飞马F200无人机在大型水利工程及BIM建设中的应用

贾智乐

(河南省水利勘测有限公司，河南 郑州 450003)

无人机技术是近些年测绘行业的热门技术[1]，其具有超低空飞行、受天气影响小、数据获取便捷、数据生产成本低等优点，使得无人机摄影测量在国土、农林业、电力、交通、水利、应急等行业得到了广泛的应用[2]。但是受其自身重量轻及携带传感器等因素的影响，无人机航测的精度并非是稳定的系统误差，对于数据处理技术有很高的要求[3]。另外对于无人机正射影像成果，常规应用主要是生产DLG、DOM、DEM、DSM等产品，虽然极大丰富了传统的测量成果，但仍有挖掘的空间。本文以拟建大型水库——信阳袁湾水库为研究对象，利用飞马F200无人机航测系统，实现了在稀少像控点情况下大范围水库库区1∶1000地形图、DOM及DEM数据的生产[4]，并通过UAV Manager 3.0版软件利用单相机影像构建了库区真实三维场景[5]。在此基础上，利用制作的库区设计坝体BIM模型，通过与三维场景的融合，实现了大型水利工程BIM模型的构建[6]，通过一次垂直摄影航飞，实现了多元化产品生产，对于后期的淹没分析及初步设计效果展示提供了数据支撑。

1 项目区概况及数据获取平台

拟建的袁湾水库位于信阳市光山县南部，新县县城以北，潢河干流上，是以防洪为主，结合供水、灌溉，兼顾发电、改善生态等综合利用的大型水利枢纽工程，根据设计淹没范围计算库区面积为35.5 km2，且为不规则形状，库区为潜山区，最大落差约150 m，测区范围如图1所示。项目采用飞马F200无人机进行正射影像的获取，F200无人机翼展为1.9 m，单架次最大航时为80 min，携带35 mm焦距的索尼RX1RM2全画幅相机，数据获取平台如图2所示。

2 基于F200航测系统的多元化产品生产

水利行业与其他行业的最大区别是对高程精度的要求极高，由于水往低处流的自然属性，使得高程精度对于水利工程成败起着至关重要的作用，水利工程库容、挖填土方量计算的依据也主要为高程数据，而高程精度恰是航测技术的难点，因此如何提高航测数据的高程精度尤为重要。本文项目充分利用F200无人机的后差分技术，在实施过程中，通过稀少控制与大量外业检核点相结合，利用UAV Manager 3.0版软件进行空三解算，并在立体测图模式下严格验证了空三成果的精度即生产库区DLG线划图成果；在此基础上，利用航摄数据生产库区真实三维场景模型，结合构建的水利工程重点区BIM模型，通过多平台、多技术的融合，实现了水利工程项目多元化产品的生产[7-9]。

2.1 控制测量及外业航飞影像获取

根据测区的形状及成图比例尺要求，构建了东西方向的航测路线，其中航向重叠度为80%，旁向重叠度为60%，影像分辨率为7 cm。测区采用均匀布控，为增加航带间的稳固性，像控点主要布设于旁向重叠区，测区共布设像控点31个、检核点40个。飞行完成后，对照片的质量进行初步检查。航线及像控规划如图3所示，像控测量如图4所示。

2.2 空三处理及4D产品生产

无人机携带的相机多为非量测型相机，畸变比较严重，如果未能很好地消除相片畸变，对于空三成果影响巨大，甚至在立体测图时出现波浪状且像对间接边差非常大，难以控制精度。本文项目中，采用逐格网畸变的方法对原始相片进行畸变校正，传统的畸变参数主要为K1—K4、P1、P2、A、B等，为了更好地拟合索尼RX1RM2相机的畸变信息，在此基础上加入了K5、K6参数，通过特殊的检校场及检校算法，采用畸变拟合的方式计算出相机的参数，以此更好地消除了原始照片的畸变。根据机载GPS数据与地面站GPS数据的联合解算，得到了高精度的照片曝光瞬间中心点经纬度坐标，利用布尔莎七参数模型，将这些经纬度坐标及椭球高转换为1980西安坐标系和1985国家高程。在未加入控制点进行优化的情况下，预测点的精度达到2～3个像元(实线为预测位置，虚线为刺点位置)，如图5所示，这是在保证精度的情况下，能够实现稀少控制的主要原因。完成以上操作后，在UAV Manager智拼图模块下，进行特征提取与匹配、空三计算，完成后刺控制点并进行空三优化，空三精度检查无误后，直接生成DOM、DEM、DSM。导出立体测图工程，在立体测图模式下，首先对检核点精度进行检查，精度满足项目要求，方可开始立体测图作业，实现DLG的生产。由于空三匹配中连接点之间的迭代性，大量的生产经验证明，空三报告精度并不能代表成图精度，因此在大型生产项目中，首先要在立体测图模式下检核检查点精度，精度满足测图需要后，方可进行全面的DLG生产作业，如图6—图8所示。

通过立体模型进行检核点精度检查，以及外业补图和查图的精度检验。使用F200无人机航测系统实现了在稀少控制下的高精度测图，检核点中误差为0.18 m，达到了水利工程1∶1000地形图的精度要求，极大地减少了人为外业工作量，提高了生产效率，降低了生产成本。

2.3 基于垂直摄影及BIM技术的三维场景构建

笔者在多年的水利行业实践中发现，对于大型的水利项目，三维场景所展现的直观性更能反映出水利工程的真实情况，因此备受青睐。通过无人机携带多镜头相机进行倾斜摄影测量的方式可以获取测区精准的三维模型，但是效率低、成本高、生产周期长。基于倾斜三维模型进行测图，不仅效率低，而且细节表达也不够清晰。对于水利三维场景的构建，居民地等建筑设施反而不是设计单位关注的重点。本文项目尝试使用UAV Manager 3.0版软件基于垂直摄影的成果构建三维模型，虽然建筑物的侧面纹理无法比拟多镜头倾斜摄影测量，但能较好地反映出工程区的三维场景，山体的侧面纹理比较理想，如图9所示。因此，通过第三方软件构建重点关注区如大坝、泵站、溢洪道、建管处等BIM模型，并叠加于库区的三维场景中，即可实现水利工程施工完成后的真实三维场景构建。该方法相比于多镜头倾斜摄影测量的方式构建三维场景，大大减少了成本和时间，这对于项目在可研阶段分析库区淹没范围、展示大坝真实位置及形态、专家评审等方面效果良好。

在袁湾水库项目中，利用F200无人机航测系统进行垂直摄影数据获取，完成4D产品生产后，构建了库区OSGB格式的三维现状场景。根据设计方面提供的大坝位置、尺寸、样式等信息，基于3ds Max软件构建了真实的大坝BIM模型，并转换成OSGB格式的切块，如图10所示。根据淹没区面积在软件材料库中制作静态水面，依据平面位置叠加到库区OSGB格式的三维模型中，通过ContextCapture生成S3C索引，实现多模型的叠加。在项目的可研阶段，即可真实地展示大坝完工后在三维场景中的形态，以及库区在设计淹没高程内的淹没区域，如图11所示，为业主单位提供了真实数据模拟的直观效果，在项目的评审阶段，可以使评审专家从多角度、多方位、多比例了解库区的基本情况和大坝信息[10]。

3 结 语

多元化的航测产品正在改变着人们对测量成果的认知，BIM技术已成为水利行业发展的方向，并逐渐成为智慧水利的支撑。本文通过理论与实践相结合，探索了一种基于无人机单相机垂直摄影高精度测图的方法，在大型的水利工程中得到了验证；并以垂直摄影成果为基础，构建了库区三维场景，结合单体化BIM模型实现了大型水利工程多维三维场景的构建，可为其他水利工程项目的应用提供一定的借鉴。