實景三維模型在峽谷地形中的建立

李偉哲

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710000）

1 概況

東莊水利樞紐工程是陜西省目前建設(shè)的設(shè)計庫容最大、大壩最高的水利樞紐工程。樞紐區(qū)位于渭北高原的大峽谷地區(qū)，最大高差約600 m，河谷兩岸巖壁陡峭，多處呈倒坡狀態(tài)，吊橋處峽谷深度170 m，底部河道最窄處僅15 m，吊橋位置處峽寬度175 m，壩址區(qū)域谷坡陡峻、谷底無法通行。

因為地形所致，傳統(tǒng)數(shù)字線畫圖（DLG）所含有的信息較為局限，與實際情況存在一定差異，無法為勘測設(shè)計人員提供可識別的地理位置信息。而如果建立較高分辨率的實景三維模型，可以較為真實且完整地展示現(xiàn)場樞紐區(qū)的地形地貌現(xiàn)狀，為勘察設(shè)計人員提供有效助力。

圖1 航攝范圍示意圖

航攝工作任務(wù)范圍見圖1 中紅線內(nèi)區(qū)域，周邊區(qū)域相對高差達到500 m，任務(wù)區(qū)域總面積約為1.2 km2。測區(qū)范圍內(nèi)有布設(shè)的平面和高程控制點，作為像控點測量的起始點。

2 航攝方案

2.1 航拍無人機

因周邊區(qū)域高差較大，體積較大的固定翼無人機無法采集到滿足精度原始影像，為滿足精度要求和飛行安全的要求下，決定采用大疆精靈4Pro 無人機進行航攝，其自帶航拍器（型號：DJI FC6310），焦距為 8.8 mm，使用 GPS/GLONASS 雙模定位并記錄影像位置信息。

2.2 像控點布設(shè)

樞紐區(qū)峽谷底交通困難、難以到達，谷底無法布設(shè)像控點，因此，像控點布設(shè)在峽谷邊沿（吊橋）以上可抵達區(qū)域；同時由于峽谷兩岸山體陡峭、植被茂密，布設(shè)了15 個像控點，該間距足以滿足地形圖繪圖要求，見圖2。

像控點選在旁向重疊的中線附近，離開方位線的距離大于像幅寬的20%，距像片邊緣大于50 個像素[1]。

圖2 分層航攝范圍及像控點布設(shè)圖

2.3 航線規(guī)劃

航向重疊率大于75%、旁向重疊率大于65%。航向覆蓋超出攝區(qū)邊界線2 條基線，旁向覆蓋超出攝區(qū)邊界線大像幅的50%。

無人機傾斜攝影的飛行高度是航線設(shè)計的基礎(chǔ)，相對行高確定的原則是需要根據(jù)任務(wù)要求選擇合適的地面分辨率[2]，然后結(jié)合傾斜相機的性能參數(shù)，按照計算公式：

式中：H 為航攝高度，分別取 30 m、150 m、300 m；f 為鏡頭焦距，大疆精靈4Pro 的鏡頭焦距為8.8 mm；GSD 為地面采樣間隔（地面分辨率），m；ɑ 為像元尺寸，大疆精靈4 Pro 的像元大小為2.4123 μm。

依此計算可以得到不同航高對應(yīng)的最低點的地面分辨率，依此決定分為三層航攝采集影像數(shù)據(jù)（見圖3）：

1）相對航高300 m 航攝時，航攝影像主要用于連接全局的像控點，采用軟件規(guī)劃航線的方式由無人機自動航攝。航攝區(qū)域如圖2 紅線范圍所示，相對河道底部的最大航高470 m，高處山脊的地面分辨率約為5 cm，河道底部的地面分辨率約為13 cm。

2）為了提高航攝范圍縱向中部的影像質(zhì)量，縮小航攝范圍，同時降低飛行高度[3]，設(shè)定相對航高為150 m，航攝范圍如圖2 淺藍色所示，高處區(qū)域的地面分辨率約為4 cm，峽谷底部的最大航高320 m，河道底部的地面分辨率約為9 cm；為了避免兩岸山體對傳感器安全的影響，全程采用手動模式航攝。

3）為了滿足谷底航攝地面分辨率達到5 cm 左右、同時保證峽谷底部兩岸側(cè)壁及谷底的航攝影像紋清晰，保證航攝傳感器安全，避免撞擊巖壁、吊橋等地物，經(jīng)反復計算優(yōu)化后，設(shè)定相對航高30 m，所示范圍如圖2 綠色區(qū)域；相對于谷底的最大航高200 m，該航攝高度航攝采用純手動超低空飛行，緊貼峽谷兩側(cè)巖壁，使得采集峽谷底部的地面分辨率優(yōu)于5.5 cm。

圖3 航攝高度剖面示意圖

完成航拍影像的采集也需要對原始影像數(shù)據(jù)進行檢查，確保影像清晰，層次豐富，反差適中，色調(diào)柔和；能辨認出與地面分辨率相適應(yīng)的細小地物影像。

3 航攝內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

3.1 空三解算

空三解算軟件使用Bentley 公司的ContextCapture 軟件的AT 模塊，采用光束法局域網(wǎng)平差法進行空三計算。

Bentley ContextCapture 軟件 AT 模塊經(jīng)過 Extracting Keypoints（提取特征點）、Selecting Pairs（提取同名像對）、Initializati on Orientation（相對定向）、Matching Points（匹配連接點）、Bundle Adjustment（區(qū)域網(wǎng)平差）等步驟的運算處理，得到攝區(qū)空中三角測量成果。

多層影像與單層影像標記像控點的方式相同，但是空三解算處理的連接點視圖結(jié)果經(jīng)常扭曲甚至失敗，多次嘗試增刪或修改像控點刺點片也無法完成空三解算[4]。利用ContextCapture軟件的“手動連接點”的功能，在具有不同分辨率的影像之間，適當添加手動連接點，以此加強不同分辨率影像之間的連接匹配，進行強制匹配，減少軟件內(nèi)自帶算法的匹配失敗率，通過采用增加人工干預的方式解決空三解算自動匹配失敗的問題，從而完成多層影像數(shù)據(jù)融合。

為了提高空中三角測量的成果精度，可以使用軟件對攝區(qū)進行二次空三運算，最終得到更精確的攝區(qū)空三結(jié)果。

3.2 實景三維模型制作

建模處理工作站采用并行GPU 框架硬件，專用硬盤存儲可保證快速數(shù)據(jù)讀取及高效計算。另外，并行處理能力極大提高了計算機速度，減少了運行時間。三維模型的生產(chǎn)使用ContextCapture 軟件處理的空三成果作為數(shù)據(jù)源。模型制作的計算任務(wù)量較大，為了提高數(shù)據(jù)處理的速度，處理過程中將測區(qū)分為多個處理單元，采用集群式運算方式處理數(shù)據(jù)[5]。

Bentley ContextCapture 軟件根據(jù)航攝獲取的原始影像數(shù)據(jù)制作實景三維模型成果，真實地還原了地物的空間位置、形態(tài)和紋理。

輸出最終的可視化三維模型產(chǎn)品格式有：3MX、OSGB、STL、i3s 等，如圖4。其它附屬產(chǎn)品有：正攝影像圖、點云等。

圖4 實景三維模型截圖

4 三維模型精度檢測

在航攝區(qū)域內(nèi)GNSS-RTK 及全站儀外業(yè)采集73 個碎部點作為檢查點，在三維模型產(chǎn)品完成后，根據(jù)檢查點相應(yīng)的位置，在三維模型產(chǎn)品上采集對應(yīng)位置的點高程，計算高程較差進行精度統(tǒng)計，見表1。

利用實測點與三維模型采集的檢查點高程較差按同精度檢測的計算公式計算出高程注記點中誤差m注，見表2。

通過以上數(shù)據(jù)分析可以看出：

(1)采用1 m 等高距時，高程注記點較差的粗差率為16%，超過限差規(guī)定的5%。

表1 三維模型的檢查點精度統(tǒng)計表 單位：m

表2 高程注記點精度統(tǒng)計

(2)采用2 m 等高距時，高程注記點較差的粗差率為1%，高程注記點中誤差m注為0.33 m，符合要求。

因此，根據(jù)檢測三維模型的高程精度檢查結(jié)果，其可以達到基本等高距為2 m 的1∶1000 比例尺地形圖的精度。

5 結(jié)論

在大高差的峽谷地形區(qū)域內(nèi)無法通過航線規(guī)劃確保設(shè)備安全的情況下，可以通過手動飛行來完成較小面積的航攝任務(wù)，需要擁有一定的無人機的操控熟練度。

因航攝高度直接影響了采集數(shù)據(jù)的地面分辨率，故在起飛點規(guī)定的相對高度航攝的影像數(shù)據(jù)保證了較高處的數(shù)據(jù)精度，卻無法滿足較低處（如河道底部）的數(shù)據(jù)精度要求。所以無人機需要根據(jù)實際地面分辨率，采用分層航攝方式在不同的高度采集影像數(shù)據(jù)，隨著航攝高度的降低覆蓋區(qū)域也需要縮小，保證航飛安全的前提下使不同高度航攝該高度重點區(qū)域的影像數(shù)據(jù)，確保不同地形的模型皆滿足精度。

實景三維建模技術(shù)已經(jīng)逐漸被行業(yè)熟知，它包含非常豐富的地理信息，與其他專業(yè)相結(jié)合，就可以實現(xiàn)可視化水利工程的三維設(shè)計，形成完整的、精確到構(gòu)件的地理信息數(shù)據(jù)庫，提供支撐項目各階段、各部分所需的準確數(shù)據(jù)信息，有效提升設(shè)計施工管理工作的效率。