无人机倾斜摄影在卡拉水电站边坡治理中的应用

范 维

(中国水利水电第七工程局有限公司,四川 成都 610213)

1 概 述

长期以来,国内主要采用高水准尺、全站仪、GNSS接收机等地面检测仪器设备对野外地物的全站坐标等信息进行收集。随着科学技术的发展,测绘手段已经从传统水准仪或钢尺的人工水平绘图发展为无人机摄影及三维空间建模,其检测科技亦朝着精确、高效率、低成本的方向蓬勃发展[1]。近年来,由于无人机设备具有成本投入小、操作简便、机动快速、精确有效等优点,使航测遥感网络平台的发展展现出蓬勃的生机[2,3],无人机倾斜摄影技术也逐渐成为其研发和应用的热门[4,5]。无人机的摄影测量作为一种新兴的测绘技术已在三维模型设计和测绘工程等领域中发挥出极其重要的作用,但国内倾斜摄影测量技术目前仍处于快速发展的推广阶段[6]。

卡拉水电站是雅砻江中游河段一库七级开发中的第七级电站,该电站为二等大(2)型工程,主要开发任务为发电,电站总装机容量为1 020 MW,安装4台、单机容量为255 MW的立轴混流式水轮发电机组。根据前期现场踏勘发现工程区发育有较明显的危岩体250处,其中左岸160处,右岸26处,大碧沟区域40处,永久交通桥区域24处。根据现场的实际情况,卡拉水电站边坡治理的水平距离超过2 000 m,垂直分布距离超过1 000 m,若采用全站仪及人工进行测绘,其数据收集效率低、数据更新慢。而在采用无人机倾斜摄影测量技术后,其数据采集速度大大提升,从而为卡拉水电站的建设带来极大的便利。

2 无人机倾斜摄影测量技术

无人机倾斜摄影三维建模包含无人机、倾斜摄影和三维建模三部分。其中无人机是拍摄平台;倾斜相机是拍摄工具;三维模型是摄影信息的处理过程和结果。无人机倾斜摄影可以将多个立体感应器搭建在一个航拍平台上,同时通过倾斜、垂直的拍摄视角实现地形、地貌及高程等关键信息的获取,最大限度地保证数据资料的精度和安全。

2.1 无人机

无人机(Unmanned Aerial Vehicle,简称UAV)是一种采用无线电和计算机程序遥控操纵的无人驾驶的航空器。 与载人飞机相比,无人机具有体重较小、灵活性高、造价低、操作简单、飞行环境要求低等优点。由于科学技术的飞速发展,无人机领域已由原来的军工应用逐步延伸至民生行业,被广泛应用于地理、天气、能源、抢险救援等各行各业,具有良好的发展前景。目前无人机领域主要分为固定翼无人机与多旋翼无人机。多旋翼无人机设备具备便携起降、飞机身高较低、操作灵巧、构造简单、工艺完善、拆卸简单、容易维修等优点,目前在测绘领域多旋翼无人机飞行设备已经获得了广泛应用。

2.2 无人机倾斜摄影测量

无人机的摄影测量主要是在无人机载荷平台上搭载高分辨率多视点航空摄影仪,在进行航路规划设计后对目标空域展开摄影以获得目标地域的地理信息。

无人机载荷平台为携带五个相机镜头的数码相机,其中1个为垂直摄影机,作用是获得底部区域的正射影象(正片),而其余四个镜头可以分别获得前、后、左、右方位的倾斜图像(斜片,倾斜角度为25°～45°),能够更高效地获得大角度图像及更丰富地地物纹理图像资料,从而更加真实地表现地物的实际状态,解决了传统垂直摄影测量方法存在的不足,亦克服了垂直摄影存在的缺点。

2.3 三维建模技术

三维建模技术系指使用计算机描绘物品外形的三维技术。实现这项技术的软件被称为三维建模工具。目前市场上最主流的应用软件涵盖了Smart3D、PIX4D MAPPER、PHOTOSCAN、Photomesh、街景工厂等三维模型应用软件。卡拉水电站利用Smart3D建立了枢纽区的三维模型,利用无人机倾斜摄影获取的三维建模数据能够完美还原整个地表形状。倾斜摄影三维模型通常具有以下特点:

(1)给定区域中,在三维环境中各处的相对精度都是一致的,如平面的相对位置;

(2)三维场景系指一种能够通过投影转换公式实现平移、翻转、压缩等投影变换功能的刚体;

(3)三维建模中可以利用特定位置的控制点和所在区域的位置控制系统发生关联性(绝对定向);

(4)实景三维空间模拟是通过倾斜摄影和固定的体块构模而成,与地貌、建筑等模式为一体表现;

(5)实景三维模型造型完美、定位精确,能够保持与实际现场高度一致。三维模型不会出现明显的拉伸扭曲以及贴图漏洞,也不会产生贴图模糊及拉伸扭曲。

3 无人机倾斜摄影关键技术的控制

3.1 无人机的选择

无人机包含机体、发动机、着陆架、飞控及安全保障系统五个部分。大多数无人机机体均采用玻璃钢或碳纤维复合结构,其飞控的全称为飞行控制系统,主要作用是控制无人机飞行;发动机为无人机提供动力;着陆架提供无人机的起飞与降落;安全保障系统保障无人机能够在信号源丢失时仍能够自动飞行并返航。作为倾斜摄影技术的重要数据收集平台,无人机在选型流程中需要着重留意以下几点:

(1)无人机应具备充分的安全性和可信度;

(2)无人机须达到摄像装置的承载能力和安装要求;

(3)无人机的飞行控制精度应符合倾斜摄影的标准要求;

(4)无人机的设备性能应能适应卡拉水电站的地形环境及气象条件;

(5)无人机的续航、飞行速度、控制距离等一定要满足实际应用需求。

根据以上要求,卡拉水电站挑选了飞马E2000无人机作为倾斜摄影搭载平台。作为多旋翼无人机,飞马E2000无人机具有操作简单、起降便利等优点,并具有低空飞行、空中悬停能力,能够获取高分辨率的倾斜影像资料,其最大飞行半径为25 km,可以满足卡拉水电站边坡三维模型数据收集的需求。

3.2 多镜头倾斜摄影相机的设计

(1)利用单台相机进行拼接组合,禁止镜头中不必要的功能;

(2)对单台相机进行改造,将数码后背与镜头重新组合;

(3)对所有传感器、摄像头等均另行购买。对集成后的倾斜式摄影镜头也需要精确检校以适应精确测量的需要。

3.3 倾斜摄影影像数据的获取

倾斜摄影影像数据的获取方法是通过在飞马E2000无人机上搭载5个镜头的照相机(该照相机可以进行旋转),同时获得多个角度的地形、地貌影像以及位置信息资料。

(1)航线的设计。无人机航线的设计是根据测图精度、相机参数、作业区地形地貌等参数综合确定飞行高度、飞行比例尺、飞行重叠宽度等参数。《低空数字航空摄影规范》CH/T 2005-2021规定航向的重合度应在60%～80%之间,其旁向重合度不得小于30%。为保持一定的富余,其航向重合度可以设置为75%,旁向重合度可以设置为35%,飞行速度为5～10 m/s。

(2)无人机航空摄影。无人机航空摄影主要参照以下步骤作业:①选择宽阔、无遮挡、视野良好的起降场地,在接收到飞行指令后发射无人机;②操作手根据设计航线进行飞行,通过无人机搭载的设备对区域内地形地貌数据进行采集;③无人机完成飞行任务后返航完成外业;④从存储设备中导出采集到的数据并进行数据分析与检查,若数据不合格则需进行补测。

3.4 倾斜影像数据的处理

获得倾斜图像纹理后即可启动对倾斜图像的数据处理工作。倾斜图像数据的处理过程包括对正片和斜片的多角度图像联合平差、多角度图像密集匹配、TIN三角网建模、3D纹理映射等步骤,通过以上步骤,可以实现三维数据的可量测操作。与人工建模相比,倾斜摄影自动模型控制系统具有高效率、高精度、高保真和低成本的优点。而信息处理控制系统则大多使用空三分布式计算机制,从而极大程度地提高了运算效能,具备丰富的摄影处理功能。输入数据时,系统通过图形间的相互关联完成空中三角测量自动解算,并通过密集点云配对、点云整合与构网、无缝的自动纹理投射等过程完成三维空间模型的自行重构。通过连续的二维图形还可以复原成实景三维建模而无需人工干预, 即可实现对海量模型的批量管理。在完成数据采集等外业工作后,利用专门的处理软件Smart3D对所获取的数据进行三维建模处理,并采用GPS/POS系统对影像的坐标进行定位,其主要内容为:

(1)影像预处理。对图像品质进行测试,确定图像有无失真、变形问题。对于不合格的图像进行修改并根据相应的规范采用POS进行图像处理(POS即姿态定位:包含拍照瞬间对某组画面的姿态角和空间位置两个数据。航摄测量中的成像分辨率的准确度愈高,其影像的空间位置就愈准确,其空三解算的结果愈好。因此,所得到的三维模型的空洞、变形等模型错误就愈少。

(2)自动空三加密。自动空三加密系指在立体摄影中在一些实际地形上布设地面标志达到添加影片的外方位元素的目的,最终在计算机上解出所拍摄地区未知点地面坐标的测量方法。空三解算是获得加密点三维位置信息的过程。由于科学技术的进步,目前最普遍使用的方式是通过POS系统辅助实现空三解算。在实际摄影过程中,通过无人机群在空间的某一地点对目标物体实施摄影得到目标物体的空间方位和姿态角,形成摄影瞬间的POS数据,该数值包括目标物体的经纬度和高程,然后再通过POS进行区域网平差(以面积最大不超过像对总数划分区域。像对总数是指区域内点连线以内的高点和高程点连接范围内的像对个数),再根据基础误差方程和最小二乘法即可解得地面物点的三维坐标;最后通过空三解算可以将航摄影像进行初步匹配并还原影片在空间进行时的空间信息,从而建立三维模型的初步建模框架并可进行高度平差解算;而倾斜式摄影技术进行的多镜头拍摄能够综合五组镜头的POS数据进行联合高度平差解算,从而极大程度地降低了因POS数量过于单一产生的解算结果偏差,从而大大地提高了计算准确度。

在影像上刺像控(即给照片特定位置赋值坐标)时,利用光束法进行区域网的高程平差值解算得到加密点成果。

(3)多视角影响联合平差。在多视角拍摄中,不但涵盖了直角拍摄信息,也涵盖了斜面拍摄信息。但部分空中三角测量技术并不能很好地处理斜面拍摄信息,因此,在多视角拍摄联合平差时要充分考虑画面空间的几何变化和遮挡情况。根据POS系统给出的多视角影像的方位元素,采用了从粗狂到精细的金字塔搭配方法,在每级图像上实现了同名点自动配对以及自由网光束的平差归零,获得了较高的同名点配对效果。另外,已经确定的连接点和连接线、控制位置坐标、CPU/IMU等辅助参数可以利用多视角图像校对及区域网平差的误差方程进行统一解算,可以确保高程与平差计算结论的正确性。

(4)多视角影像密集匹配。图像匹配是摄影测量的基础技术之一,多视角图像具备范围广、清晰度高等优点,因此,如何在搭配流程中充分考虑多余的内容以便迅速、精确地获得多视角图像中的同名点位置、进而获得地物的三维数据即成为多视角图像匹配的重点。单纯采用一种匹配基元的匹配方式往往无法获得建模需要的同名位置,故近年来伴随着机器视觉开发出来的多基元、多视角图像匹配也越来越多地成为水电领域关注的对象。通过寻找更多多视角图像上的特点,如建筑物边缘来定义建筑物的二维矢量数据集数据,亦可将不同角度的二维特征转换为三维空间数据。

(5)高精度三维模型的构建。无人机倾斜摄影技术最直接的收获是三维空间建模。空三解算成功后,能够按照需求选择如3 mx三维空间建模、las点云图像、DOM数字平射影像等各种形式的信息。根据卡拉水电站枢纽区的测绘需求,3 mx格式的三维高精度实景建模更有利于该工程建设。在此基础上构建研究区3D TIN并进行表面纹理绘制和颜色填充(表面纹理绘制是在已创建出的3D TIN基础中将网格表面进行细节描写),通过倾斜式拍摄技术形成的高精度三维模型对高陡边坡区的研究工作具有很大的帮助。而传统单摄像头无人机在采集影像后虽然也可以进行三维建模工作,但其在拍摄目标物时仅能从一个视角进行取景,即在其他方位的区域中便会产生映像不全、位置偏移以及模型空洞等问题。而倾斜摄影技术是使用五组摄影机共同完成的影像收集,从而可以真正意义上实现对研究区域的“全方位”取景。多镜头航摄技术不但提高了影像数量,同时亦在进行空三解算时提高了多组POS数量,从而进一步提升了解算的准确度。无论在三维建模视觉效果或模型物理信息的提取准确度上,多镜头倾斜拍摄技术均明显高于传统单镜头拍摄技术。

(6)真正射影像纠正。真正射影像纠正包括物方连续性的数字高程模型DEM和大量离散分布粒度差别较大的地物数据,还包括巨量的像方多角度图像,具有一定的消息密集性和计算密集特性。在具有DSM的背景上,可以针对物方连续性地形特征和大量离散地物数据的不同特性采用轮廓抽取、面片模型拟合、屋顶重构等技术获取物方的语义信息内容;同时在多视图像上采用图像分割、轮廓抽取等多种技术获取像方语义信息内容,并通过联合平差等密集匹配技术形成物方与像方之间的同名点匹配关系,继而实现全局的取样决策与顾及几何辐射特性时的统一修正并实现匀光处理。

4 无人机倾斜摄影技术在卡拉水电站中应用具有的优势

4.1 降低了边坡工程测绘的成本

卡拉水电站枢纽区边坡的上下高差大于1 000 m,且其边坡坡度大于75°,导致人工测绘非常困难。但利用低空飞行的无人机以倾斜拍摄的方式实施测绘后,由于其整个作业过程灵活、方便,从而大大减少了技术人员操作的时间,显著提高了测绘的效率,有效地降低了卡拉水电站测绘的成本投资。同时,与常规单镜头航拍方式相比,倾斜摄影方式具有突出的优点,其不但可以收集到多种不同维度的摄影信息,同时在对拍摄画面进行后期数据处理中,也可以通过自动化批量数据处理的方法对信息进行处理,从一定意义上节约了建模成本、降低了航拍次数,同时节约了测绘人员成本,在获得准确、全面的地表数据资料的同时可以有效避免拍摄器材及人员的浪费。

4.2 获取边坡工程测绘的原数据

将倾斜摄影等测量技术运用到卡拉水电站测量时,其最主要的优点是可以得到原数据,即多角度影像。工程测量技术人员能够从倾斜摄影数据中直接导出与测量原数相符的高密度图形和点云,为卡拉水电站边坡测量工作起到了辅助作用,从而有助于工程技术人员更全面地掌握测量范围现场的复杂地貌。

4.3 提升水电工程测绘的质量与效率

倾斜摄影可以显著提高测量效果和整体效率。从事工程测量的技术人员通过将倾斜摄影测量方法和计算机软件技术相结合,可以建立出工程测量区域的三维空间形象,其具有很强的可视性;如果进一步通过对其进行量取、编辑和立体测图等作业,既可以给工程决策者一种身临其境的感受,有助于对其做出更准确的评估,亦可以提高水电工程测量的质量与效率。

5 结 语

通过采用旋翼无人机对卡拉水电站边坡进行倾斜摄影航飞并通过SMART3D软件生成实景模型,再借助EPS软件进行1∶1000 DLG采集并在通过GPS 验证后其地形图成果满足1∶1000比例尺精度要求,其数据的获取效率比采用人工收集提升了近五倍之多。倾斜摄影能够取得优良的数据收集效果且其所构建的建筑物三维模型与真实世界的建筑物具有高度的一致性;将其运用到水电工程测量领域,既可以全面保证测量资料的准确度及安全性,亦可有效提高工程测量的总体效率及测量效果,从而为水电工程的后续建设奠定基础,其必将在国民经济建设领域中发挥更大的作用。