無人機傾斜攝影測量在水利中的應(yīng)用探索

劉翰琪， 董阿忠， 趙 鋼

(1.南京工業(yè)大學(xué) 測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 江蘇 南京 211800； 2.江蘇省水利科學(xué)研究院， 江蘇 南京 210017)

水利是現(xiàn)代化經(jīng)濟體系的重要基礎(chǔ)，是供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的關(guān)鍵措施，是生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容。當(dāng)前，中國特色社會主義進(jìn)入新時代，水利發(fā)展的內(nèi)外部環(huán)境都發(fā)生了重大而深刻的變化，面臨著全新的形勢和任務(wù)要求。江蘇省濱江臨海，河湖眾多，隨著經(jīng)濟社會快速發(fā)展，水利高質(zhì)量發(fā)展成為江蘇高質(zhì)量發(fā)展的重要組成部分。為了加強生態(tài)文明建設(shè)，促進(jìn)現(xiàn)代化水利的快速發(fā)展，常規(guī)的航空攝影測量單一的垂直航測影像已無法滿足現(xiàn)今的建設(shè)需求。因此，實現(xiàn)多視角傾斜影像的獲取具有重要的現(xiàn)實意義。

近年來，無人機低空攝影測量作為發(fā)展較為活躍的研究領(lǐng)域，具有機動靈活、方便高效、作業(yè)成本低、適用范圍廣闊和生產(chǎn)周期短等特點，在現(xiàn)代化水利發(fā)展中的應(yīng)用也愈發(fā)廣泛。低空飛行平臺搭載多種航攝傳感器后可獲取地面影像或掃描點云數(shù)據(jù)，可隨時對河湖等情況進(jìn)行了解。無人機航測在快速獲取飛行困難地區(qū)的高分辨率影像方面具有明顯優(yōu)勢，并能利用獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行正射影像制作、多光譜影像分析、數(shù)字線劃圖生產(chǎn)以及快速實景三維建模等。

1 傾斜攝影測量技術(shù)

作為測繪領(lǐng)域新興發(fā)展的技術(shù)，傾斜攝影測量技術(shù)融合了傳統(tǒng)的航空攝影和近景測量技術(shù)，打破了傳統(tǒng)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1個垂直、4個傾斜共5個不同的角度采集影像,見圖1。結(jié)合無人飛行平臺搭載的GPS/IMU系統(tǒng)獲取POS數(shù)據(jù)和像控點數(shù)據(jù)，經(jīng)過相關(guān)軟件處理獲取點云數(shù)據(jù)、數(shù)字正攝影像和三維模型。飛行姿態(tài)平穩(wěn)、抗外界干擾性強的無人機飛行平臺是系統(tǒng)的基本保障。文中使用的無人機平臺大疆M600Pro包含了A3Pro飛行控制器，提供了三模塊冗余，且基于3組GNSS單元的數(shù)據(jù)增強了精準(zhǔn)度。在6kg的負(fù)載下，該機仍可提供長達(dá)16min的續(xù)航和5km飛行距離。

圖1 傾斜攝影測量原理

2 數(shù)據(jù)處理及關(guān)鍵技術(shù)

無人機攝影測量的一般作業(yè)流程為：像片控制測量、高分辨率航測影像數(shù)據(jù)獲取、空三加密、立體三維模型生成。整體的作業(yè)流程圖如圖2所示。

圖2 無人機作業(yè)流程

2.1 地面控制方案

無人機攝影測量的數(shù)據(jù)采集需要布設(shè)一定數(shù)量的控制點作為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。需獲取控制點坐標(biāo)及高程，其數(shù)量和在像片上的位置需滿足圖像信息處理的要求。根據(jù)測區(qū)地形條件、攝影資料及信息處理方法采取不同的布設(shè)方案。像控點應(yīng)選擇在航攝像片上影像清晰、目標(biāo)明顯的像點，實地選點時，也應(yīng)考慮側(cè)視相機是否會被遮擋，相鄰相對和航線之間的控制點盡量公用，必須選擇在像片上明顯的目標(biāo)點，對于弧形地物、陰影、狹窄溝頭、水系、高程急劇變化的斜坡、圓山頂、與地面有明顯高差的房角、圍墻角等，以及航攝后有可能變遷的地方，均不能設(shè)點。

2.2 影像匹配

對比傳統(tǒng)航測垂直影像，傾斜攝影測量的影像的旋轉(zhuǎn)角更大，傾斜攝影測量獲取區(qū)域內(nèi)同一地物不同視角的影像，具有更高的影像重疊度，增加了數(shù)據(jù)的冗余度。因此，基于小角度旋轉(zhuǎn)角的常規(guī)匹配算法無法較好應(yīng)用于傾斜航測的影像匹配。傳統(tǒng)攝影測量的影像匹配由于傳感器等硬件設(shè)備性能問題，常以單基線影響匹配為主，易出現(xiàn)“病態(tài)解”，且匹配精度和可靠性低。顧及傾斜影像的匹配涉及相機運動過程中投影變換的所有參數(shù)，屬于抗仿射變換匹配算法的一種，因此傾斜影像匹配采用ASIFT算法，該算法以特征為匹配基元，具有完全仿射不變特性。利用對同一地物的不同視角的影像，將單基線的“病態(tài)解”轉(zhuǎn)換為多基線的“確定解”，提高了影像匹配的精度，增強其可靠性。

2.3 空三加密

空三加密是傾斜攝影測量中重要的步驟。根據(jù)少量外業(yè)實測的控制點，按一定的數(shù)學(xué)模型，平差解算出攝影測量作業(yè)過程中所需的全部控制點及每張像片的外方位元素。

獲取了內(nèi)方位元素、航高、比例尺、控制點坐標(biāo)以及控制點的像點坐標(biāo)后利用后方交會可解算像片的外方位元素。根據(jù)共線方程式：

(1)

(2)

經(jīng)空間后方交會，通過多余觀測方程提高解算外方位元素精度，最后根據(jù)最小二乘法間接平差原理，采用逐步趨近的方法決算出外方位元素和加密點坐標(biāo)。通過空三加密可不觸及被量測目標(biāo)測定其位置與姿態(tài)，獲得測區(qū)范圍內(nèi)任意點的絕對坐標(biāo)。獲取了一定數(shù)量的加密點即可生成密集點云，以便進(jìn)行建模后續(xù)工作。

2.4 多視角紋理映射

多視角紋理映射技術(shù)是城市建模中的主要內(nèi)容之一，其目的在于恢復(fù)模型的真實感，增強模型的可視化效果。通過獲取影像的內(nèi)、外方位元素，匹配二維影像上的線段與三維建筑物模型三維線段的投影結(jié)果完成配準(zhǔn)，綜合影像遮擋影響、影像分辨率、模型法向量等因素選擇高質(zhì)量的紋理，最終形成紋理庫以備模型的渲染。

3 水利行業(yè)的應(yīng)用

3.1 洪澇災(zāi)害的預(yù)警

三維模型可用于洪澇災(zāi)害的淹沒分析和災(zāi)害預(yù)損失評估。利用三維模型并結(jié)合周期降水量及水域周邊地理信息等數(shù)據(jù)，可實時監(jiān)測水域水位變化，通過模擬分析其水利地理環(huán)境可對洪澇災(zāi)害做出預(yù)警。結(jié)合已有的物理模型，對其進(jìn)行參數(shù)化表達(dá)并定義模型的輸入、輸出接口及分析算法，可實現(xiàn)對洪水水位及其演進(jìn)過程的模擬計算；根據(jù)洪澇指數(shù)以及風(fēng)險等級，在數(shù)據(jù)庫的支持下，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)，采用三維可視化數(shù)據(jù)可綜合預(yù)評估災(zāi)害造成的損失情況。

3.2 智慧水利的感知

智慧水利是利用安裝在水利設(shè)施的智能感知設(shè)備，通過移動互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星通信和云計算處理等實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集傳輸、智能控制級集成處理的空間信息服務(wù)系統(tǒng)。水利地理信息是智慧水利發(fā)展的關(guān)鍵要素。實時監(jiān)測水利地理環(huán)境、水生態(tài)變化，獲取動態(tài)水利信息是智慧水利的重要手段。無人機傾斜攝影測量采用多視角影像構(gòu)建三維模型，真實地反映水利情況，快速、高效的表達(dá)目標(biāo)水域及其周邊的水利地理信息，通過對水利環(huán)境實時、動態(tài)、三維的可視化表達(dá)，可重現(xiàn)真實的水利地理環(huán)境，實現(xiàn)水資源與管理者實時信息互動。

3.3 長江大保護的輔助

“長江大保護”是針對長江流域生態(tài)環(huán)境修復(fù)及發(fā)展提出的戰(zhàn)略性決策。為了保護長江流域的生態(tài)資源、生物多樣性資源、礦物資源和空間資源，“長江大保護”提出的“生態(tài)優(yōu)先，綠色發(fā)展”理念具有重要的意義。采用無人機傾斜攝影測量獲取數(shù)據(jù)并構(gòu)建三維模型是做好“長江大保護”的重要技術(shù)手段之一。利用水域及其周邊環(huán)境的實景三維模型可實時監(jiān)測河道生態(tài)環(huán)境，提升河道生態(tài)河道，加強沿河特色生態(tài)風(fēng)貌。有利于控源截污，實現(xiàn)實時水質(zhì)監(jiān)測，強化快速反應(yīng)。能有效打擊各種非法捕撈和違法違建，保護生物的多樣性。通過對模型的分析能提高用水效率、加強水資源保護，實現(xiàn)管理者與水資源實時互動，有助于加強管理保護監(jiān)管。

4 實例分析

4.1 測區(qū)概況

為了驗證無人機傾斜技術(shù)測量技術(shù)的應(yīng)用效果，我們選擇緊鄰洪澤湖的成河鄉(xiāng)進(jìn)行了航飛實驗，該區(qū)域位于江蘇省泗洪縣東部，洪澤湖西岸(東經(jīng)118°38'19.00"～118°40'12.94"、北緯33°20'23.98"～33°21'21.15")。

測區(qū)四面環(huán)水，整體呈東西方向狹向分布，東西方向長度約3km，南北方向長度約1.3km，總面積約4km2。測區(qū)內(nèi)主要地物為水塘、農(nóng)田，有少量低層建筑。如圖3所示，紅色標(biāo)注區(qū)域為測區(qū)的具體位置。

圖3 測區(qū)位置

4.2 測量技術(shù)

像控點布置：共布設(shè)59個像控點，分布在地勢平坦區(qū)域，避開磚窯煙囪、垃圾桶、電線桿等地面明顯凸起物，見圖4。

圖4 像控點分布圖

像片控制測量：使用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)獲取像控點的平面坐標(biāo)和高程坐標(biāo)，用于傾斜空三攝影測量的絕對平差，技術(shù)參數(shù)見表1。

本項目三維建模采用Smart3D軟件，該系統(tǒng)是一套基于圖形處理器GPU，無需人工干預(yù)，僅從簡單連續(xù)照片即可全自動生成高分辨率實景三維模型的三維編輯軟件。其運用最高效先進(jìn)的運算法則，支持多種數(shù)據(jù)格式輸出，如obj，osgb，dae，xml等，可自由導(dǎo)入各種平臺并能進(jìn)行三維模型的編輯修飾工作。

表1 航攝技術(shù)參數(shù)

4.3 數(shù)據(jù)處理

建立Block文件導(dǎo)入Smart3D軟件，檢查照片組是否存在影像丟失；在3DView中查看影像點的排列，將飄離在序列外的點直接刪除。數(shù)據(jù)載入之后，系統(tǒng)進(jìn)行影像特征點提取，同名特征點匹配，最后采用光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差解算出影像外方位元素，通過前方交會計算出加密點的地面坐標(biāo)。自動化空三加密完成后可在3DView中可視化顯示解算成果。多次提交空三加密后可生成三維模型，見圖5。

圖5 模型效果圖

從三維模型的效果看，無人機航攝的測量精度已基本滿足水利工程測量的要求，且無人機三維實景建模較傳統(tǒng)的建模方法更為高效、更加逼真。但是，該建模方法還存在以下問題：(1)對于水域的建模存在空洞，若要完整還原地形，還需結(jié)合水下地形測量；(2)影像的質(zhì)量直接影響模型成果的精度，對無人機設(shè)備的要求較高，影響飛行效率；(3)無人機航拍的影像數(shù)據(jù)量大，給內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作帶來諸多不便，大面積區(qū)域的影像數(shù)據(jù)會影響模型輸出效率。

5 結(jié) 語

本文利用無人機采集傾斜數(shù)據(jù)影像，制作三維實景模型。結(jié)合實際工程項目完成三維實景建模，并通過精度對比分析得出模型，模型能滿足國家規(guī)范要求。通過實驗分析，該方案較之傳統(tǒng)傾斜攝影測量，成本低、效率高、且可控性強，對小型建模項目具有一定的借鑒和參考價值。但該方案也存在自身的局限性，要嚴(yán)格按照方案提出的數(shù)據(jù)采集方法和內(nèi)業(yè)處理方法來執(zhí)行，并且影像的精度直接影響建模效果，對于無人機硬件設(shè)施要求較高。在參考本方案之前需對項目有一定的理解，以便在實際的操作過程中做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。