傾斜攝影在港口碼頭技術(shù)狀態(tài)評定中的實踐與應(yīng)用

張烜 侯佳俊 金廣龍 渤海石油航務(wù)建筑工程有限責(zé)任公司

1.前言

無人機傾斜攝影技術(shù)因具有快速高效、機動靈活、成本低等多種優(yōu)勢，現(xiàn)多用于遙感測繪領(lǐng)域。對于港口碼頭技術(shù)狀態(tài)評定這種空間資源有限，數(shù)據(jù)采集困難的項目，通過無人機對港口碼頭利用傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行實地數(shù)據(jù)采集，再利用攝影數(shù)據(jù)建立高分辨率詩經(jīng)模型，檢測人員直接通過模型查看港口設(shè)施的真實情況，對明顯破損地方可以進(jìn)行測量與標(biāo)記，對于破損嚴(yán)重的地方再深入現(xiàn)場進(jìn)行詳細(xì)檢測。

2.傾斜攝影實景建模技術(shù)

傾斜攝影技術(shù)是國際攝影測量領(lǐng)域近十幾年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，區(qū)別于正射影像只能從垂直角度拍攝與觀察的局限性，傾斜攝影通過搭載五鏡頭，可通過從一個垂直、四個傾斜、五個不同的視角同步采集多角度影像，獲取到多維度的物體頂面及側(cè)視的高分辨率紋理?；趦A斜攝影建立的實景模型能夠真實地反映地物情況，高精度地獲取物體的紋理信息，為檢測人員反映構(gòu)件各個面的特征。在歐美等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)廣泛應(yīng)用于應(yīng)急指揮、國土安全、城市管理、房產(chǎn)稅收等行業(yè)。

傾斜攝影實景建模在大規(guī)模城市三維建模、地形勘察行業(yè)已有較多應(yīng)用，但在港口設(shè)施巡檢中鮮有涉及。此外傳統(tǒng)的傾斜攝影技術(shù)雖然可以快速通過五角度鏡頭獲取目標(biāo)區(qū)域的傾斜攝影數(shù)據(jù)，但采購的硬件成本高、專業(yè)測繪無人機操作復(fù)雜難度高，人員素質(zhì)要求高。因此對于非大型測繪項目的港口設(shè)施技術(shù)狀態(tài)評定，使用單鏡頭民用無人機模擬專業(yè)五角度鏡頭的拍攝效果，是一個較好的解決方案。

3.實景建模作業(yè)實例

3.1 項目概況

中海油某終端處理廠位于渤海灣綏中縣海域內(nèi)，包括后方場地、3千噸散貨泊位1座、3萬噸原油外輸泊位1座、5萬噸原油外輸泊位1座。碼頭平面為突堤式防波堤碼頭，結(jié)構(gòu)為重力式沉箱，其中引堤長度2公里。碼頭建于2012年，已使用8年，根據(jù)規(guī)定，需要對其進(jìn)行技術(shù)狀態(tài)評定，以確定碼頭水工結(jié)構(gòu)狀態(tài)是否滿足安全生產(chǎn)需要。

3.2 無人機傾斜攝影

外業(yè)作業(yè)前，確定飛行區(qū)域的控制點成果、坐標(biāo)系統(tǒng)、高程基準(zhǔn)參數(shù)以及碼頭地形圖等地面控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)制定本項目無人機航飛技術(shù)方案，確定飛行航線、像控布設(shè)及測量，以及無人機狀態(tài)（影像分辨率、影像重疊率、飛行航高、影像拍攝間隔、鏡頭白平衡等）。方案確定完成后，需要對飛行區(qū)域空域申請，保證飛行的合規(guī)性和安全性。

外業(yè)飛行設(shè)置，此次作業(yè)采用兩臺大疆精靈4RTK無人機進(jìn)行作業(yè)，分別對后方終端廠、碼頭進(jìn)行實景建模。航向重疊70%、旁向重疊70%，影像重疊率80%，傾斜角度-60°，飛行高度89m，影像精度2.5cm。坐標(biāo)系統(tǒng)為CGCS2000，大地高程系統(tǒng)，RTK定位，影像為RGB模式真彩色模式，白平衡為陰天，JPG格式。

按照碼頭飛行區(qū)域布設(shè)像控點，根據(jù)技術(shù)方案利用無人機搭載多傳感器從一個垂直、多個傾斜等不同角度采集碼頭實景數(shù)據(jù)。

3.3 實景建模

基于無人機采集的數(shù)據(jù)，采用Bentley ContextCapture進(jìn)行內(nèi)業(yè)空三加密、生成點云、建立實景三維模型。ContextCapture是基于影像自動化進(jìn)行三維模型構(gòu)建的并行軟件系統(tǒng)，軟件建模對象為靜態(tài)物體，輔以相機傳感器屬性、照片位置姿態(tài)參數(shù)、控制點等信息，在進(jìn)行空中三角測量計算、模型重建計算后，輸出相應(yīng)GIS成果，以供瀏覽或后期加工。

3.4 臨水作業(yè)技術(shù)難點與解決方法

因航攝影像包含水面影像，而水面部分反光會導(dǎo)致軟件誤判空間位置，常規(guī)城市三維建模內(nèi)業(yè)設(shè)置會導(dǎo)致空三計算錯誤，空三結(jié)果與模型重構(gòu)時會發(fā)生模型扭曲的現(xiàn)象。如圖1所示，空三結(jié)果后方場地影像位置錯誤，碼頭部分出現(xiàn)明顯扭曲變形。

此次內(nèi)業(yè)處理空三計算設(shè)置參數(shù)如下：關(guān)鍵點密度設(shè)置為高，評估策略位置設(shè)置保持，角元素設(shè)置保持，焦距選擇平差調(diào)整，主點選擇保持。本項目外業(yè)作業(yè)采用的大疆精靈4RTK無人機具有高精度差分RTK定位，定位精度可達(dá)2cm，故采用保持可滿足建模需求。本設(shè)置下空三計算結(jié)果與模型重構(gòu)效果正常，滿足實際需要。

4.實景模型應(yīng)用

4.1 測量與標(biāo)注

基于無人機傾斜攝影技術(shù)建立的實景模型可通過Context Capture Viewer軟件顯示的模型觀察碼頭整體狀態(tài)，并對觀察到的裂縫、破損面在模型中進(jìn)行長度測量、面積測量、位置標(biāo)注。同時對于橡膠護(hù)舷的損壞、缺損進(jìn)行標(biāo)注和統(tǒng)計，為港口碼頭技術(shù)狀態(tài)評定提供精確數(shù)值參考。

4.2 扭王字塊重量

圖1 空三計算輸出結(jié)果顯示影像位置與實際不符

圖2 使用測量工具欄確定扭王字塊重量

根據(jù)防波堤與護(hù)岸設(shè)計規(guī)范（JTS 154-2018）要求，需要確定每百平方米扭王字塊重量，傳統(tǒng)檢測方法存在較多不便。實景模型中的物體長、寬、高、面積等參數(shù)與實體數(shù)據(jù)一致，因此可基于實景模型進(jìn)行扭王字塊的測算。在實景模型中選取一段防波堤，選擇面積測量功能，沿防波堤斜面依次選擇4個點確定一塊區(qū)域，設(shè)置切分正方形邊長為2米，故每塊正方形面積為4平方米，隨機選擇25塊正方形區(qū)域。用其中扭王字塊乘以單塊扭王字塊重量即為該防波堤百平方米重量。此過程重復(fù)三次，選取平均值即為結(jié)果，如圖2所示。

4.3 港口碼頭維護(hù)改造

對于港口碼頭這類大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行維護(hù)改造工程不是單個獨立進(jìn)行，而是需要結(jié)合整體碼頭的情況進(jìn)行綜合考慮和規(guī)劃。但僅依靠地圖平面無法直觀對現(xiàn)有碼頭進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，利用無人機采集的實地數(shù)據(jù)建立的實景模型則可以反應(yīng)碼頭實時狀態(tài)，以便對港口碼頭維護(hù)改造工程進(jìn)行精準(zhǔn)評估，還可以與未來規(guī)劃的碼頭進(jìn)行結(jié)合，模擬規(guī)劃方案效果，輔助決策。

5.結(jié)束語

文章主要介紹了一種采用民用無人機平臺通過傾斜攝影實景建模技術(shù)輔助港口設(shè)施進(jìn)行技術(shù)狀態(tài)評定的方法，方便檢測人員直觀的掌握港口設(shè)施的運行狀態(tài)，出具評定報告。并指出臨水工程實景建模難點，并提出了解決辦法。