无人机倾斜摄影测量技术在水工建筑物精细化建模中的应用

◎ 张占勇 广东省水利电力勘测设计研究院有限公司

1.引言

根据水利部《关于大力推进智慧水利建设的指导意见》《“十四五”期间推进智慧水利建设实施方案》[1]等意见和条例，各级水利单位在开展组织水利数字孪生建设，在数字孪生流域建设过程中，一些重要的水工建构物如大坝、水闸等需要精细化建模提供可视化分析参考。无人机航摄在数据采集时具有快速、便捷的优点在模型数据的采集时被广泛应用，但如何利用无人机的倾斜摄影测量技术建立精细化的水工建筑物模型需要更多的实践和探索，本文根据水工建筑物的特点提出优化航线来提供数据采集的精度和效率。

无人机倾斜影像三维建模的关键技术包括数据预处理、空中三角测量、多视影像密集匹配、纹理映射等[2-3]。通过对影像数据做畸变差改正、增强处理等操作预处理，在进行影像的空三解算时根据特征点进行联合平差来生产正射影像和三维模型。根据项目的需要采用特定的输出格式和目标坐标系，在模型初步生产完毕再利用后处理软件对模型进行修饰、单体化操作等。李煜东提出利用倾斜摄影技术建立实景三维模型可以对大型水利桥闸的除险加固工程进行三维可视化设计和管理[4]；姚永祥等提出利用无人机倾斜影像和GPS、BEIDOU数据相结合的方式建立精细化三维模型，可以在模型纹理上更加的清晰，但是在数据采集时航飞工作量比较大，数据处理时间较长[5]；卞敏等提出利用低空倾斜摄影测量进行精细化三维模型的建立，但是需要利用多个不同的飞机进行手动补拍来进行空地一体化建模[6]；王永生等提出利用单镜头和多镜头倾斜摄影联合作业的模型对水利工程进行实景三维建模，在库区的BIM建设和施工管理方面可以提供全周期的技术支持[7]；王启龙通过使用精灵4RTK调整不同的拍摄角度来获取水库的实景三维模型，然后结合BIM构建了水库的内外实体结构，为水利工程的智能化管理应用提供了参考[8]；马广恩等利用无人机航测获取了文川溪流域的实景三维模型，为数字流域提供了基础地理数据，这种方法在智慧水利的建设中发挥了效率高、成本低的优势[9]。以上研究人员和工程技术人员通过利用多镜头和单镜头采集模型所需要的数据，虽然可以取得较好的成果，但是作业过程中会采集大量的照片，并且有时需要手动进行补拍，在重叠率方面无法获得准确的保证，造成后续数据处理出现掉片、空三不通过等问题，本文通过采用单镜头设备只需优化航线就能达到数字孪生建设所需要的三维模型，可以较大地减少照片数量和处理的工作量，为后续技术人员提供一种新的航摄方案。

2.试验区域与技术路线

2.1 工程背景概况

飞来峡水利枢纽位于清远市东北约40公里的北江河段上，是广东省最大的综合性水利枢纽工程。泄洪闸为一等1级建筑物，采用混凝土重力式结构，前沿总长285米，最大坝高52.3米，坝顶高程34.8米，坝顶公路桥宽8米。溢流坝共设16个溢流孔，孔口尺寸为14×12米，堰顶高程9米，工作门为弧形钢闸门，固定式卷扬机启闭。2022年6月，北江发生百年一遇大洪水，飞来峡水利枢纽发挥了巨大的防洪作用，为了更好的预防洪水的到来，需要建立数字化水闸实景三维模型。

2.2 技术路线

数字化水闸实景三维模型的建立需要对水闸进行精细化数据采集，包括水闸的闸门、闸墩、底板、工作桥、交通桥等部位。本项目根据水利部印发的《数字孪生流域数据底板地理空间数据规范（试行）》要求坝址及重点水工建（构）筑物区域的实景三维模型应优于3cm，采取航线优化及建模软件优选的方案对数据进行采集。在设备采集方面选用大疆精灵4RTK，航线规划方面采用航迹大师软件对测区进行带状防地飞行，模型重建方面采用大疆智图软件。具体的技术路线如图1所示。

3.水工建筑物精细化模型构建

3.1 数据获取

本次测区位置位于飞来峡水利枢纽的坝址位置，具体范围如图2所示，测区范围较小，大坝精细化建模长度为500米，但水工建筑物结构复杂。利用的无人机采集设备为精灵4RTK，航线设计可以为“井”字飞行或五向飞行进行数据采集，但需要采集优于3cm的实景三维模型，此方案不仅需要采集大量的影像数据，在效果上也不能获取到精细的水工建筑物结构。

图2 大坝位置示意图

图3 一控双机作业图

图4 CC软件空三倾斜前后对比

图5 大疆智图空三处理

图6 大疆智图重建模型

本项目使用航迹大师进行航线规划，相比传统的“井”字飞行和五向飞行节约数量和时间，本次使用的是区域环绕方式进行航线规划，利用航迹大师软件在飞行前根据分辨率设定飞行高度、旁向和航向重叠率、相机拍摄角度即可。可保证数据分辨率的一致性，且可生成任务航线直接导入精灵4RTK中执行。为了提高数据采集的效率，在航线规划时可以选择双机执行的航线规划，即在飞行时利用一控双机的方式采集数据，可以节省时间50%，提高数据采集的效率。

如果使用五向飞行，按照重叠率航向80%，旁向70%计算，飞行高度73米，分辨率同样是2cm，需要照片数量4 629张，需要采集时间210分钟。使用航迹大师规划航线，采用区域环绕方式进行规划，飞行高度50米，航向重叠率和旁向重叠率均为50%，分辨率优于2cm，照片数量1349张，采集时间120分钟。

本项目中没有采用手动补拍的方案，在实际生产中虽然手动补拍可以生产出更高精度的三维模型，但是面对水工建筑物本身的特点，存在金属结构较多和大面积水面等弱纹理信息。手动补拍不能保证重叠率和在模型生产时出现掉片等现象。

3.2 模型构建

本项目中根据采用的设备和航线设计方案，采用大疆智图软件进行实景三维模型的生产，在实际生产中大疆智图软件对大疆无人机采集的数据具有更好的适配性，而且生产建模效率较高。模型构建过程主要包括空中三角测量、模型重建、模型修饰部分。

1）空中三角测量。建立新的工程项目文件，将影像数据导入工程中，根据影像的相对位置进行空中三角测量，由于数据采集是采用环绕方式进行，一次空三并不一定可以通过，可能会出现空三以后数据倾斜。在空三数据出现倾斜后，大都是由于GPS位置和飞行高度不一造成的，本次我们采集的高度为相对高度50米。在空三数据处理时选择了大疆智图和ContextCapture软件进行对比，在使用CC软件进行空三数据处理时出现了空三倾斜问题，针对本次试验出现的这个问题，可以对空三数据再次进行空三，并适当的调整空三前的参数设置，如连接点的密度设置为高等，通常再次进行一到二次空三即可解决空三倾斜的问题。

虽然CC软件空三数据通过，但是通过对生成的点云进行查看发现出现数据分层，无法直接用于三维重建。需要通过添加关键点和连接点等方式调整空三直至数据不分层通过。在通过大疆智图软件进行空三处理时，单机处理数据只用了10分钟一次性空三通过。

2）模型重建及修饰。待空三通过以后，根据电脑的内存配置，设置输出的规则格网大小，通常不超过内存的三分之二，按照给定的范围线进行模型的重建。在使用大疆智图软件进行模型重建时重建场景选择环绕，分辨率选择高，选择水面平整，输出格式为OSGB 格式进行模型的重建。在使用电脑配置为CPU:Intel Core(TM) i9-9900X CPU @3.50GHz 20 cores，GPU: NVIDIA GeForce RTX 2080使用了100分钟即完成了模型的重建。

模型重建完成后，通过观察模型效果较好，完整地将大坝模型建立起来且泄洪闸等金属构件清晰可见，无拉花模糊等问题。由于在生产时已经将水面平整，故模型也没有水面隆起等问题，只是局部有漂浮的水面、杂物等，需要利用DPModel等修模软件对局部模型进行删除处理，根据项目需要添加水面等即可完成水闸的精细化模型重建。

3.3 模型精细化评估

在模型重建完成及修饰后，为了评估模型是否达到精细化，将从以下几个方面进行评估。

1）将生产的模型和实际的水工建筑物进行目视观测对比，观察模型的纹理、结构等与实际建筑物存在的差别。模型的纹理越清晰，说明模型的精细度越高。

2）从模型生产时空三的精度和实际精度进行分析。空三精度只要参考模型生产时自动生成的精度报告从而判定是否符合要求。实际精度通过与RTK采集的检查点对比进行评估。外业检查点精度报告如表1所示，检查结果符合《低空数字航空摄影测量内业规范》[10]。

表1 外业检查点精度统计

4.结语

本项目中水工建筑物模型从数据采集到重建修饰完成用时约5小时，利用本项目中的技术方案在面对精细化水工建筑物建模方面具有很大的优势，可以快速高效地生产高精度实景三维模型。

利用无人机倾斜影像进行三维模型制作是目前广泛采用的三维建模方式，它提高了三维建模的效率，在降低成本的同时提高了建模效果。根据数字孪生项目中水工建筑物精细化建模的需要，采用本方案可以使无人机自动执行航线任务，获取高精度的水工建筑物实景三维模型，相比使用手工补拍可以保证重叠率和精度，在数据处理时也不容易出现掉片等现象。为后续中小型水闸等水工建筑物模型的精细化建立提供了一种可行的参考方案。