基于單鏡頭無人機的勝天水庫大壩測繪

收稿日期：

2023-06-14

作者簡介：

潘紹林，男，工程師，碩士，主要從事水利水電測繪工作。E-mail：shaolinpan0811@sina.com

引用格式：

潘紹林.基于單鏡頭無人機的勝天水庫大壩測繪

［J］.水利水電快報，2024，45（1）：23-27，38.

摘要：

為獲取多視角影像，保證實景三維模型的建模質量，以勝天水庫項目區域測繪為例，通過攝影測量2D、井字飛行、五向飛行3種航線構建實景三維模型，并進行三維模型精度比較；采用CASS_3D平臺進行1∶500地形圖立體測繪，并與網絡RTK地形圖測繪成果進行對比分析。結果表明：3種航線建模方法測繪的地形圖均達到1∶500地形圖精度要求；其中，通過五向飛行航線獲取影像資料建立的實景三維模型取得的平面地物信息誤差最小、精度最好。研究成果可為中小型測繪生產單位使用單鏡頭無人機在山區地形起伏較大、作業難度較高的區域開展水庫大壩測繪提供參考。

關鍵詞：

單鏡頭無人機； 三維建模； 地形圖； 測繪； 勝天水庫

中圖法分類號：TV221

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.01.004

文章編號：1006-0081（2024）01-0023-05

0? 引? 言

水庫大壩實景三維模型和大壩周圍大比例尺地形圖是水庫大壩安全鑒定工作中的基礎資料。受山區水庫地形起伏較大、山勢陡峻、庫區山林密集、難以實地抵達等因素制約，大壩兩岸穩定情況難以掌握。傳統測繪技術（RTK、全站儀）在水庫大壩1∶500地形圖野外測繪工作中面臨諸多限制，如工作強度大、耗時長、成本高、效率低且危險性高等［1-2］。針對水庫大壩野外測繪難點，無人機技術具有許多優勢，如機動靈活、高效快速、成本低廉、信息豐富、適應性好等，得到廣泛應用［3-6］。無人機航攝影像不僅能夠快速地獲取地面真實情況，而且在小范圍、大比例尺地形圖測繪領域具有明顯的優勢［7］。固定翼無人機［8-9］或搭載五鏡頭相機的多旋翼無人機［10-11］攝影測量技術已較為成熟，并廣泛應用于1∶500比例尺的測圖項目中。相對于少則幾十萬元、多則上百萬元市場價格的固定翼無人機與五鏡頭多旋翼無人機，單鏡頭無人機［12-13］成本低且飛行靈活，更適合生產單位在小范圍區域進行大比例尺地形圖攝影測量［14］。然而，單鏡頭無人機續航能力和載荷能力都偏弱，因此，需合理規劃無人機航線，使單鏡頭無人機獲取多視角影像，確保三維模型重建的質量［15］。

本文針對貴州省山區水庫大壩——勝天水庫區域地形起伏較大、測繪作業難度較大的情況，借助大疆精靈4 RTK無人機，設計攝影2D、井字飛行、五向飛行3種航線獲取大壩影像數據。探索在像控點較少的情況下，采用單鏡頭無人機替代固定翼或五鏡頭多旋翼無人機進行三維測繪建模作業，并檢驗不同航線規劃下，三維模型產生的平面精度是否能滿足1∶500大比例尺地形圖測繪要求。研究采用Context Capture軟件構建真實三維場景，并對3種不同航線規劃的模型進行精度分析。最后，通過CASS_3D平臺完成了勝天水庫大壩一定范圍內1∶500地形圖的繪制。本研究為中小型測繪生產單位進一步應用單鏡頭無人機在類似山區水庫大壩測繪項目中進行三維攝影建模及平面圖轉化提供了更加高效、準確的測繪解決方案。

1? 項目概況及技術設計

1.1? 項目概況

勝天水庫位于貴州省畢節市偏巖河支流金沙河沙嶺河段，距金沙縣城約2.5 km，是一座以防洪、工業供水、生態環境用水等綜合利用為主的中型水庫。該工程主要由攔河大壩、溢洪道、泄洪放空隧洞及灌溉引水隧洞等建筑物組成。水庫的正常蓄水位為966 m，總庫容1 250萬m3，壩址以上集水面積58.3 km2，最大壩高59.8 m。本次水庫測區面積約為0.23 km2。測區地形起伏較大，山勢陡峻，植被覆蓋多，庫區的岸坡穩定情況難以掌握。由于測量人員實地作業困難，綜合考量測區地形、人員安全、作業時長等因素，采用單鏡頭大疆精靈4 RTK無人機測繪獲取1∶500地形圖。

1.2? 技術設計

單鏡頭無人機在街區、校園等地勢平坦的小區域1∶500地形圖測繪中得到廣泛應用，但在地形起伏較大的水庫大壩測繪項目中應用較少。根據任務目標，項目作業技術路線主要包括以下3個方面內容。① 收集測區附近控制點等資料。② 外業工作：現場踏勘、劃定測區范圍、像控點布測、航線規劃、影像數據采集。③ 內業工作：建模前工作準備、提交一次空中三角測量、刺像控點、再次提交空中三角測量、實景三維建模、三維模型比較、1∶500地形圖生產、精度分析等工作內容。作業技術流程如圖1所示。

2? 實景三維建模及測圖

2.1? 外業數據采集

2.1.1? 像控點布測

像控點的選擇對模型精度有重要影響。選擇的像控點必須在航片上可清晰辨認且沒有遮擋。合理布設像控點達到一定數量后，進一步增加像控點數量對于提高無人機成圖精度并不會有顯著意義，反而會增加內外業工作量。測區邊緣與內部應均勻、適當布設像控點，以保證平面和高程精度［16-17］。因此，無人機起飛前，在測區邊緣均勻布設5個“L”像控點，區域內部加設2個“L”像控點。在像控點數據采集過程中，使用網絡RTK方式進行像控點量測，具體操作為：測量時，將三角支撐桿固定在目標點上，每個點進行兩次測量，每次測量的平滑時間為10 s，并對兩次測量結果進行檢查。將滿足規范的兩次測量值取平均作為最終的像控點坐標成果。像控點布測的同時，隨機測量道路、花圃、圍墻、臺階、房屋、交通橋等47個碎步點作為檢查點。檢查點分布如圖2所示。

2.1.2? 影像數據采集

測區地形起伏較大，右岸有高壓線鐵塔等建筑物，為了保證無人機的飛行安全，按照CH/Z 3005-2010《低空數字航空攝影規范》測圖比例尺為1∶500時地面分辨率優于5 cm的要求，起飛點選在大壩壩頂。大疆精靈4 RTK支持多種航線規劃方式，包括航點飛行、大區分割、仿地飛行、變高航帶、攝影2D、井字飛行、五向飛行等，其中攝影2D、井字飛行、五向飛行是常用的飛行航線規劃方式，廣泛應用于三維攝影測量的影像獲取中。攝影2D規劃航線與3D規劃航線（井字飛行、五向飛行）相比，多適用于正射影像圖的獲取。在五向飛行作業時，無人機在每條航線作業時不需要調轉機頭，而井字飛行需要調轉機頭作業。五向飛行可以采集1條正射和4個方向傾斜影像數據，而井字飛行只能采集4個方向傾斜影像數據，因此五向飛行獲取的影像數據量大于井字飛行，但作業時間較長；井字飛行數據采集較少，作業時間短。

綜合考慮地形起伏、建筑物等因素，本文設計攝影2D（圖3）、井字飛行（圖4）、五向飛行（圖5）3種航線規劃方式進行影像數據獲取。

（1） 方案一：攝影2D。航向重疊度80%，旁向重疊度80%，相對航高120 m，返航高度120 m，云臺角度-90°，拍照模式為等距離。共獲409張影像，耗時約26 min，影像平均地面分辨率3.55 cm。

（2） 方案二：井字飛行。航向重疊度80%，旁向重疊度80%，相對航高120 m，返航高度120 m，云臺角度-60°，拍照模式為等距離。共獲1 000張影像，耗時約61 min，影像平均地面分辨率3.94 cm。

（3） 方案三：五向飛行。航向重疊度80%，旁向重疊度70%，相對航高120 m，返航高度120 m，云臺角度-45°，拍照模式為等距離。共獲1 475張影像，耗時約106 min，影像平均地面分辨率4.65 cm。

2.2? 內業數據處理

2.2.1? 實景三維模型建立

Context Capture軟件具有較高的實景三維模型成果精度，數據處理過程中需要的人工干預較少，因此工作效率較高。將野外獲取的影像導入該軟件中，為了便于刺點，在導入前先提交一次空中三角測量，編輯像控點數據文本格式并導入，同時盡可能刺取更多影像清晰的點。再次提交空中三角測量，檢查空中三角質量報告；最后，進行實景三維模型的構建。根據不同影像數據采集方案建立的溢洪道模型交通橋如圖6所示。

從圖6可知，方案一生成的實景三維模型與方案二、方案三生成的模型差距較大。3種方案獲取的三維模型紋理信息都有所缺失。其中，方案三的模型精度最高，模型紋理信息較清晰，拉花和缺失少；方案一的模型拉花及缺失較明顯，方案二的三維模型表現能力明顯好于方案一。由此可見，方案一因其拍攝角度的局限性，所獲交通橋下及側面的影像信息不夠豐富與完整，其三維模型的真實性與準確性遠不如方案二、方案三。因此，實景三維模型測圖采取五向飛行航線構建實景三維模型，并與網絡RTK地形圖測繪成果進行對比分析。

2.2.2? 實景三維模型測圖

3種方案下，Context Capture軟件生成實景三維模型時，由于水庫水面特征點少，軟件在計算時很難正確匹配，導致輸出模型的水面較多空洞。進行水面約束后，可生成非常平整的模型。根據方案三生成的測區實景三維模型如圖7所示。

將實景三維模型導入CASS_3D軟件，進行平面地物信息的采集。在三維模型上采集高程點，先建立三角網，后生成等高線并整飾出圖。最終生成測區1∶500地形圖如圖8所示。

3? 精度分析

對不同方案構建得到的模型進行精度分析。以檢查點的實地量測坐標為真值，以對應模型點坐標為觀測值，檢查3種方案對應模型平面精度及高程精度。精度通常用中誤差來衡量和評定，中誤差計算公式如式（1）所示：

σX=? ∑Δx2nσY=? ∑Δy2nσS=? σX2+σY2σZ=? ∑Δz2n（1）

式中：σX、σY、σZ分別為點在X、Y、Z方向的點位中誤差；σS為點的平面點位中誤差；Δx、Δy、Δz分別為X、Y、Z方向真誤差，n為檢查點個數。

計算得到不同方案下三維模型的點位中誤差如表1所示。各檢查點平面點位中誤差如圖9所示，高程點位中誤差如圖10所示。

從表1和圖9～10可以得出以下結論：① 方案一模型的檢查點平面點位中誤差為0.03～0.09 m（均方根誤差0.064 m），高程點位中誤差為0.02～0.09 m（均方根誤差0.065 m）。② 方案二模型的檢查點平面點位中誤差為0.02～0.06 m（均方根誤差0.044 m），高程點位中誤差為0.02～0.07 m（均方根誤差在0.048 m）。③ 方案三模型的檢查點平面點位中誤差為0.01～0.04 m（均方根誤差0.029 m），高程點位中誤差為0.01～0.06 m（均方根誤差0.038 m）。④ 方案三的模型誤差最小，精度最好，方案一的模型精度誤差最大，精度較低。⑤ 3種不同方案建立的模型平面點位中誤差較小，高程點位中誤差略大，但均滿足SL 197－2013《水利水電工程測量規范》中對山地1∶500地形圖平面位置允許中誤差為±0.4 m、等高距1 m的山地地形圖高程允許中誤差為±2/3 m的要求。

4? 結? 論

本研究利用大疆精靈4 RTK無人機對勝天水庫大壩安全鑒定項目區域采用攝影2D、井字飛行、五向飛行3種不同航線進行攝影測量，獲取了不同影像數據，并對3種不同影像數據構建的三維模型進行了對比分析。重點探討了模型紋理信息的完整性及檢查點精度兩個方面，結果表明：在地形起伏較大的小區域內，采用3種航線建模方法測圖均能滿足1∶500比例尺地形圖的測繪精度要求。相較于傳統測繪，單鏡頭無人機測繪技術不僅大幅度縮短了外業時間，而且生成的三維模型具有立體、直觀的實景信息，能夠比較準確地還原項目現場情況。本文對于中小型測繪生產單位在山區地形起伏較大、作業難度較高的水庫大壩測繪項目中使用單鏡頭無人機進行三維攝影建模具有參考價值。

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（編輯：江? 燾，高小雲）

Surveying and mapping of Shengtian Reservoir dam based on single-lens UAV

PAN Shaolin

（Bijie Survey，Design and Research Institute，Bijie 551700，China）

Abstract：

To obtain multi-view images and to ensure the quality of 3D model，three routes including photogrammetry 2D，tic-tac-toe flight and five-way flight，were used to survey and map the project area of Shengtian Reservoir to construct live-view 3D models，and 3D model accuracy comparison were carried out.CASS-3D platform for stereo mapping of 1∶500 topographic maps was applied and the results were compared and analyzed with the network RTK field survey results.The results showed that the topographic maps mapped by the three route modelling methods all met the 1∶500 topographic map accuracy requirements.Among them，the image data obtained from five-way flight route was used to establish a live-view 3D model and to collect planar terrain information with the smallest error and the best accuracy.The research results can provide a reference for small and medium-sized surveying and mapping production units to use single-lens UAV in 3D photography surveying and mapping of reservoir dam with large terrain fluctuations and high operational difficulty in mountainous areas．

Key words：

single-lens UAV； 3D modeling； topographic map； surveying and mapping； Shengtian Reservoir