西方向長2240 m，南北方向寬650 m。

2 基于無人機傾斜攝影的水利工程三維數據重建

2.1 基于無人機傾斜攝影的傾角

為了獲取不同影像角度、影像覆蓋范圍和影像分辨率的圖像，無人機傾斜攝影在采集影像圖片時，需要將航攝儀設置一定的鏡頭傾斜角和巡航高度，如徠卡RCD30航攝儀，其巡航時鏡頭傾斜角為35°[1]。無人機傾斜攝影儀鏡頭的角度變化對于構建三維實景圖像模型產生一定的影響，表現為攝影成果圖像特征提取、模型紋理清晰度和模型匹配精度等。在三維水利工程實景圖像模型構建中，需要利用無人機傾斜攝影獲得的2種影像數據，分別是下視影像和傾斜影像。前者主要是獲得地形地物的表面影像信息，其分辨率為傳統意義上的分辨率，而后者主要獲得地形地物的側面影像數據，其分辨率為傾斜水平分辨率和傾斜垂直分辨率[2]。

相比于傳統的RTK測繪技術或者衛星影像攝影技術，無人機傾斜攝影搭載了航攝儀器，能夠直觀采集光學影像，由于其具有快速采樣、精度較高、體積小、重量輕的特點在工程測繪中得到廣泛應用，特別是在水利工程中，測繪人員無法到達流速較大的河流以及陡峭的懸崖中進行實地測繪，或者獲得的測繪數據精度較低，而無人機傾斜攝影技術成為最優的選項[3]。在無人機傾斜攝影中，為構建水利樞紐工程的三維數據，首先需對研究區域圖像進行數據采集，無人機設備搭載的光學相機按照導航裝置和人工地面操縱的設置進行低空巡航，并從不同的角度對研究區域的地形地物進行光學攝影，以獲得高精度的影響，并通過后期圖片處理技術自動化和智能化地構建高分辨率的三維數據模型，基于無人機傾斜攝影技術的水利工程基本地形圖測繪流程如圖1所示。

圖1 無人機攝影技術在水利工程基本地形圖測繪中應用流程

采用的飛行器為大疆M600PRO[4]。在無人機傾斜攝影中，最大傾角對于傾斜水平分辨率和傾斜垂直分辨率的計算尤為重要，因此將相機鏡頭的最大傾角設置為42°，相機采用紅鵬AP2600，其的傳感器類型為CMOS，以滿足具有植被發育的山區地形測繪精度，影像的分辨率可以達到4096像素×2160像素，相機設備的有效像素為2000萬像素，焦距為8.8 mm，IOS范圍為100～3200像素，拍照時采用人工控制，機械快門速度可以達到8/2000～1/2000 s，而如果采用相機預定的自動控制，電子快門速度可以達到8/8000～1/8000 s。在采用整體航線法采集圖像參數時，將無人機的巡航高度設置為232 m，航向重疊率設置為80%，傍向重疊率設置為70%，以保證相鄰兩張攝影圖像之間有70%的重疊度，滿足地面分辨率0.03的要求，而采用局部疊加法采集圖像參數時，將無人機的巡航高度設置為155 m，航向重疊率設置為80%，傍向重疊率設置為70%，以滿足地面分辨率0.02的要求[5]。本研究共獲取整體航線法攝影圖像1590張，局部疊加法攝影圖像740張。

采集圖像借助Smart3D(12-15)和PhotoScan(1.4.5)軟件進行三維實景建模。通過PhotoS(8.0)軟件強大的空三能力，對無人機傾斜攝影原始圖像進行空三加密，并導入到Smart3D軟件中進行自動化三維建模，生成三維尺度的密集點云數據，利用密集點云數據構建TIN不規則三角網、提取特征點坐標，構建的水利工程TIN不規則三角網絡(trianglated irregular network)模型。水利樞紐工程的紋理和3D虛擬模型主要通過軟件自帶的S3CComposer工具編輯索引，完成水利樞紐工程建筑物和地形地物實景與提取特制點的相互融合，結果繪制呈三維白膜模型。

在水利樞紐工程建筑物與地形地物三維白膜模型構建完成后，需要將采集到的二維紋理信息與三維白膜模型信息相互關聯，重構研究區域豐富的表面紋理，并將二維信息轉化為三維信息，實現紋理的點面映射。在圖像紋理的映射過程中，由于現場采集的二維圖片具有海量信息，并且這些紋理投影與構件的三維白膜模型之間存在的對應關系為多對一。在處理圖像過程中為了避免紋理變形和保證渲染準確，在二維圖像信息中篩選出最優的映射成為關鍵，具體的實現方式是保持紋理法向向量與TIN不規則三角網絡模型中點相互對應，最終形成的高精度三維數字實景模型，構建的水利調蓄樞紐工程以及地形地物的實景模型，紋理清晰、三維效果顯著、地形地物區分明顯，能夠真實反映實際物體的工程狀態。

2.2 無人機傾斜攝影和地面三維激光掃描的精度對比

表1為基于無人機攝影技術地物測繪解算結果和地面近景攝影圖像技術的地物測繪精度成果對比。從表中可以看出，兩種測繪方法得到的地物坐標結果十分相近，坐標x的誤差Δx最大值為0.0765 m，最小值為0.0145 m，平均值為0.0428 m；坐標y的誤差Δy最大值為0.0798 m，最小值為0.0083 m，平均值為0.0512 m。坐標點的平面誤差Δxy計算如式(10)所示。

表1 無人機攝影技術和地面三維激光掃描技術的地物測繪成果對比

(10)

坐標點的平面誤差Δxy的最大值為0.1056 m，最小值為0.0233 m，平均值為0.0704 m。

由以上分析表明，無論是坐標x的誤差Δx還是坐標y的誤差Δy還是坐標點的平面誤差Δxy，其最大值均遠遠小于0.5 m，因此滿足測繪成果規范的要求，無人機傾斜攝影在水利樞紐工程基本地形圖測繪中具有適用性，解譯精度高。

3 結 論

(1)基于無人機傾斜攝影的三角函數關系，推導了無人機傾斜攝影的傾斜水平分辨率和傾斜垂直分辨率。

(2)基于無人機傾斜攝影技術采集了大量的現場影像，通過后期數字圖片處理技術構建了高精度的TIN不規則三角網絡模型、白膜模型，并將二維圖片紋理與白膜模型進行映射，生成高精度的三維數字實景模型，構建的實景模型紋理清晰、三維效果顯著、地形地物區分明顯，能夠真實反映實際物體的工程狀態。

(3)基于無人機攝影技術地物測繪解算結果表明，測繪成果精度滿足規范要求，無人機傾斜攝影在水利樞紐工程基本地形圖測繪中具有適用性，解譯精度高。