電站實物指標調查中無人機傾斜攝影測量技術的應用

馬力鶴 朱彥博2 山 嵐

(1.甘肅交通職業(yè)技術學院，甘肅 蘭州 730070； 2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

在水利水電工程建設中，實物指標調查是一項十分重要的基礎性工作，它主要是通過查明征地范圍內的各種涉及對象的數(shù)量和質量，為論證工程規(guī)模、優(yōu)化設計方案、研究工程建設對地區(qū)經濟的影響、編制移民安置規(guī)劃、確定征地移民補償投資以及移民安置實施等提供重要依據(jù)[1]。

實物指標主要包括建設征地處理范圍內的人口、土地、林木、建筑物、構筑物、其他附著物、礦產資源、文物古跡、具有社會人文性和民族習俗性的建筑和場所等的數(shù)量、質量、權屬和其他屬性等指標[2]。實物指標的數(shù)量直接決定了移民補償資金的多少，實物指標調查工作與移民的個人利益，庫區(qū)的社會穩(wěn)定，以及水利水電工程建設成效都息息相關。因此，做好實物指標調查工作是水電站建設順利進行的基礎保障[3]。

實物指標調查工作具有數(shù)據(jù)量大、種類繁多、環(huán)節(jié)復雜、受地形和政策影響大等特點。傳統(tǒng)的實物指標調查主要通過技術人員逐項調查、記錄，由于調查項目多、區(qū)域廣、組織協(xié)調復雜，導致調查工作成本高，周期長，數(shù)據(jù)時效性差。數(shù)據(jù)追溯性差，無法直觀展示實物指標的數(shù)量與分布，群眾認可度低。

青海省黃豐水電站移民工作中，應用無人機傾斜攝影與三維建模技術進行實物指標調查，提高了實物指標調查的速度，解決了調查工作耗時長、難度大、數(shù)據(jù)處理困難的問題，同時，數(shù)據(jù)調用與展示更加快捷。三維建模技術形象直觀地反映了實物指標的分布與數(shù)量，可直觀地了解現(xiàn)場調查數(shù)據(jù)和安置點的情況，為后續(xù)工作的順利開展奠定了基礎，降低了工作難度，加快了工作進度。

1 無人機傾斜攝影測量與三維建模技術

1.1 無人機傾斜攝影測量技術

傾斜攝影測量技術是測繪領域的一項高新技術，它顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從一個垂直、四個傾斜共五個方位采集影像(見圖1)，將用戶引入了符合人眼視覺的真實直觀世界。傾斜攝影測量具有反映地物周邊真實情況、可實現(xiàn)單張影像量測、能采集建筑物側面紋理、數(shù)據(jù)量小易于網絡發(fā)布等特點[4]。

圖1 傾斜攝影測量技術

作為攝影測量手段，無人機以其經濟、快速、便攜的特征遠遠超越了傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感技術，利用無人機作為航空攝影平臺可以快速高效地獲取高質量、高分辨率的影像。目前，無人機傾斜攝影測量技術已經成為航空攝影測量的關鍵手段，被廣泛應用于公路、交通、環(huán)保、水利、電力等諸多行業(yè)。

1.2 三維建模技術

黃豐水電站實物指標調查工作中，采用Smart3D軟件進行三維建模。Smart3D具有快速、簡單、全自動、模型效果逼真、支持多種三維數(shù)據(jù)格式和多種數(shù)據(jù)源等特點，能夠處理手機、單反相機、激光雷達等多種數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)。Smart3D軟件實現(xiàn)了攝影測量、3D掃描、CAD建模技術的融合使用。

2 黃豐水電站實物指標調查工作

2.1 黃豐水電站概況

黃豐水電站位于青海省境內的黃河干流上，是黃河上游龍青段流域規(guī)劃梯級電站中的第十個梯級。電站建設征地涉及到青海省海東地區(qū)循化撒拉族自治縣和化隆回族自治縣2個縣的3個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))13個行政村[5]。建設征地范圍內主要實物指標為：征地總面積7.50km2(陸地面積5.41km2),征收耕地2511.96畝、園地2111.71畝、林地2278.64畝；淹沒搬遷人口2326人，各類房屋面積9.32萬m2；等級公路4.20km，10kV輸電線路3.40km，電信線路34.10km；提灌站1505kW(10座)；文物古跡2處。樞紐工程建設區(qū)臨時征用園地75.15畝[5]。

2.2 實物指標調查工作中無人機傾斜攝影與三維建模的技術流程

黃豐水電站實物指標調查工作中，無人機傾斜攝影與三維建模技術流程包括傾斜影像采集、影像預處理、空三加密等環(huán)節(jié)(圖2)。

圖2 技術流程

2.2.1 無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)采集

黃豐水電站攝影測量采用大疆-御Mavic2無人機。該款無人機自帶飛行控制平臺，2000萬像素相機，鏡頭焦距28mm，影像分辨率4K。配置有GPS和GLONASS定位系統(tǒng)，起飛重量907g，移動設備采用DJIGO4App。圖3為DJIGO4App設置界面。

野外拍攝地點選取黃豐水電站移民規(guī)劃區(qū)內需調查的尕張村，尕張村有耕地、民居、林地等典型實物指標。

飛行前，將設備調試至最佳狀態(tài)。按規(guī)劃航線進行航空攝影。無人機飛行高度設置為60m，相機傾斜角度設置為65°～70°，旁向重疊度為60%，航向重疊度為80%。圖4為尕張村的部分影像。

圖3 DJIGO4App設置界面

圖4 尕張村部分影像

2.2.2 影像預處理

影像采集結束后，需要對獲取的航攝影像和測量數(shù)據(jù)進行預處理，包括剔除不合格影像，按照規(guī)定的格式進行數(shù)據(jù)轉換、去除不完整數(shù)據(jù)等，以確保建模數(shù)據(jù)完整和像片格式正確，提高空三計算速度及精度。預處理結束后，將數(shù)據(jù)導入Smart3D軟件進行相應建模處理。

2.2.3 空中三角測量與密集點云

空中三角測量是指在立體攝影測量中，根據(jù)少量的野外控制點，在室內進行控制點加密，求得加密點高程和平面位置的測量方法。其主要目的是為缺少野外控制點的地區(qū)測圖提供絕對定向的控制點[6]。

將預處理后的數(shù)據(jù)導入Smart3D軟件進行空三加密，軟件自動匹配生成密集點云?？杖用苓^程與點云數(shù)據(jù)見圖5，生成的密集點云效果見圖6，密集點云數(shù)據(jù)與原始照片的對應關系見圖7。

圖5 空三加密與生成點云過程

圖6 生成的密集點云

圖7 生成的密集點云數(shù)據(jù)與原始照片的對應關系

2.2.4 輸出模型

生成密集點云后，經紋理貼合，Smart3D自動生成三維模型。對三維模型中的幾何缺陷，通過紋理映射進行修復后，輸出了高質量的三維模型，更加接近指標的實際分布情況(圖8為尕張村正射影像圖，圖9為輸出的尕張村三維模型)。

圖8 尕張村正射影像圖

圖9 尕張村三維模型

3 三維模型的效果與應用

無人機傾斜攝影與三維建模技術解決了傳統(tǒng)調查方法的時間局限性，縮短了外業(yè)調查的周期。利用傾斜攝影，獲取的多角度、全方位的影像資料，全面地反映實物指標調查的進度，極大地提高了移民實物指標調查外業(yè)工作的效率[7]。

通過拉伸、旋轉，多角度查看三維模型，未出現(xiàn)變形、模糊等現(xiàn)象。與實際地物相對比，三維模型與實際情況高度相似，能夠清晰、準確地反映實物指標的真實分布情況。

黃豐水電站實物指標調查工作中，廣泛應用了無人機測量與三維建模技術。與傳統(tǒng)調查方法相比較，無人機攝影測量技術克服了地形、人為因素帶來的不便，降低了內外業(yè)工作量，提高了實物指標調查工作的速度。三維建模從宏觀角度展示了調查區(qū)域內的民居、耕地、農作物的分布狀況等，為后期移民安置與賠償提供了可靠的數(shù)據(jù)，縮短了實物指標調查的周期，提高了數(shù)據(jù)可追溯性，當?shù)厝罕娬J可度高。

4 結 論

傳統(tǒng)的實物指標調查方法由于周期長，變數(shù)多，調查結果容易產生爭議和反復，降低了調查工作的效率和調查數(shù)據(jù)的可靠性，進而直接影響水電站建設的進度。

黃豐水電站移民工作中，采用無人機攝影測量與三維建模技術，進行實物指標調查工作已初顯成效。這一技術的應用對今后水電站移民調查工作有著深遠的影響和重要的意義。

三維模型與實地相符，這一結果證明了無人機攝影測量與三維建模技術在實物指標調查工作中的可行性與有效性；無人機具有影像分辨率高、數(shù)據(jù)獲取靈活等優(yōu)點，無人機攝影測量在水電站實物指標調查工作中有很大的發(fā)展空間；黃豐水電站實物指標調查工作中無人機傾斜攝影測量與三維建模技術的應用實踐表明，這一技術提高了調查速度，保證了數(shù)據(jù)可靠性，提高了調查成果的認可度，為下步確定移民規(guī)劃方案提供了真實有力的依據(jù)。