無(wú)人機(jī)傾斜攝影地理信息采集在湖南省蒙公塘水文站的應(yīng)用

李穎 毛俊杰

（湖南省水文儀器設(shè)備檢測(cè)中心 湖南長(zhǎng)沙 410000）

當(dāng)前，水利信息化朝著應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和人工智能等新一代空間信息技術(shù)方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)水利對(duì)象及活動(dòng)的服務(wù)，這也是水利基礎(chǔ)測(cè)繪工作的新課題，將面臨著更廣的現(xiàn)實(shí)需求。其在實(shí)現(xiàn)流域高質(zhì)量發(fā)展中的基礎(chǔ)性作用不斷強(qiáng)化，一是要繼續(xù)滿(mǎn)足傳統(tǒng)的流域規(guī)劃等方面的需求，提供傳統(tǒng)的以4D產(chǎn)品（DOM（數(shù)字正射影像圖）、DEM（數(shù)字高程模型）、DRG（數(shù)字柵格地圖）、DLG（數(shù)字線(xiàn)劃地圖））為主的基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品；二是要滿(mǎn)足新時(shí)代背景下“水利工程補(bǔ)短板、水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”、智慧水利、流域動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)水情預(yù)報(bào)等愈來(lái)愈多樣化、定制化的新需求，提供各種尺度的從三維實(shí)體模型到一體化場(chǎng)景的地理信息產(chǎn)品［1］。

湖南省水文儀器設(shè)備檢測(cè)中心組織實(shí)施基本水文站的無(wú)人機(jī)傾斜攝影地理信息采集工作，對(duì)水文站上、下游河段及周邊進(jìn)行三維建模，成果將應(yīng)用于內(nèi)部信息平臺(tái)、四水項(xiàng)目、縣市級(jí)平臺(tái)、公眾服務(wù)平臺(tái)，讓受眾可直觀查看河段三維實(shí)景、水情實(shí)景模擬。

1 現(xiàn)狀分析

湖南水文測(cè)繪體系建設(shè)進(jìn)程中，以服務(wù)于防洪減災(zāi)、流域規(guī)劃、河湖治理、公眾應(yīng)用為目的，著重提升快速、高精度三維河道數(shù)據(jù)獲取、處理與分析等方面的綜合服務(wù)能力。當(dāng)前，由于技術(shù)限制，仍然存在一些問(wèn)題和不足。例如，水下地形測(cè)繪、三維建模工作量大；基礎(chǔ)信息更新時(shí)效性不強(qiáng)；地形的應(yīng)急測(cè)繪能力不足，難以滿(mǎn)足時(shí)效和精度的需求，亟需進(jìn)一步提高三維河道空間數(shù)據(jù)快速獲取、處理及分析能力；河湖測(cè)繪的產(chǎn)品形式較為原始、單一，難以全方位地滿(mǎn)足現(xiàn)代江河治理與水利建設(shè)的需要［2］。

針對(duì)幾類(lèi)問(wèn)題，需要在以下兩方面重點(diǎn)改善：（1）打通快速獲取高精度三維空間數(shù)據(jù)瓶頸，為應(yīng)急需求提供基礎(chǔ)保障；（2）建設(shè)湖南水文基礎(chǔ)地理服務(wù)平臺(tái)，提供更豐富，形式更多樣的測(cè)繪成果產(chǎn)品。因此，無(wú)人機(jī)傾斜攝影地理信息采集及三維建模成果可作為湖南水文的服務(wù)產(chǎn)品之一。無(wú)人機(jī)傾斜攝影地理信息采集及三維建模完成后，三維模型為今后進(jìn)行測(cè)站基本信息展示、淹沒(méi)分析等提供數(shù)據(jù)支撐，是整個(gè)四水系統(tǒng)建設(shè)的重要一環(huán)。

2 技術(shù)路線(xiàn)

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，并在國(guó)防、公安、水利、電力、國(guó)土、農(nóng)林、石油、勘測(cè)、娛樂(lè)等行業(yè)廣泛應(yīng)用。同時(shí)，無(wú)人機(jī)控制技術(shù)、數(shù)碼航攝技術(shù)及影像處理技術(shù)的不斷成熟，成功解決了傳統(tǒng)攝影測(cè)量上技術(shù)的困難和傳統(tǒng)測(cè)繪成本高、強(qiáng)度大的問(wèn)題，無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)成為繼全站儀、RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位）后新一代的測(cè)繪技術(shù)裝備［3］。傾斜攝影技術(shù)是國(guó)際上新發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)，它搭載多臺(tái)傳感器，從5個(gè)不同的角度對(duì)采集對(duì)象進(jìn)行攝影（1 個(gè)垂直角度和4 個(gè)傾斜角度）?；跓o(wú)人機(jī)航測(cè)及傾斜攝影技術(shù)生產(chǎn)的4D 產(chǎn)品和實(shí)景三維模型已廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域。

本中心開(kāi)展了專(zhuān)題研究，多次深入水文測(cè)站現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地試飛，探索最好的采集方法。通過(guò)不斷反復(fù)實(shí)踐比較，確立了查勘采集現(xiàn)場(chǎng)、確定采集范圍、布置采集控制點(diǎn)、測(cè)定經(jīng)緯度及高程、設(shè)定軟件參數(shù)、獲取現(xiàn)場(chǎng)地理信息、數(shù)據(jù)處理生成等工作措施，找到了最合適的無(wú)人機(jī)野外采集水文測(cè)站三維地理信息的辦法［4］。

3 系統(tǒng)組成

無(wú)人機(jī)傾斜攝影地理信息采集在蒙公塘水文站通過(guò)航測(cè)無(wú)人機(jī)搭載攝像機(jī)對(duì)流域進(jìn)行拍攝，實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)采集，對(duì)采集到的影像采用專(zhuān)業(yè)影像數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行處理，形成規(guī)范的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，再對(duì)采集的影像進(jìn)行三維建模。系統(tǒng)組成見(jiàn)圖1，傾斜影像特點(diǎn)如下。

圖1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影地理信息采集項(xiàng)目系統(tǒng)組成圖

（1）能反映流域周邊最真實(shí)的狀況。與正射影像相比，傾斜影像能提供多角度觀察地物，能更好地反映出流域的實(shí)際狀況，彌補(bǔ)了正射影像的不足。

（2）可進(jìn)行單張影像的量測(cè)。通過(guò)影像處理軟件的應(yīng)用，可基于影像成果直接進(jìn)行長(zhǎng)度、高度、面積、坡度、角度、剖面等的量測(cè)及堆積體體積的計(jì)算，使傾斜攝影技術(shù)在各行各業(yè)廣泛應(yīng)用。

（3）數(shù)據(jù)格式量小，利于在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布。采用傾斜攝影技術(shù)得到的影像數(shù)據(jù)量要比三維GIS數(shù)據(jù)的量小得多，并且其影像的數(shù)據(jù)可快速進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，實(shí)現(xiàn)共享。

4 蒙公塘水文站地理信息采集開(kāi)展

4.1 站點(diǎn)基本情況

蒙公塘水文站1972年建站，是資水一級(jí)支流區(qū)域代表站，位于湖南省益陽(yáng)桃江縣大栗港鎮(zhèn)蒙公塘組，屬山溪性暴漲暴落河流。它的集水面積約為509km2，干流長(zhǎng)約72km，基本水尺斷面至河口距離7km。

4.2 項(xiàng)目開(kāi)展流程

項(xiàng)目開(kāi)展流程包括前期資料收集、現(xiàn)場(chǎng)勘察、編寫(xiě)實(shí)施方案、像控點(diǎn)測(cè)量及航攝實(shí)施、三維建模、質(zhì)量評(píng)估、上傳四水系統(tǒng)，流程圖如圖2所示。

圖2 項(xiàng)目流程圖

4.3 操作步驟

（1）用地圖軟件確定地理信息采集范圍，標(biāo)出確定像控點(diǎn)位置，如圖3所示。

圖3 蒙公塘水文站攝影區(qū)域及像控點(diǎn)位置

（2）在天氣晴朗、低空無(wú)云霧、能見(jiàn)度大于5km、太陽(yáng)高度角大于45°時(shí)進(jìn)行航攝。

（3）根據(jù)周邊環(huán)境，確定飛行高度是否合適（本次飛行高度為180m），對(duì)無(wú)人機(jī)設(shè)備進(jìn)行組裝和進(jìn)行飛行前例行檢查，將地圖文件導(dǎo)入遙控器，飛行航線(xiàn)要按照實(shí)際需要的地面分辨率進(jìn)行設(shè)計(jì)，航線(xiàn)能完整覆蓋整個(gè)航拍區(qū)域。根據(jù)無(wú)人機(jī)的性能參數(shù)如巡航速度、續(xù)航時(shí)間、有遮擋及無(wú)遮擋環(huán)境下可控距離，以及航攝地區(qū)的地形特征等，規(guī)劃無(wú)人機(jī)的飛行航線(xiàn)及規(guī)定單架次飛行的最大飛行距離以保證無(wú)人機(jī)的飛行安全，確定飛行路線(xiàn)后輸入相關(guān)飛行參數(shù)。

（4）根據(jù)地圖文件上標(biāo)記的像控點(diǎn)位置，在蒙公塘水文站周邊逐一進(jìn)行像控點(diǎn)噴涂，同時(shí)，利用GNSS 接收機(jī)，采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量RTK（Real-Time Kinematic）載波相位差分技術(shù)測(cè)量經(jīng)緯度及高程數(shù)據(jù)。像控點(diǎn)必須選在明顯且影像清晰的地物點(diǎn)上，如細(xì)田埂的交匯點(diǎn)、十字路口的道路中心線(xiàn)交匯點(diǎn)或其他接近正交的線(xiàn)狀地物交點(diǎn)，且選在航線(xiàn)（上下兩條）6 片重疊的范圍內(nèi)，使布設(shè)的控制點(diǎn)能用于多張像片。

（5）像控點(diǎn)噴涂完成后，開(kāi)始無(wú)人機(jī)傾斜攝影，采集過(guò)程中要實(shí)時(shí)監(jiān)控采集過(guò)程。由于飛行范圍大、時(shí)間長(zhǎng)，航攝中途要分幾次更換電池以保證設(shè)備安全與數(shù)據(jù)完整。飛行距離過(guò)遠(yuǎn)可能遇到與無(wú)人機(jī)無(wú)法連接的情況，要對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行及時(shí)召回，確保無(wú)人機(jī)與遙控器連接正常。

（6）在信息采集現(xiàn)場(chǎng)填寫(xiě)《無(wú)人機(jī)傾斜攝影地理信息采集項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)信息記錄表》。

（7）將攝影相機(jī)拍攝的照片用賽爾航測(cè)管家系統(tǒng)進(jìn)行處理和輸出，拷貝至電腦。

（8）進(jìn)行三維建模工作。將高分辨率的航攝影像及對(duì)應(yīng)的POS 數(shù)據(jù)建模，建模前對(duì)起飛和降落階段不合格的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除［5］?；贑ontext Capture，建立三維GIS模型，對(duì)模型精修和單體化處理，可能會(huì)存在由于錯(cuò)誤的影像匹配或者較差的幾何姿態(tài)造成建筑變形、懸浮物、丟失部件等情況。通過(guò)單體化軟件，對(duì)模型進(jìn)行精修重建，使地物要素完整，從而達(dá)到后期三維GIS 應(yīng)用［6］。水面修飾即是用于展示的實(shí)景三維模型成果，需將水面的空洞、凸起或下陷的部分刪除、填充、整平并賦正常水面顏色。水文站模型修飾在修飾水文站特定模型時(shí)，要以其細(xì)節(jié)層次照片為基本依據(jù)，故在外業(yè)航片采集時(shí)，需對(duì)該特定地物進(jìn)行多方位、多層次的環(huán)繞平拍。對(duì)水尺、傳感器等精細(xì)對(duì)象進(jìn)行建模表現(xiàn)，需要實(shí)地使用相機(jī)拍攝全貌和細(xì)節(jié)，建模效果如圖4所示。

圖4 蒙公塘水文站三維模型

5 結(jié)語(yǔ)

雖然無(wú)人機(jī)應(yīng)用技術(shù)在不斷深入，但是水文行業(yè)的基礎(chǔ)地理信息采集應(yīng)用在我省還是首次，如何使無(wú)人機(jī)應(yīng)用技術(shù)與水文專(zhuān)業(yè)技術(shù)要求和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，采集到適合水文工作需要的基礎(chǔ)地理信息，是一道前所未有的課題。將通過(guò)對(duì)各種自然環(huán)境下的水文站進(jìn)行多次采集和研究，來(lái)完成更好的水文站三維建模，讓無(wú)人機(jī)傾斜攝影地理信息采集工作在湖南水文中充分發(fā)揮其作用。