基于三维实景模型的水库管理系统设计与实现

王 颖

（阜新市水利事务服务中心，辽宁 阜新 123000）

1 无人机倾斜摄影技术

1.1 倾斜摄影测量基本原理

倾斜摄影测量技术是当今国际测绘领域的一项新兴技术。 打破现有实拍图像只能垂直拍摄的限制，在飞行平台上同时安装多台航拍相机（或传感器），实现垂直、倾斜等多种角度的拍摄［1-2］。

为用户开发的摄影平台是一种3D建模技术，使开发成为可能以5针相机为例，飞行平台上可以安装5个镜头，方向为垂直向下、向前、向后、向左、向右，可以在飞行过程中同时获取多个角度的倾斜图像［3］。某些物体，例如建筑物，可从不同相机位置获取不同角度的图像，包括正射影像和倾斜影像。对目标区域中的每一面墙拍照，对于每个曝光位置，多个镜头同时从多个角度拍摄图像，以获得一组连续的图像。

拍摄图像时，需要同时记录海拔高度、曝光时间、经纬度坐标、大地高、姿态等信息，对倾斜的图像进行分析和清理。相机从不同位置和角度拍摄的正射影像和倾斜图像一方面用于摄影测量数据处理，另一方面用于实景3D建模的纹理数据。 摄影测量数据处理使用摄影测量技术生成精确的3D点云数据， 为3D建模奠定基础。Ortho和Tilt图像具有丰富的纹理信息，覆盖建模域的各个角度，能够满足真实3D建模的要求［4］。

1.2 空中三角测量

空中三角测量是使用摄影测量分析方法来确定一个范围内所有图像的外向元素。 主要目的是根据图像中像点的实测坐标和少量数求出未知点的测地坐标。在每个计算模型中，已知点的数量大于或等于4，已知点用于求解图像的外向元素，一般来说，空中三角测量也称为摄影测量加密。 空中三角测量是数据处理过程中最重要的一步，计算必要的图像内部方位角因子、外部方位角因子、相机镜头畸变因子和地面参考点。

2 三维实景建模技术

2.1 三维实景建模技术路线

使用倾斜摄影测量进行3D真实世界场景建模的关键技术包括数据采集、数据预处理、空中三角测量、 倾斜图像的密集匹配、DSM点云生成、TIN构建、纹理映射和3D真实世界场景建模。 其中关键是通过空中三角测量自动创建3D模型和纹理映射，作为后续数据处理和3D建模的基础［5］。 三维实景建模技术路线如图1。

图1 技术路线

2.2 三维实景建模技术流程

内业的3D模型构建主要分为3D处理和模型重建。 三球处理的目的是从多视图图像中提取同名图像点，连接匹配点，对区域网络进行联合调整，计算出单个图像的外向元素。曝光的瞬间。模型构建不规则三角TIN，并基于TIN生成无色白模，同时根据三维模型的空间位置信息和bin3计算的图像位置信息，自动映射目标纹理被实现并最终输出基于真实的自然纹理。 高分辨率真实3D模型。

2.3 三维模型精细化处理

使用Smart3D软件，通过斜向图像联合区域网络协调、密集多视图图像匹配、纹理映射，快速构建真实直观的三维模型。但是，生成的3D模型仍然存在一些需要修复的问题。例如，某些模型的边缘细节不够准确，缺少建筑物的某些地面、水和侧面纹理，或者某些地形变形和不一致。物理位置（例如道路）。这些误差主要是由于图像中缺少明显的特征点， 如多相位图像中建筑物或植被和水面的遮挡， 从而导致同名图像的匹配较少，影响了DSM和DSM的精度。 缺少不正确的切片纹理。

针对这些问题，必须纠正有问题的模型。本文采用的修正方法是将Smart3D的自动建模结果导入DPModeler软件，进行精细处理，修复建筑物变形部分，在地面精细重建模型部分， 挂载单个模型属性满足未来3D GIS的应用需求。

3 三维智能水库管理系统的设计与实现

3.1 研究区域概况

佛寺水库位于大凌河水系细河右侧最大支流伊玛图河中下游的佛寺乡腰窝堡。 水库坝址以上河长55.5km，集水面积600km2。 水库运用为多年调节综合性水库，按百年一遇洪水设计，千年洪水校核。 总库容为1.49亿m3，正常库容为4 940万m3，1985年后改为向阜新市区供水，年供水量不超过1000万m3。

3.2 三维智能水库管理系统设计

三维智能水库管理系统总体设计框架遵循C/S开发过程中的相应规则， 采用标准的3层体系结构，分别是用户层、中间层、数据层。

三维智能水库管理系统主要包括三维可视化、水库水位动态预警、降雨预警、淹没分析等主要功能。

三维智能水库管理系统数据库分为关系数据库和地理数据库两部分，关系数据主要存储水库水位、流量等信息数据信息， 采用关系数据库SQL Server2008，如表1。

表1 水库数据

地理数据是指具有属性信息和位置坐标的测站的矢量数据和地图数据。地理数据主要有水库站、佛寺水库地形、 佛寺水库三维实景模型等地图数据及其图层的属性信息表。

3.3 三维智能水库管理系统功能实现

3.3.1 佛寺水库电子沙盘

三维系统采用强大的三维软件Skyline来搭建佛寺水库电子沙盘。 作为佛寺水库的3D地形数据。 使用3DMaxs软件建立水库站三维模型，结合模型数据和地形数据，构建佛寺水库三维电子沙表。 三维场景清晰直观地反映了佛寺水库各站点的具体分布及周边地形地貌，可以判断雨后水流的大致方向。在防洪救灾时，可以根据地形数据提前预测受灾区域，及时采取防护措施，减少灾害损失。

3.3.2 水库水位动态变化

水位动态变化是模拟特定时期强降雨过程及水库水位相应变化的近似过程。 通过数据库获取降雨信息确定降雨强度， 利用水库站的水位信息动态模拟水位上升，并在水位超过警戒值时发出蜂鸣声。可生成警报，清晰直观地反映降雨量。

3.3.3 降雨预警功能

降雨预警，主要是作为实时降雨量预报功能。打开三维系统后，触发降雨预警功能事件，功能自动开启，并设定间隔时间10s，系统自动访问降雨数据库，只要各遥测站将降雨数据传送到数据库， 三维智能水库管理系统就会获得当前时段的降雨信息， 并判断降雨量是否超过设定的预警值， 会自动显示超标的降雨站，并产生警报声响，实现了实时降雨数据的自动监测，能够更快、更准地进行降雨预报。

3.3.4 淹没分析

洪水淹没分析用于估计在设定水位内洪水过后各个时期和水位的洪水的地理范围。系统洪水分析过程的结果是一组代表洪水区的多边形。本系统洪水分析分为两种情况，一种是水位上升一次用户设置初始水位高度的单例情况， 另一种是连续上升的情况，即水位上升到一个特定的上升速度，用户设置上升的速度和时间间隔，以设置初始水位高度。 地球窗口清晰直观地显示了淹没的影响，还可以使用测量工具的测量区域功能来估计在设定的水平面内的淹没程度。

4 结语

本文利用无人机倾斜摄影技术和3D实景建模技术构建了阜新市佛寺水库真实3D模型， 并结合使用Skyline软件的佛寺水库数字高程模型构建了3D电子沙盘。佛寺水库的这种建模方法是一种超越传统手工的建模方法，无需在现场拍摄建筑物的立面，从而节省了大量的人力和时间。 现场3D场景便捷高效，大大缩短了场景3D制作周期， 有效解决了3D场景如何快速更新的问题， 在自动快速建模方面有一定的创新。开发了基于天际线的三维智能水库管理系统，实现了GIS的基本功能，如水库水位动态变化、降雨预警、以图形化、可视化、可视化状态进行洪水分析，以便在发生洪水时快速确定并提供疏散区域。