三維傾斜攝影模型技術(shù)在心圩江全流域環(huán)境綜合整治中的應(yīng)用

吳國強 施智 李澤揚

摘要：三維傾斜攝影模型隨著計算機和高精度相機的發(fā)展在工程領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用，在環(huán)境綜合整治領(lǐng)域中，三維傾斜攝影模型可以應(yīng)用到全壽命周期。文章結(jié)合心圩江全流域綜合整治工程實例，介紹了三維傾斜攝影模型相控點的布置方式和無人機的預(yù)設(shè)高度，計算分析了該模型精度，并闡述了該模型應(yīng)用的效果。

關(guān)鍵詞：三維傾斜攝影模型;無人機;相控點;環(huán)境綜合整治

0 引言

在傳統(tǒng)的全流域環(huán)境綜合治理領(lǐng)域，一般以二維圖紙的平面圖、剖面圖來表達(dá)，二維的表達(dá)方式具有信息表達(dá)不全、產(chǎn)生信息孤島、難以流轉(zhuǎn)到下一環(huán)節(jié)進(jìn)行二次應(yīng)用等缺點。同時隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，房屋密集度不斷地加大，尤其在城鄉(xiāng)結(jié)合部，自建房屋密集，對傳統(tǒng)的測設(shè)手段來說是一大挑戰(zhàn)，而且地形圖的更新消耗人力、物力巨大。隨著無人機技術(shù)、高分辨攝影技術(shù)和計算機圖形技術(shù)的不斷發(fā)展，三維傾斜攝影模型在環(huán)境綜合整治領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，越來越實用，其具有高精度、高分辨率、三維直觀和可視化強等特點，可以直觀地顯現(xiàn)治理的現(xiàn)狀，可以在設(shè)計、施工、運維等工程階段得到普遍的應(yīng)用。

1 三維傾斜攝影

三維傾斜攝影技術(shù)是以一組對靜態(tài)建模主體從不同的角度拍攝的數(shù)碼照片作為輸入數(shù)據(jù)源，加入各種可選的額外輔助數(shù)據(jù)如攝像頭的屬性（焦距，傳感器尺寸，主點，鏡頭失真）、照片的位置（如GPS）、旋轉(zhuǎn)照片（例如INS）、控制點等，無需人工干預(yù)，三維計算軟件在幾分鐘或數(shù)小時的計算時間內(nèi)，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的大小，能輸出高分辨率的帶有真實紋理的三維網(wǎng)格模型。輸出的三維網(wǎng)格模型能夠準(zhǔn)確精細(xì)地表現(xiàn)出建模主體的真實色澤、幾何形態(tài)及細(xì)節(jié)構(gòu)成。模型建模流程見下頁圖1。

2 心圩江全流域綜合整治工程

心圩江發(fā)源于南寧市與武鳴縣交界處的六懷山，經(jīng)安吉、西津于蘆屋坡匯入邕江，流域集水面積132km2，天然河道長29.25km。流域呈扇形，地勢北面高、南面低，自安吉以上大部分為山區(qū)丘陵，分水嶺高程在400m左右，安吉至河流出口為低丘平原，地勢平坦開闊。根據(jù)2011—2015年入邕江口監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，心圩江流入邕江的水質(zhì)受污染嚴(yán)重，水質(zhì)一直為劣V類，影響水質(zhì)的主要指標(biāo)氨氮全年超過地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002）V類水質(zhì)指標(biāo)限值，該河流受到嚴(yán)重有機污染。污染源主要為生活污水、工業(yè)廢水和養(yǎng)殖排污，從水質(zhì)檢測指標(biāo)來分析以生活污水為主。

南寧市心圩江環(huán)境綜合整治工程項目位于南寧市西鄉(xiāng)塘區(qū)，是南寧市對心圩江流域進(jìn)行水環(huán)境綜合治理，著力關(guān)注和防范化解生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域風(fēng)險，扎實推進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和污染防治攻堅戰(zhàn)的重要舉措。工程主要內(nèi)容有：河道治理工程、污染治理工程、生態(tài)恢復(fù)工程、景觀提升工程、水環(huán)境監(jiān)測及信息化管控工程。其中包括沿河道兩側(cè)鋪設(shè)截污干管與截污支管，共13.2km;新建處理能力為3萬m3/d的上游污水處理廠1座;新建處理能力為6萬m3/d的下游污水處理廠1座;建設(shè)全流域初期雨水收集與處理系統(tǒng)，共建設(shè)7座初期雨水調(diào)節(jié)池。

3 相控點布設(shè)及外業(yè)

因為國內(nèi)缺少傾斜攝影相關(guān)技術(shù)規(guī)范，本次外業(yè)測量時選擇《1∶5001∶1000地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》（GB/T7930-2008）作為參考依據(jù)。1∶500地形圖平地、丘陵地平高點應(yīng)采用全野外布點，不少于5個。本次相控點沿心圩江全流域兩岸呈“之”字形布置，共布置38個相控點，相控點間隔500～800m，相鄰的相控點必須在河的兩岸，共布置相控點32個，檢查點6個。

目前常用的相控點制式主要有黑白色噴漆對角三角形、“L”型和“+”型。為了得到合適的控制點，以便于內(nèi)業(yè)空三計算軟件刺點，本工程在布點開始前，先對三種布點方式的影像圖用Matlab軟件進(jìn)行處理。將三種點設(shè)置在空曠的地面上，利用無人機飛高120m采集三種點在同一位置各自的影像。

灰度直方圖在數(shù)字圖像處理中是非常有用的工具，特別是在特征提取和目標(biāo)識別上，利用Matlab軟件對相片進(jìn)行灰度處理，以得到不同布設(shè)方式在同一位置各自的灰度直方圖值，從而對比各類型布設(shè)方式灰度直方圖。因為灰度直方圖是以黑色到白色的顯示圖形，0點代表黑色，255點代表白色。從圖中可以看出，對角三角形布設(shè)點位的起始值比其他兩種方式較大，在照片中黑色更加顯眼，而在末尾趨近于白色的范圍內(nèi)也高于另兩種布點方式，說明對角三角形對于后續(xù)軟件刺點的便捷性和精準(zhǔn)性要優(yōu)于另兩種方式，如圖2所示。

黑白色對角三角形布設(shè)成本較高，對場地的要求較高且需要模具輔助，但是效果明顯，空三刺點較為容易?！癓”型和“+”字型相控點布設(shè)較為簡單，內(nèi)業(yè)作業(yè)時由于目標(biāo)較小，受像素或光線影響，“L”外角有時會出現(xiàn)虛影或者模糊等情形。所以項目布點方式選用黑白對角三角形相控點布置，大小根據(jù)航飛高度調(diào)整，航飛高度越高則越大。

在進(jìn)行外業(yè)無人機飛行時，先要假設(shè)一個預(yù)期的精度，通過預(yù)期的精度、相機上元器件的參數(shù)可以反推出無人機飛行的高度;其公式為：

這些參數(shù)中，LS、f、L是無人機自帶的相機上確定的參數(shù)，P是三維模型網(wǎng)格的精度。本工程選用自帶RTK的無人機。在確保精度的同時，通過設(shè)置相控點，用地面RTK測量相控點的坐標(biāo)，然后通過內(nèi)業(yè)刺點將相控點的坐標(biāo)再次賦予模型，達(dá)到精度再一次的提高。

4 模型精度分析

利用無人機對心圩江全流域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并利用BentleyContextCapture軟件進(jìn)行空中三角形計算及刺點生成精準(zhǔn)模型建立。本項目從38個相控點中選取6個點作為檢查點。在模型計算檢查點不予刺點，分別計算檢查點X、Y、H方向上的中誤差σx、σy、σH，其計算公式分別為：

模型生成后，獲得檢查點在模型上的坐標(biāo)，同時，依據(jù)精度計算公式計算所得結(jié)果見表1、表2。

本模型精度滿足《1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》（GB/T7930-2008）中1∶500的精度要求。

5 模型的應(yīng)用

心圩江全流域三維傾斜攝影模型的應(yīng)用貫穿在整個工程的全壽命周期內(nèi)。在設(shè)計階段，因為心圩江周邊自建房屋密集，踏勘人員很難進(jìn)入到現(xiàn)場進(jìn)行踏勘，利用高精度三維傾斜攝影模型，可直接在計算機上進(jìn)行踏勘。在河道設(shè)計中，直接利用高精度三維實景模型進(jìn)行河道設(shè)計，減少了房屋征地拆遷，優(yōu)化了河道設(shè)計。

將三維傾斜攝影模型直接接入建設(shè)管控平臺中，進(jìn)行二次開發(fā)，與BIM模型進(jìn)行疊加融合，對施工中各標(biāo)段的完成情況進(jìn)行直觀的顯示，同時利用實景模型真實性的特點，模擬不同降雨量下河道的泄洪能力。

基于三維傾斜攝影模型，將BIM模型融合到三維傾斜模型中，將流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與BIM疊加后可視化展示，進(jìn)行污水處理廠設(shè)備運行的管理與分析。同時，將建成后的河道進(jìn)行第二次無人機數(shù)據(jù)采集，形成建成后的心圩江全流域三維傾斜攝影模型，與水質(zhì)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，將水質(zhì)監(jiān)測點BIM模型結(jié)合到三維傾斜攝影中，并將水質(zhì)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)與BIM模型進(jìn)行掛接，當(dāng)水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)達(dá)到一定的閾值時，BIM模型在運維平臺的三維傾斜攝影模型模塊會發(fā)出預(yù)警，水質(zhì)檢測人員可直觀定位到河段的污染情況，及時找出污染源，進(jìn)行點源治理。

6 結(jié)語

在建立高精度大范圍三維傾斜攝影模型時，從無人機攝像元器件的選型、相控點的布置、無人機飛高的計算、內(nèi)業(yè)刺點的精準(zhǔn)性和分片區(qū)連接點的設(shè)置上都要做到精益求精，自帶RTK的無人機所得到的模型精度在其他技術(shù)保證的前提下，要明顯高于不帶RTK的無人機所得到的模型精度;相控點設(shè)置時，通過Matlab進(jìn)行圖片灰度處理，對比各種布置方式的灰度直方圖得出，對角三角形相控點在照片中的辨識度要高于“+”字型和“L”型，更易于內(nèi)業(yè)軟件中刺點，精準(zhǔn)性更高。在現(xiàn)在眾多無人機傾斜攝影模型作業(yè)的情況，本工程高精度傾斜攝影模型的建立為其他類型工程傾斜攝影模型的建立提供了經(jīng)驗和依據(jù)。

高精度的大范圍三維傾斜攝影模型可以應(yīng)用到環(huán)境綜合整治工程的全壽命周期：在設(shè)計階段，可用于工程方案討論和河道整治設(shè)計;在施工階段，通過建設(shè)管控平臺可對工程進(jìn)行精細(xì)化管控，可以縮短工期，節(jié)省投資;而在運維階段，通過對物聯(lián)網(wǎng)和BIM模型的結(jié)合，可以做到電子沙盤精準(zhǔn)控制“一張圖”。通過在三維傾斜攝影模型上實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)映射的直觀化，可以進(jìn)行污水處理廠設(shè)備運行的管理與分析。

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