為滿足水利工程全生命周期管理需求，提出了利用無人機單鏡頭大重疊攝影與多角度傾斜攝影聯(lián)合作業(yè)模式，對河南汝陽前坪水庫水利工程進行實景三維建模，建立了一套水庫粗模和精?？焖偃S生成的技術(shù)流程，研究成果可為水利工程投資分析、工程設(shè)計、施工與安全質(zhì)量管理、庫區(qū)移民等基于ＢＩＭ技術(shù)的水利工程全生命周期管理提供技術(shù)支持。
關(guān)鍵詞:無人機；實景三維模型；水利BIM；粗模；精模
前坪水庫位于淮河流域沙潁河支流北汝河上游，河南省汝陽縣的前坪村，是以防洪為主，結(jié)合灌溉、供水，兼顧發(fā)電的大型水庫，水庫總庫容5.84億m3，控制流域面積1325ｋ㎡。前坪水庫工程是河南省重點水利工程，同時也是我國“十三五”期間重點建設(shè)的172項重大水利工程之一?，F(xiàn)代社會中，遙感技術(shù)已成為人類獲取地理環(huán)境及其變化信息的必備高科技手段。本文綜合利用多類型無人機搭載不同傳感器進行航空攝影，采集水庫主體庫區(qū)及局部重點施工區(qū)影像數(shù)據(jù)，制作水庫實景三維地理信息模型，并與設(shè)計模型聯(lián)合應(yīng)用，提高展示效果，輔助工程建設(shè)管理，從BIM服務(wù)入手為水庫設(shè)計、建設(shè)、運行提供全生命周期服務(wù)。
?。睙o人機低空遙感
?。?１無人機平臺
根據(jù)前坪水庫建設(shè)工程對三維模型精度需求劃分不同的作業(yè)區(qū)域，主體庫區(qū)建立實景三維粗模，局部大壩及附屬設(shè)施等重點施工區(qū)建立實景三維精模。由于庫區(qū)地處豫西伏牛山區(qū)，地形較為復雜適合采用無人機航空攝影測量方法進行數(shù)據(jù)獲取和三維建模。本文選用長航時固定翼油動無人機和電動六旋翼傾斜攝影無人機作為空間數(shù)據(jù)獲取平臺，采用聯(lián)合作業(yè)建模的工作模式。無人機平臺及搭載見表１。
?。?２無人機航空攝影
為滿足制作DOM要求，固定翼無人機航飛航向、旁向重疊度分別設(shè)計為70％、40％；同時針對重點施工區(qū)域，采用電動多旋翼無人航飛用于實景建模，為保障后處理影像匹配精度及三維場景真實還原效果，在地形高差允許范圍內(nèi)，采用降低飛行高度或使用短焦鏡頭等手段，獲取地物側(cè)面高清紋理。表２為航攝指標設(shè)計參數(shù)。
１.３像控點布設(shè)
前坪水庫主體庫區(qū)控制校核線呈不規(guī)則帶狀，以河道貫穿中線的地形特征，本文采用“內(nèi)部沿河道中線布設(shè)、外圍邊角控制”均勻布點方案，共布設(shè)像控點位40個，檢查點6個；重點施工區(qū)形狀為矩形區(qū)域，采用四角兩邊法區(qū)域網(wǎng)布點，布設(shè)控制點位19個，檢查點6個。布設(shè)的控制點如圖１所示。
?。菜畮鞂嵕叭S建模
以固定翼無人機單鏡頭獲取的正攝影像與多旋翼無人機五鏡頭傾斜影像為數(shù)據(jù)源，采用影像匹配彩色點云數(shù)據(jù)技術(shù)和三維網(wǎng)格優(yōu)化算法，實現(xiàn)自動三維重建、紋理映射、連接點重構(gòu)紋理和重建約束，快速建立了高精度水庫實景三維模型，并成功應(yīng)用于水利BIM。
?。?１三維建模技術(shù)流程
將原始影像整理成果、POS數(shù)據(jù)等導入Smart3DCapture軟件，經(jīng)像片刺點、幾何處理、自動匹配空三、構(gòu)建TIN模型、貼紋理、構(gòu)建三維模型等步驟，實現(xiàn)實景三維建模。整個過程自動化程度高，正射影像和傾斜影像全自動聯(lián)合空三，并為建(構(gòu))筑物創(chuàng)建高密度的不規(guī)則三角網(wǎng)，并自動貼紋理，具體如圖２所示。
由圖２可知，通過對庫區(qū)高重疊度影像進行處理，獲取大量連點，并在此基礎(chǔ)上建立精細TIN模型及三維白模，采用映射的方式將高清影像紋理映射到三維白模表面，最終實現(xiàn)實景三維的自動產(chǎn)。
２.２技術(shù)難點解決方案
在三維建模過程中，采用的軟件雖然自動化程度較高，但仍然存在POS和像控點坐標不一致、外方位元素未知等技術(shù)難點。為保證模型的精度，本文采用以下具體的人工干預(yù)步驟:
(１)由于衛(wèi)星定位原始數(shù)據(jù)為WGS-84坐標系，因此在數(shù)據(jù)導入前需要進行平面和高程坐標轉(zhuǎn)換，以解決POS和像控點坐標不一致的問題。
(２)影像空間位置和姿態(tài)信息附加。為使POS數(shù)據(jù)中的點名與相應(yīng)影像名稱完全一致，利用Excel表格模板將影像名稱和POS數(shù)據(jù)導入。
(３)模型編輯處理。如對刪除碎片、水面修補等進行修改操作，將?.3mx格式瓦片轉(zhuǎn)換成?.obj格式導入第三方軟件(如Geomagic、3dsMax等)進行修改，修改后的模型以?.obj格式導入Smart3D進行更新處理或重新建模，生成?.3mx格式的三維模型。
?。?３建模精度及分析
三維建模精度是通過量測模型上檢查點的三維坐標與外業(yè)實測值進行比對，并作為檢測指標。經(jīng)實際檢測，水庫主體庫區(qū)三維粗模平面中誤差為±０.５~１.０ｍ，高程誤差為±１.０~２.０ｍ。重點施工區(qū)傾斜攝影三維精模檢測點分布如圖３所示，精度統(tǒng)計情況見表３。
由表３可以看出，重點施工區(qū)三維建模精度可以滿足水庫建設(shè)需求，但由于主體庫區(qū)航飛面積大、控制點布設(shè)相對較少，無人搭載的非量測相機畸變差相對較大，而且重點施工區(qū)地形高差大，即航飛獲取的影像色彩偏灰暗，使得點云匹配效果相對較差，從而造成部分水面匹配存在漏洞、水面和山體相交區(qū)域有存在模型異常等現(xiàn)象，需要采用人工編輯和修補。
?。彻こ虘?yīng)用
利用無人機低空遙感對前坪水庫進行實景三維模型，尤其是三維精細模型在水利工程BIM得到了成功應(yīng)用，將實景模型與虛擬模型疊加融合應(yīng)用于水利工程建設(shè)管理全生命周期，可以使水利工程投資分析、設(shè)計、施工、管理等更加科學精準，如圖４—圖６所示。
利用實景模型的高精度及現(xiàn)勢性，結(jié)合工程的開挖地址模型，還可精確計算出工程量及工程投資，與工程監(jiān)理確認的工程量及工程投資進行對比，從而實現(xiàn)對工程質(zhì)量和進度的精細化管理。實景模型與設(shè)計模型聯(lián)合應(yīng)用，既能展示工程建設(shè)完成后的效果，又能更加直觀真實地展示工程進展情況，將無人機實景三維建模技術(shù)應(yīng)用于水利BIM具有重要的實際意義。
４結(jié)語
本文采用無人機單鏡頭大重疊攝影與多角度傾斜攝影聯(lián)合作業(yè)模式，以河南汝陽前坪水庫為試驗區(qū)，實現(xiàn)了水庫區(qū)域?qū)嵕叭S粗模和精模的快速生產(chǎn)，以及粗模和精模一體化的技術(shù)流程。試驗結(jié)果表明:無人機實景三維建模成果能夠滿足水利BIM應(yīng)用及工程投資分析、工程設(shè)計、施工與安全質(zhì)量管理、庫區(qū)移民等需求。
來文選自《測繪通報》2018年第3期
作者：王永生，盧小平，朱慧，焦金龍
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