基于三維實景模型的水利工程劃界確權(quán)研究

劉倫華，周勝潔，夏袁菡子

（1.湖北省引江濟漢工程管理局，湖北 武漢 430064；2.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院，湖北 武漢 430064）

近年來，全國水利行業(yè)劃界確權(quán)工作穩(wěn)步推進。傳統(tǒng)方式一般是采用數(shù)字線劃圖作為水利工程劃界確權(quán)的底圖，而隨著傾斜攝影測量技術(shù)的發(fā)展，三維實景模型因其高效高精度、低成本且高度直觀化的特點[1-3]，在水利工程劃界確權(quán)工作中能夠發(fā)揮極大的作用。

本文以南水北調(diào)中線一期引江濟漢工程劃界確權(quán)項目為例，通過構(gòu)建引江濟漢工程全線的三維實景模型，在滿足項目位置精度和紋理精度的基礎(chǔ)上，借助二維矢量要素與三維模型疊加作為底圖[4]，由管理單位確認了引江濟漢工程的界樁位置、管理范圍線和永久征地線，高效地完成了引江濟漢工程的劃界確權(quán)工作。

1 實際案例分析

1.1 測區(qū)基本情況

實驗地點位于湖北省引江濟漢工程區(qū)域。測區(qū)面積約56.7 km2，呈帶狀分布，水域面積較多。實驗區(qū)據(jù)項目需求，分為3 個大區(qū)，如圖A、B、C，其中B區(qū)要求地面分辨率為2 cm，A、C 區(qū)要求地面分辨率為8 cm。為此，A、C 兩區(qū)采用成都縱橫CW10 無人機配備的DP-5-0-2400 相機，其中正射鏡頭焦距為20 mm，4 個傾斜鏡頭焦距為35 mm，像幅6 000×4 000，以下簡稱相機1；B區(qū)采用大疆公司M300配備的賽爾102S pro相機，其中正射鏡頭焦距為25 mm，4個傾斜鏡頭焦距為35 mm，像幅6 000×4 000，以下簡稱相機2。測區(qū)及相機如圖1所示。

圖1 測區(qū)及相機示意圖

1.2 航空攝影

根據(jù)續(xù)航時間及測區(qū)范圍，設(shè)計飛行多個架次，不同架次重疊3~4條航線，三區(qū)航向重疊度80%，旁向重疊度70%，因分辨率及相機焦距不同，三區(qū)航高也有所差別。A、C 測區(qū)平均相對航高約為300 m，B區(qū)平均相對航高約為120 m。最終獲得244 069 張影像，其中A、C 區(qū)影像51 056 張，B 區(qū)影像共193 013張。全區(qū)共布設(shè)256 個控制點，分布在帶狀研究區(qū)域的兩側(cè)。

1.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

1.3.1 技術(shù)路線

采用傾斜攝影軟件對影像數(shù)據(jù)進行預(yù)處理、相對定向、絕對定向、空中三角測量之后，對空三結(jié)果進行分析,在滿足項目所需精度的前提下，生成整體三維實景模型。模型紋理精度及位置精度經(jīng)檢查通過后，在ArcGISpro 中將三維模型轉(zhuǎn)化成.slpk 格式，將初始界樁位置、原來的管理范圍線及永久占地線轉(zhuǎn)化成ArcGIS 支持的數(shù)據(jù)格式.mdb 后，將其疊加在三維模型上。在經(jīng)由管理單位多方調(diào)整確認后，得到最終的界樁位置、管理范圍線和永久占地線等劃界成果流程圖如圖2所示。

圖2 操作流程圖

1.3.2 軟件選擇

1）模型生成軟件的選擇。傾斜攝影軟件多以國外軟件為主，如Context Capture、Pix4D、Photo Scan等。隨著國內(nèi)自主研發(fā)攝影測量軟件的不斷改進，瞰景Smart3D、大勢智慧、大疆制圖等國產(chǎn)軟件在空三效率與質(zhì)量上已經(jīng)可與國外軟件一較高下[5]。傾斜攝影測量中影像處理的關(guān)鍵技術(shù)主要有區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、多視影像密集匹配等[6-8]，通過密集匹配得到的真彩色點云，構(gòu)建三維格網(wǎng)，利用紋理映射技術(shù)，把二維空間點的顏色映射到三維物體表面[9]。國內(nèi)外傾斜攝影空三軟件原理大致相同，但由于算法不同，優(yōu)缺點不一，因此在效率與質(zhì)量上綜合考量后，結(jié)合項目數(shù)據(jù)量、航高差異較大及硬件水平，采用了瞰景Smart3D 全自動實景三維建模軟件作為空三處理軟件，以生成項目區(qū)域的三維實景模型。

瞰景Smart3D 全自動實景三維建模軟件，是一套以數(shù)字攝影測量、計算視覺、計算機圖形學(xué)等技術(shù)為核心，開發(fā)的一套適用于快速全自動傾斜攝影測量三維實景建模國產(chǎn)軟件，其空三算法高效，獨有的分布式空中三角測量算法讓測量成果更精確、穩(wěn)健，實現(xiàn)了傾斜實景三維大數(shù)據(jù)全流程的并行處理，它不僅支持集群運算，多種操作系統(tǒng)(包括Linux)，而且支持單機多開充分利用計算機資源，具有更高的處理效率，節(jié)省大量建模時間，在對較大數(shù)據(jù)量的傾斜攝影空三建模中具有顯著的優(yōu)勢。

2）二三維數(shù)據(jù)融合顯示軟件的選擇。目前市面上主流的GIS 軟件，如超圖、天際航、Skyline、Arc-GISpro、圖新地球、大勢智慧等，都支持二三維數(shù)據(jù)的融合顯示，可在實景三維模型上疊加顯示二維數(shù)據(jù)，但每個軟件支持的三維模型格式不同，側(cè)重點不一，顯示效率及支持的數(shù)據(jù)量也有差別。在綜合考量后，選擇了ArcGISpro 作為引江濟漢劃界確權(quán)項目的二三維數(shù)據(jù)融合顯示平臺。

ArcGISpro 作為ESRI 公司面向新時代的GIS 產(chǎn)品，在繼承原有的Arcmap 強大的數(shù)據(jù)管理、制圖、空間分析等能力的基礎(chǔ)上，獨有的二三維融合、大數(shù)據(jù)、超強制圖等功能都極為強大。劃界確權(quán)工作的重要內(nèi)容是確定界樁位置、管理范圍線和永久占地線是否符合現(xiàn)實情況，因此，ArcGISpro二三維一體化的數(shù)據(jù)可視化、管理、分析和發(fā)布等功能，能夠在項目中發(fā)揮重要作用。

1.3.3 模型成果精度檢查

通過瞰景Smart3D 軟件對項目數(shù)據(jù)進行處理生成三維模型后，可以從紋理和位置精度2 個方面對模型精度進行檢查[10]。從圖3 中可以看出，在三維模型瀏覽軟件中參照航拍角度固定瀏覽視角，同時拉伸到與實際分辨率相符的高度去查看模型，模型整體較完整，地理要素的類型齊全，而且要素之間無縫銜接，看不出明顯的變形、拉花，模型的部位結(jié)構(gòu)（如樓層、墻角、外部門窗）的相對位置關(guān)系正確，管線、道路的直線特征明顯，可判定模型紋理質(zhì)量合格。

圖3 拾橋河閘站模型俯瞰圖

三維模型作為測繪產(chǎn)品，平面及高程精度需要滿足相應(yīng)的規(guī)程規(guī)范。整體的三維實景模型生成后，采用天際航實景三維測圖系統(tǒng)DP-Mapper軟件進行控制點精度檢查。像控點X、Y、Z（高程）位于誤差區(qū)間[-0.05，0.05]的占比分別為85.21%、97.04%、90.53%（參見圖4），像控點X、Y、Z 中誤差分別為0.036 m、0.034 m、0.020 m，本項目空三精度滿足項目需求。

圖4 控制點誤差直方圖

采用HBCORS 方法對三維實景模型的特征點（里程碑）進行檢核，共131點，特征點X、Y、Z（高程）中誤差分別為0.060 m、0.085 m、0.174 m。三維實景模型數(shù)學(xué)精度符合1∶1 000比例尺精度要求。

1.4 二、三維數(shù)據(jù)融合

借助二維矢量要素與三維模型疊加，通過二維矢量要素間接將模型進行邏輯和視覺切割，同時在二維矢量要素中可掛接屬性信息，滿足在三維模型中基本的GIS查詢、分析等功能。

1.4.1 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

劃界確權(quán)工作是在原有資料的基礎(chǔ)上，確認原有界樁位置，增補損毀的舊界樁，在原有管理范圍線和永久占地紅線的基礎(chǔ)上，根據(jù)項目區(qū)域內(nèi)實際情況，進行調(diào)整的過程。實驗區(qū)域獲得的原始界樁位置及范圍線格式都為dwg，而獲得的三維模型數(shù)據(jù)格式為osgb格式。為了實現(xiàn)二三維數(shù)據(jù)的融合顯示，需要對原有數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換。

ArcGIS pro 中可以在加載dwg 數(shù)據(jù)后，直接導(dǎo)出.mdb數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)整理后可以得到帶有界樁編號等屬性數(shù)據(jù)的界樁位置層。三維模型的轉(zhuǎn)換，可利用ArcGIS pro 中創(chuàng)建集成網(wǎng)格場景圖層包工具，將osgb格式轉(zhuǎn)換成為.slpk格式

1.4.2 二三維數(shù)據(jù)融合顯示

格式轉(zhuǎn)換完成后，在ArcGIS pro 中創(chuàng)建一個場景工程，即可同時加載原有界樁位置數(shù)據(jù)，管理范圍線和永久占地紅線，為方便劃界工作，同時將公里碑位置數(shù)據(jù)加載到場景中。

1.5 三維模型在劃界確權(quán)工作中的優(yōu)勢

劃界確權(quán)工作的主要過程是：作業(yè)單位在管理單位協(xié)助下，整理原有界樁及管理范圍，經(jīng)過現(xiàn)場查勘確定原有界樁損毀情況，并確定是否需要增補。確認初始的界樁位置及管理范圍線后，由管理單位指定界樁具體位置，并提交自然資源局進行審批，如果發(fā)現(xiàn)沖突部分，由鄰宗權(quán)屬人與管理單位協(xié)商確定最終界限。然后由作業(yè)單位繪制出界樁位置和管理范圍線圖，由管理單位進行最終成果的確認，并在之后埋設(shè)界樁，最終提交界樁位置及管理范圍線等作業(yè)成果。

1.5.1 高度直觀化

傳統(tǒng)的劃界確權(quán)工作過程中，管理人員和作業(yè)人員主要依據(jù)數(shù)字線劃圖進行溝通，確認界樁位置及管理范圍線。管理單位對數(shù)字線劃圖的認知水平不高，因此對于管理單位而言，三維實景模型的直觀性遠超數(shù)字線劃圖，可以有效減少作業(yè)單位與管理單位的溝通成本，提高確權(quán)工作效率。

圖5 為引江濟漢閘口位置的地形圖及三維模型劃界對比，可以看出，在可視化方面，三維模型具有二維地圖無法比擬的高度直觀化和具體化，能夠讓管理單位人員在缺乏專業(yè)測繪知識的情況下，通過三維模型上的標志性地形地貌，迅速確認及檢查劃界成果。如圖5 所示為引江濟漢工程中一處重點閘站，使用數(shù)字線劃圖劃界及三維模型劃界的對比圖。

圖5 線劃圖劃界與模型劃界對比圖

1.5.2 低成本高精度高效率

隨著測繪技術(shù)的發(fā)展，無人機技術(shù)和計算機集群的應(yīng)用，大幅減少了三維模型生產(chǎn)的人力成本，集群生產(chǎn)模型的效率遠超人力繪制線劃圖。同時，三維模型的位置及紋理精度也可以得到保障。在劃界確權(quán)工作中，初期埋樁階段和后期檢查確認成果階段，三維模型可以有效替代外業(yè)現(xiàn)場指界這一工序，減少時間成本和人力成本。本文以引江濟漢工程為例，從現(xiàn)場指界、確認成果兩方面，對比傳統(tǒng)劃界確權(quán)方式與三維模型劃界確權(quán)方式的效率，如表1所示。

表1 傳統(tǒng)劃界確權(quán)與三維模型劃界確權(quán)效率對比

從表1 中可以看出，利用三維模型進行劃界確權(quán)，可以在減少人力投入的基礎(chǔ)上，提高效率。指定界樁位置效率與傳統(tǒng)劃界方法相比，提高了4.33 倍；管理單位確認界樁及范圍線效率與傳統(tǒng)劃界方法相比，提高了2倍，提升效果極為顯著。

1.5.3 及時量測隨時調(diào)整

在劃界確權(quán)工作中，確定劃界確權(quán)最終成果時，管理單位可以在三維模型上隨時量測任意2 點間的距離面積，確認管理范圍線與標志地物之間的距離關(guān)系，可以隨時調(diào)整并最終確認管理線及永久占地線的準確位置，提高劃界確權(quán)工作的效率及成果質(zhì)量。

由于三維模型數(shù)據(jù)的特性，植被覆蓋及地物遮擋區(qū)域仍然需要現(xiàn)場指界，且由于三維模型所需的存儲空間遠大于數(shù)字線劃圖，利用三維模型進行劃界確權(quán)工作，對管理單位的計算機硬件配置具有較高要求，增加了管理及存儲成本，在后期對三維實景模型的應(yīng)用中，對管理單位人員的專業(yè)水平也有一定要求，增加了一定的人力成本。

2 結(jié)論及展望

三維實景模型在水利劃界確權(quán)工作還不能完全取代現(xiàn)場指界，對于管理單位的計算機硬件配置也有一定的要求，但是對比數(shù)字線劃圖為底圖進行水利劃界確權(quán)的傳統(tǒng)方法，構(gòu)建工程區(qū)域的三維實景模型進行確權(quán)工作，可以在大部分場景中替代現(xiàn)場確認指界，減少劃界過程中的人力成本及時間成本，顯著提高劃界確權(quán)工作的效率和質(zhì)量，同時為將來數(shù)字孿生水利工程的開展提供寶貴的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

總體來看，三維實景模型在水利工程的劃界確權(quán)工作中得到了成功的應(yīng)用。下一步研究可以將水利工程更多維度的數(shù)據(jù)，疊加到三維實景模型上，為水利工程的管理建設(shè)提供更好的數(shù)據(jù)支撐。