投稿单位：
黄河勘测规划设计有限公司
投稿人：
孙朝印 张晓强 李盐
2018年11月23日
摘 要:本文首先介绍了无人机倾斜摄影三维建模技术的原理,水利信息化的意义，其次介绍了在海拔落差较大地区进行高分辨率倾斜摄影的实施方案，三维建模和模型修饰软件的应用, 详述了倾斜摄影三维建模技术在故县水利枢纽信息化建设中的应用实践，最后总结了本次作业的技术特点及其应用推广。
关键词:无人机;倾斜摄影;三维建模;水利信息化
1 引言
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- 无人机倾斜摄影三维建模技术概述
倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、倾斜等不同角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息。它不仅能够真实地反映地物情况，高精度地获取物方纹理信息，还可通过先进的定位、融合、建模等技术，生成真实的三维模型。倾斜摄影测量技术以大范围、高精度、高清晰度的方式全面感知复杂场景，系统具备高性能的协同并行处理能力，倾斜摄影三维数据可为水利、智慧城市、规划、国土、测绘等多种行业提供二三维一体化的数据来源。
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- 水利工程信息化建设的意义
在当前网络信息技术广泛普及形势下,信息化在各行各领域应用效果显著。水利工程作为关系国计民生的重要基础性设施,实现水利工程信息化建设不仅仅是时代发展的客观要求,更是水利工程自身功能发挥的内在需求。倾斜摄影三维模型通过格式转换，坐标转换后可为水利信息化平台提供一体化数据来源，通过信息技术的应用,可以实现水利工程管理的自动化和智能化,提高工程管理水平,并在此基础上推动我国水利事业的长远发展。
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- 工程概况及技术路线
本文以故县水利枢纽为例介绍倾斜摄影技术在故县水利枢纽信息化建设中的应用研究，故县水利枢纽位于黄河支流洛河中游的河南省洛宁县故县镇，距洛阳市165km。工程以防洪为主，兼有灌溉、发电和工业供水等。水库建筑物由拦河坝、电站厂房及附设坝体内的泄水孔道所组成。1958年首次开工，1994年投入运行。拦河坝为混凝土实体重力坝，最大坝高125米，坝长315m，总库容11.75亿立方米，总装机容量60MW。坝顶高程553米，坝顶宽9米，坝顶长315米，由挡水坝段、电站坝段、底孔坝段、溢流坝段及中孔坝段组成，共21个坝段。本次成图区域最低点海拔450米，最高点海拔580米，而且大坝两侧山头最高点附近有高约40米的高压线塔，高压线横跨在大坝斜上方，大大增加了航空摄影作业的难度。
资料收集
方案可行性研究
方案制定
航空摄影
像控测量
过程检查
空三加密
三维建模
模型修饰
信息化平台展示
质量检查
图1 作业技术流程图
本次作业采用无人机航空摄影的方法获取影像资料，根据测区情况规划设计航线，实地踏勘测区，选取适宜起降场地进行无人机航空摄影，并布设测量像控点。统一采用WGS-84坐标系，1985国家高程基准。航摄和像控作业完成后，进行空三加密、三维模型生产、模型修饰、信息化平台展示及应用等工作，作业技术流程如图1。
2 倾斜摄影三维实景建模实施
2.1 航空摄影实施
2.1.1 航线规划
图2 飞马D1000智能航测系统
本次作业采用飞马D1000智能航测系统进行无人机航飞摄影作业（如图2）。为了满足测区的地面分辨率、最低点和最高点高程、重叠度要求，根据三维建模对地物各个立面都要获取足够重叠度的影像要求，飞马D1000系统设计飞“井”字航线（相当于倾斜5镜头）。故县水库海拔落差大，且两侧山顶架设有高压线，给航飞带来了极大的困难，为了保证飞行安全和重点区域的高分辨率，在确定好测区海拔和高压线高度后，分区域上下层叠置规划航线，整个测区按GSD6cm设计，飞行高度高于高压线40m，大坝区域按GSD3cm设计，飞行高度低于高压线40m。航向重叠度80%,旁向重叠度 70%。航线设计如图3所示：
图3 故县水利枢纽倾斜摄影航线（红色为高压线）
2.1.2 航空摄影
在天气符合飞行作业要求的情况下，机组人员携带设备到达起降场。首先对航摄硬件进行检查维护，确保其能在最佳状态下工作。在飞机起飞前对飞机状况进行全面检查，确保安全后进行作业。无人机起飞后，时刻监控其状况参数。本次作业面积0.49km2,以单镜头相机作为传感器,倾斜角度为45°, 按“井”字形进行交叉倾斜航空摄影,上层航线覆盖测区, 共获取224张相片。下层航线覆盖大坝及周边重点设施，共获取142张相片。
2.1.3 像控布测
无人机航摄外业像控点布设一般按照区域网布设，像控点点位均匀控制测区。区域网的大小和像控点的跨度以能够满足内业空中三角测量精度要求为原则。
像片控制测量采用双频GNSS接收机，基于GNSS CORS网络RTK技术施测，作业前必须在已知控制点上进行检校，作业时取三次读数的平均值为最终成果。
图4 像控点示意图（左：航片上点位，右：实地测量点位）
2.2基于ContextCapture Center的三维实景建模
2.2.1 数据准备
在进行三维建模前,需要整理原始影像、相机文件、像控数据、POS数据等,为导入软件进行后期的处理做准备。需要整理的数据如下:
- 航飞影像:包含前、后、左、右、垂直五个方向的影像。
- 相机文件:内方位元素、传感器尺寸、径向畸变系数、偏心畸变系数。
- 控制点文件:外业测量控制点。
- 航飞数据及参数: POS数据、航向和旁向重叠度、航高。
2.2.2空中三角测量
选择四台高性能计算机，联机组成工作站，软件采用ContextCapture Center（CC），对所采集影像数据进行空三加密、三维模型构建。
空中三角测量的目的是解算航拍影像的外方位元素。在空中三角测量数据处理之前,需要对导入数据的完整性进行检查。检查完毕之后空三处理开始。将影像数据、相机参数、POS数据进行多视角影像特征点密集匹配，并以此进行区域网的自由网多视影像联合约束平差解算，建立在空间尺度可以适度自由变形的立体模型，完成相对定向。将外业测定的像片控制点成果，在内业环境中进行转刺，利用这些点对已有区域网模型进行约束平差计算，将区域网纳入到精确的大地坐标系统中，完成绝对定向，如图5所示。空三结束后及时查看精度报告，确保符合规范要求，空三完成后相片分布如图7所示。
原始影像
相机参数
绝对定向
区域网平差
多视角影像密集匹配
POS数据
图5 CC空三加密流程
全自动三维建模采用多机多节点并行运算的CC软件进行，建模流程如图6所示。将空三完成后的成果数据直接提交生成三维TIN格网构建、白体三维模型创建、自助纹理映射和三维场景构建，模型成果如图7所示。
三维场景
自助纹理映射
白体三维模型创建
三维TIN格网构建
图6 CC三维建模流程
图7 空三结果和三维模型图（左：空三完成图，右：三维模型图）
2.3基于DP-moderle的模型修饰及输出
模型修饰主要是对水域或模型漏洞进行修补，对漂浮物进行删除，局部进行影像纹理映射等等，最后采用CC软件和部分原始影像数据进行约束干预后重新生成模型，使模型不存在漏洞，更贴近实际。生产的模型应满足以下要求：
- 水工建筑物三维立体块模型应该完整，位置准确，具有现实性，应与获取的航空影像表现一直；
- 建筑物三维模型应精确反应地物外轮廓基本特征；
- 建筑物模型的高度与平面尺寸应于实际保持一致的比例。
同一位置模型修饰前后对比图如下：
图8 三维模型修饰前后截图
- 水利工程信息化建设应用研究
通过水利信息化平台可对流域内进行洪水预测预报、洪水调度、方案制订和工作部署，进一步梳理水文预报节点，提高水文预测预报能力，完善预报预警机制，做到预测预报和洪水测验齐头并进。提高预报精度，延长预见期。进一步细化各关键节点、关键环节的应对措施，细化洪水调度方案，规范、理顺指挥调度程序，进一步细化防汛工作部署，未雨绸缪，提前做好各项准备。
3.1基于三维的黄河防汛调度方案情景展示系统
本文将修饰好的实景三维模型统一输出为OBJ格式，WGS-84坐标系，1985国家高程基准，导入基于三维的黄河防汛调度方案情景展示系统。故县水利枢纽三维实景模型在黄河防汛调度方案展示系统中的正侧视图如下：
图9 黄河防汛调度方案展示系统中故县水利枢纽正侧视图
3.2 基于Skyline平台的黄河水资源管理与调度系统
随着计算机和倾斜摄影技术的迅速发展,三维实景地理信息系统为用户提供了更丰富的地理信息、更友好的用户体验以及低廉的成本,应用前景广阔。本文将修饰好的实景三维模型统一转换为OSGB格式，WGS-84坐标系，1985国家高程基准，导入基于Skyline平台的黄河水资源管理与调度系统，展示如下：
图9 黄河水资源管理与调度系统系统中故县水利枢纽区域图
- 结语
本文阐述了无人机倾斜摄影三维实景建模技术的原理, 以故县水利枢纽为例，尝试了高海拔落差测区重点区域进行叠置航线作业，对双层航线所采集影像共同进行空三加密和三维建模，将不同分辨率影像同时映射到数字表面模型上作为模型的纹理，既保证了测区的完整性，又大大提高了重点区域的地面分辨率。随后详细介绍了基于无人机倾斜摄影和CC软件的三维建模过程及模型成果在水利信息化建设中的应用。测区内平均GSD为6cm，重点区域平均GSD为3cm,空三精度达到了1：500航测标准，三维模型精度及格式满足信息化平台的应用要求。
本次作业完成了故县水利枢纽三维实景模型建设，并导入水利信息化应用平台，成功应用在了黄河防汛、水资源管理与调度等领域，模型成果还可为水利工程投资分析、工程设计、施工与安全质量管理、库区移民、变形监测及稳定性评估等黄河流域水利信息化建设平台提供基础数据源。进一步还可为基于BIM技术（一种应用于工程设计、建造、管理的数据化工具，通过对建筑的数据化、信息化模型整合）的水利工程全生命周期管理提供技术支持，可以促使水利工程各个阶段的管理和运营更加科学精准。
