航測立體建模在防汛應(yīng)急監(jiān)測中的應(yīng)用

劉林佳 黎鵬 付強

摘要： 利用無人機航測實時、快速、高效獲取基礎(chǔ)地理信息，為應(yīng)急處置決策提供依據(jù)。介紹了無人機航測立體建模的原理及技術(shù)流程，通過Smart3D平臺快速建立了應(yīng)急測區(qū)的立體模型，將模型導(dǎo)入到清華山維平臺，實現(xiàn)了研究區(qū)域的量測并進行淹沒分析。結(jié)果表明：航測立體建模方法相較于傳統(tǒng)的測量方法具有高精度、高效率、低成本的優(yōu)勢，可為防汛應(yīng)急監(jiān)測提供一種實時高效的技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：航測立體建模;傾斜攝影測量;淹沒分析;Smart3D;防汛應(yīng)急監(jiān)測

中圖法分類號：P335 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.05.003

文章編號：1006 - 0081（2021）05 - 0010 - 05

1 研究背景

當前我國在防汛應(yīng)急監(jiān)測中，獲取基礎(chǔ)地理信息的常用方法一般為：使用全站儀、GNSS RTK采集數(shù)據(jù)，進行內(nèi)業(yè)成圖。這些測量方法存在一定的局限性與短板：測量人員需要去危險的環(huán)境采集數(shù)據(jù)，存在一定風(fēng)險;數(shù)據(jù)獲取效率較低，獲取的數(shù)據(jù)是點狀信息，無法獲取全方位面狀信息;數(shù)據(jù)更新慢，無法快速獲取地理信息、監(jiān)測地形變化。

攝影測量的主要特點是在像片上進行量測和解譯，無需接觸被攝物體本身，因而很少受自然和地理條件的限制，而且可攝得瞬間的動態(tài)物體影像[1]。傾斜攝影測量技術(shù)是充分吸收了近幾年視覺測量領(lǐng)域的最新成果而逐步發(fā)展起來的一項新數(shù)據(jù)采集技術(shù)。傾斜方式可獲取豐富的地物頂部及側(cè)面的高分辨率紋理，它不僅能夠真實地反映地物現(xiàn)狀，高精度地獲取物方紋理信息，還可通過先進的定位、融合、建模等技術(shù)，生成真實的地表三維模型。無人機傾斜攝影測量的方式已經(jīng)逐漸成為三維建模的主要技術(shù)手段之一，帶有地理信息的實景模型可為防汛應(yīng)急監(jiān)測提供重要的基礎(chǔ)信息，較好地彌補了傳統(tǒng)建模手段受限于數(shù)據(jù)分辨率過低而導(dǎo)致三維模型精度較低的不足。基于重建三維模型，結(jié)合GIS 空間分析及情景模擬，無人機傾斜攝影測量能夠增強災(zāi)情模擬動態(tài)展示，為應(yīng)急監(jiān)測及處理提供服務(wù)[2]。

在防汛應(yīng)急監(jiān)測中，無人機航測立體建模具有高效率、高精度、低成本的優(yōu)勢。傾斜攝影技術(shù)基于多視影像，有效解決了傳統(tǒng)航測建模方式建筑物側(cè)面信息缺失的問題，且其產(chǎn)品更加豐富，在生產(chǎn)實景三維模型的同時也能生產(chǎn) DOM、DSM、DEM等多種產(chǎn)品，大大增強了產(chǎn)品使用范圍，滿足了不同需求[3]。

2 航測立體建模工作原理及技術(shù)流程

兩像片影像重疊范圍內(nèi)的任意地面點在兩張像片上都分別有它們的同名像點，并與相應(yīng)的攝影中心組成同名射線，同名攝影射線是對對相交的。因此，攝影時攝影基線、同名射線、同名像點與地面點之間有著固定的幾何關(guān)系[1]：共線條件方程與共面條件方程。利用共線條件方程和像片重疊可以重建幾何模型。

傾斜攝影技術(shù)可通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器（目前常用的是五鏡頭相機），同時從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體更為完整準確的信息。垂直地面角度拍攝獲取的是垂直向下的一組影像，稱為正片，鏡頭朝向與地面呈一定夾角拍攝獲取的4組影像分別指向東南西北，稱為斜片。將傾斜攝影獲得的照片導(dǎo)入建模軟件中，通過計算機圖形計算，結(jié)合pos和姿態(tài)信息進行空三處理，生成點云，點云構(gòu)成格網(wǎng)，格網(wǎng)結(jié)合照片生成賦有紋理的三維模型。

基于無人機傾斜攝影測量的航測立體建模流程如圖1所示，其主要內(nèi)容包括：資料收集與分析、航線設(shè)計、像控點布設(shè)與采集、航攝實施、傾斜三維建模、地形圖生產(chǎn)及模型應(yīng)用等工作。

3 航測建模在防汛應(yīng)急監(jiān)測中的應(yīng)用

3.1 防洪演練背景

長江中下游防洪歷來是國家防汛工作的重中之重，雖然三峽工程運行后，長江中下游河段的防洪標準有所提高，但仍有可能出現(xiàn)超標準洪水、局部河段崩岸、潰口等情況。2019年水文年景總體偏差，汛期降水分布南多北少，長江流域中下游發(fā)生嚴重洪澇災(zāi)害的概率較大。為應(yīng)對長江中下游超標準洪水及崩岸、潰口等險情，及時準確實施超標準洪水、崩岸、潰口的水文測報，提升搶險救災(zāi)應(yīng)急監(jiān)測及高效處置突發(fā)公共水事件的能力，完善快速、有序、高效的應(yīng)急工作機制，開展了長江中下游超標準洪水、崩岸、潰口水文應(yīng)急監(jiān)測演練。

3.2 演練場景設(shè)置

假定長江流域發(fā)生了長江中下游超標準洪水，長江干流荊江河段、城九河段水位居高不下，岳陽河段出現(xiàn)局部崩岸，長江中游某干堤出現(xiàn)了潰口。

按應(yīng)急處置程序和要求，應(yīng)急搶險總隊奔赴崩岸潰口現(xiàn)場，實施水文應(yīng)急監(jiān)測，收集水位、流量、地形、水質(zhì)等水文資料，為搶險決策提供依據(jù)。應(yīng)急監(jiān)測演練地點及設(shè)計如圖2所示，并按要求現(xiàn)場完成潰口口門寬度、地形測量及測區(qū)淹沒分析工作。

3.3 演練實施

按照事先制定的演練方案有序進行推進：利用垂直起降固定翼天相無人機搭載V4五鏡頭傾斜相機進行傾斜攝影;利用Smart3D完成空中三角測量和立體建模;利用清華山維測量潰口口門寬度、進行淹沒分析。

3.3.1 影像獲取

在測區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)測量了20個像控點（15個靶標點，5個地面特征點，像控點示例如圖3～4所示），像控點分布見圖5，利用固定翼無人機搭載五鏡頭傾斜相機，設(shè)計航高700 m，航向重疊度80%，旁向重疊度60%，地面分辨率15 cm，航線布設(shè)如圖6所示。對整個測區(qū)進行了傾斜攝影，本次航攝共飛行1個架次，5個相機采集影像3 410張，在完成航攝后，對影像質(zhì)量和飛行質(zhì)量進行檢查：經(jīng)檢查，影像清晰、層次豐富、反差適中、色調(diào)柔和;像片無漏拍，像片傾角和旋偏角在規(guī)定范圍內(nèi)。

3.3.2 模型建立

建模主要包括3個方面的工作：建模準備、空中三角測量以及三維重建。

（1）建模準備。將外業(yè)采集回來的原始數(shù)據(jù)根據(jù)不同視角的相機分別存儲，完成 Smart3D工作集群建立后新建Smart3D 工程，將準備好的影像文件、相機文件和POS文件導(dǎo)入Smart3D。高質(zhì)量的影像文件、準確的相機文件和POS文件是空中三角測量的必要條件。

（2）空中三角測量。首先通過自動提取連接點，實現(xiàn)影像間的匹配，完成像片的相對定向;然后通過粗略刺少量控制點，再次平差，把相對定向建立的任意模型納入到所需的測量坐標系中;經(jīng)過兩次平差后，精確刺所有控制點，再次提交平差，得到精確的空中三角測量成果。

（3）三維重建。在三維重建之前刪除了多余影像;確定了建模范圍;考慮到大片水域連接點較少，提前確定了水域范圍和高程;考慮到計算機集群的硬件設(shè)置及處理效率，選擇平面分塊方式進行了分塊處理。對若干個瓦片進行單獨重建，得到OSGB格式的傾斜實景三維模型，利用Smart3D對模型進行編輯和修改，得到如圖7所示的三維實景模型。

3.3.3 潰口口門寬度量測與測區(qū)淹沒分析

通過建立的三維實景模型可實現(xiàn)研究區(qū)的量測，包括任意點的三維坐標信息、建筑高度、面積信息等。將編輯好的模型加載到清華山維軟件（圖 8），利用清華山維軟件空間量算功能可以快速量算潰口口門寬度。并利用清華山維軟件三維測圖模塊中的手繪等高線功能做了淹沒分析，當水位漲到32 m時的淹沒效果如圖9所示。利用無人機傾斜攝影、Smart3D立體建模、清華山維加載傾斜模型高效的完成了演練任務(wù)。

4 模型精度分析

4.1 基本定向點殘差

空中三角測量完成后，Smart3D自動生成了平差報告，像控點平差后的殘差統(tǒng)計見表1。由表1可以看出：20個像控點中，平面坐標殘差最大值0.086 m，高程坐標殘差最大值0.144 m，平差結(jié)果較好。

4.2 特征點精度檢查

將模型導(dǎo)入清華山維軟件，可實現(xiàn)研究區(qū)的量測。通過量測50個特征點位的坐標和高程，并與2018年12月該測區(qū)江湖匯流項目的坐標和高程進行比較，比較結(jié)果見表2～3。

計算得到平面位置中誤差為0.159 m，高程中誤差為0.238 m。依據(jù)SL257-2017《水道觀測規(guī)范》中對專用地形圖的精度要求：平面位置允許中誤差為圖上0.5 mm，高程允許中誤差為0.15 m。應(yīng)急監(jiān)測測圖比例尺一般不大于1∶500，則平面位置允許中誤差不小于0.25 m。可見，航測立體建模平面精度滿足測圖需求。

5 結(jié)語與展望

本文以長江水利委員會水文局長江中游水文水資源勘測局在岳陽防洪應(yīng)急演練中的工作為基礎(chǔ)，闡述了航測立體建模的原理和流程，并對模型的精度做了統(tǒng)計分析，結(jié)果表明精度滿足相關(guān)規(guī)范要求。同時，航測立體建模方法相較于傳統(tǒng)的測量方法具有高精度、高效率、低成本的優(yōu)勢。無人機航測立體建模不僅可用于淹沒分析，還可用于防汛中的地形圖測繪，土方量計算等方面。

同時，發(fā)現(xiàn)本次航測立體建模過程中還存在一些問題：水面匹配點較少，在后續(xù)的建模過程中容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)空洞，需要在建模后修復(fù)空洞;對于重要建筑物例如橋梁、房屋的建模仍然需要地面補拍部分照片來進行精細建模;由于物理帶寬網(wǎng)速的限制使數(shù)據(jù)的集群處理難以達到理想的工作效率，可以建立萬兆網(wǎng)和磁盤資源共享的方法提高航測數(shù)據(jù)處理的效率。

參考文獻：

[1] 王佩軍，徐亞明. 攝影測量學(xué)（測繪工程專業(yè)）[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2005.

[2] 劉斌，唐雅玲，馬晨燕，等. 無人機傾斜攝影三維模型在城市雨洪風(fēng)險評估中的應(yīng)用[J]. 測繪通報，2019（10）：46-50.

[3] 關(guān)麗，丁燕杰，張輝，等. 面向數(shù)字城市建設(shè)的三維建模關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[J]. 測繪通報，2017（2）：98-102.

（編輯：江 文）

Abstract： In order to provide a basis for emergency disposal decisions in flood control，? UAV aerial survey can be used to acquire basic geographic information in real time， quickly and efficiently. The principle and technical process of UAV aerial survey stereoscopic modeling are introduced. Quickly establishing stereoscopic model of the emergency test area through Smart3D platform and importing it into Tsinghua Shanwei platform can realize the measurement function of the study area and inundation analysis. The analysis results show that the aerial stereo modeling method has the advantages of high accuracy， high efficiency and low cost compared with the traditional measurement method， and can provide a real-time and efficient technical means for emergency monitoring of flood control.

Key words： aerial survey stereo modeling; oblique photogrammetry;flood model of inundation; Smart3D;flood prevention emergency monitoring