傾斜攝影測量技術(shù)在水利工程測繪中的應(yīng)用

梁玉華

（黔西南州水利電力勘測設(shè)計(jì)院，貴州 興義 562400）

隨著當(dāng)前國家社會經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平的持續(xù)提高，現(xiàn)代水利的建設(shè)范圍也在不斷拓展。在水利工程測繪中，傾斜攝影測量技術(shù)也得到了更廣泛的使用。作為在工程測量與遙感應(yīng)用領(lǐng)域迅速蓬勃發(fā)展起來的新技術(shù)，它是一種安裝在無人機(jī)上的多鏡頭相機(jī)，可以全方位無盲區(qū)地拍攝指定區(qū)域，并能產(chǎn)生真實(shí)的三維圖像。傾斜攝影設(shè)備在測量地形圖時(shí)快速靈活，操作范圍廣，因此，它在水利工程測繪中得到廣泛應(yīng)用，全面提高了工程測量智能化作業(yè)的總體質(zhì)量和技術(shù)水平，也保證了水利工程建設(shè)的有效進(jìn)行。因此，研究傾斜攝影測量技術(shù)在水利工程測繪中的具體應(yīng)用具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 傾斜攝影測量技術(shù)特征

傾斜攝影測量技術(shù)的普及應(yīng)用極大地降低了測繪人員的工作量，可以不需通過計(jì)算程序來處理各種信息，從而實(shí)現(xiàn)高級別自動計(jì)算，不再需要后期拍攝。與傳統(tǒng)垂直視角下進(jìn)行的正射影像比較，它能夠更好地獲取目標(biāo)物體的信息，從而補(bǔ)充了地面?zhèn)鹊募?xì)節(jié)，也因此解決了傳統(tǒng)人工模擬的低真實(shí)感問題，使3D 模型效果更加貼近于實(shí)際情景。傾斜攝影測量技術(shù)對天氣條件和環(huán)境要求均不高，而且飛行周期也較短。僅需數(shù)名專業(yè)技術(shù)人員即可操作，靈敏度高，大大減少了飛行攝影和勞動力成本。目前，傳統(tǒng)的航拍技術(shù)已無法適應(yīng)現(xiàn)代發(fā)展的需要。傾斜攝影測量技術(shù)是在其基礎(chǔ)上得到進(jìn)一步創(chuàng)新。同一架無人機(jī)上搭載多個(gè)攝像頭，為后續(xù)的自動化批量處理和分析提供更多信息數(shù)據(jù)，減少航拍數(shù)量，從而大大地減少了航拍工作量、設(shè)計(jì)與建模成本，降低了設(shè)備損耗[1]。另外，傾斜攝影測量無人機(jī)上的攝像頭能夠自由改變視角，以便獲取更寬的視野，為視覺檢測數(shù)據(jù)資料的獲取與分析提供了重要保證。

2 傾斜攝影測量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

傾斜攝影測量技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種嶄新的檢測技術(shù)，克服了以往探測遙感技術(shù)僅僅通過垂直角度進(jìn)行拍攝的限制。傾斜攝影測量技術(shù)主要是利用各種感應(yīng)器快速、有效地獲取了海量數(shù)據(jù)信號，反映出了真實(shí)的客觀條件，滿足了人們對三維數(shù)據(jù)的需求。

但我國目前尚缺乏傾斜攝影的國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，業(yè)界普遍認(rèn)為按照航空的有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，圖像的拍攝必須遵循專業(yè)航拍規(guī)范，而數(shù)據(jù)則遵循航三、DOM、DEM、DLG 等先進(jìn)技術(shù)的生產(chǎn)規(guī)范，但這并沒有技術(shù)上全面發(fā)展的長期解決方案。如果想要得到更精確的信息，就需要一個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，由于無人機(jī)領(lǐng)域內(nèi)并沒有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及相應(yīng)規(guī)范，也導(dǎo)致傾斜攝影測量技術(shù)的前景受到了很大的影響。盡管傾斜攝影測量技術(shù)一直以來在測繪領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用比較普遍，但是由于核心技術(shù)尚不是很完善，后期的具體應(yīng)用仍處于行業(yè)內(nèi)的探索過程當(dāng)中。從 3D 模型的集成、網(wǎng)頁引擎使用，以及各應(yīng)用系統(tǒng)或軟件的通用性、后期可修改性等，都是行業(yè)內(nèi)正在逐漸破解的技術(shù)問題。加上各企業(yè)開發(fā)規(guī)劃水平也參差不齊，所開發(fā)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)也亟需進(jìn)一步提高與改進(jìn)。傾斜攝影測量技術(shù)和垂直攝影一樣都存在著許多的困難。

3 傾斜攝影測量技術(shù)在水利工程中的優(yōu)點(diǎn)

目前隨著我國水利工程信息化水平的不斷提高，越來越多的測繪技術(shù)被應(yīng)用到水利工程建設(shè)中，為水利建設(shè)和管理提供了科學(xué)依據(jù)。其中傾斜攝影測量技術(shù)最具典型。傾斜攝影測量技術(shù)是指利用無人機(jī)航測的一種技術(shù)。它的最大優(yōu)勢在于采用傾斜攝像技術(shù)在無人機(jī)中配置多個(gè)攝像機(jī)，采用傾斜、垂直等多個(gè)視角開展技術(shù)測量與資料的收集，能夠有力保障水利工程建設(shè)項(xiàng)目，對地表地理資料數(shù)據(jù)的收集更為全面與精準(zhǔn)，為今后工程使用夯實(shí)基礎(chǔ)。在水利工程測繪中，因?yàn)楹芏嗟胤教珡?fù)雜，不能進(jìn)行人工接入，造成了測量數(shù)據(jù)的不精確。而通過傾斜攝影測量技術(shù)，可以輕松快捷地收集測量數(shù)據(jù)，從而使相關(guān)工作人員可以無須拍照，直接利用測量程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，自動獲取數(shù)據(jù)，從而極大地提高了測量技術(shù)人員的工作效率和減少了測量成本。另外，傾斜攝影測量技術(shù)大多是用于空中飛行，其獲取的影像和資料存在很大的測量范圍。通過調(diào)整不同角度的攝像頭角度，可以從不同的角度獲取大量的測量數(shù)據(jù)。同時(shí)，傾斜攝影設(shè)備上獲取的影像能夠作為被測對象的角度數(shù)據(jù)，能有效補(bǔ)償在地面的某些側(cè)面細(xì)節(jié)。

在水利工程領(lǐng)域，傾斜攝影測量技術(shù)的使用能夠極大地提高測試效率。工程測量技術(shù)人員通過將傾斜攝影測量技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)相結(jié)合，形成了工程測區(qū)三維建模系統(tǒng)，并由此具有了較好的工程可視化。測量等作業(yè)不但能夠給決策者產(chǎn)生深刻的印象，有助于他們做出準(zhǔn)確的判斷，而且可以提升測繪的工作效率。傾斜攝影測量技術(shù)不僅可以保證較高的分辨率，同時(shí)相機(jī)數(shù)據(jù)的地面清晰度也可超過5cm，一天內(nèi)可獲得1km2的測量信息，可見于傾斜攝影測量技術(shù)的高效率。同時(shí)通過傾斜攝影技術(shù)還可使用POS、TBS 等新技術(shù)進(jìn)行工程測繪，使工程測繪人員打破了以往對工程理論知識的依賴性，實(shí)現(xiàn)掌握了基礎(chǔ)的無人機(jī)作業(yè)技能，能夠隨時(shí)隨地完成測繪流程，進(jìn)行項(xiàng)目測量作業(yè)，并由此提高水利工程測繪的工作質(zhì)量和效率，進(jìn)而大大地提高了測量準(zhǔn)確度。由此可見，傾斜攝像測量技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用，幫助人們利用先進(jìn)的定位技術(shù)，在不花費(fèi)大量人力、物力和財(cái)力的情況下，即可獲得更逼真的3D 模型，并利用傾斜攝像技術(shù)從不同的角度和領(lǐng)域進(jìn)行觀察，填補(bǔ)了正射影像的不足，可基于配套軟件實(shí)現(xiàn)單幅影像測量，進(jìn)一步擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。

4 傾斜攝影測繪技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用要點(diǎn)

使用傾斜攝影測量一般需要前期準(zhǔn)備、現(xiàn)場考察和操作準(zhǔn)備。隨時(shí)選擇和監(jiān)控要使用的航拍設(shè)備，明確作業(yè)范圍，精心規(guī)劃實(shí)際作業(yè)路線，調(diào)整地面分辨率、飛行時(shí)間、飛行高度等細(xì)節(jié)。實(shí)地考察需要事先進(jìn)行實(shí)時(shí)路線優(yōu)化，設(shè)置地面控制點(diǎn)的數(shù)量、飛行操作、儀器和計(jì)算，以導(dǎo)入和分析遙感圖像數(shù)據(jù)。一旦收集到所需的照片，需要使用3D 圖像處理軟件進(jìn)一步修改、調(diào)整和增強(qiáng)，生成具有標(biāo)準(zhǔn)地理信息的地形模型和DMK 圖像數(shù)據(jù)圖。在水利工程中，傾斜攝影測量技術(shù)能用于地形環(huán)境復(fù)雜的地區(qū)。在一些水利工程規(guī)模較大、地形條件復(fù)雜的地區(qū)，通常人工測量難以滿足測量要求。對于工程建設(shè)所需的測量數(shù)據(jù)，如果采用傳統(tǒng)的人工測量方式，風(fēng)險(xiǎn)較大，一定程度上威脅到操作人員的安全，也會阻礙項(xiàng)目工程的進(jìn)展。而在具體測量過程中，通過高分辨率鏡頭的無人機(jī)先到達(dá)要求的高度和測定位置，接著獲取所測量范圍內(nèi)的具體地形，然后通過引導(dǎo)無人機(jī)返回指定位置，再將傳輸記錄下來的信息傳至計(jì)算機(jī)，再經(jīng)過對信息的內(nèi)部整理，可以得到所有需要的測量成果，進(jìn)而為水利工程的建造和驗(yàn)收節(jié)約了時(shí)間和資金。

在水利工程中應(yīng)用傾斜攝影測量技術(shù)的過程中，信息的收集和組織以及信息模型的形成是水利工程傾斜攝影測繪工程的關(guān)鍵過程，直接關(guān)系到水利工程能否準(zhǔn)確完成相關(guān)測繪工作。在實(shí)際測量活動中，必須強(qiáng)化對水利測繪圖像的研究，保證是彩色數(shù)字圖像，以及圖像分辨率符合實(shí)際工程的特點(diǎn)，才能為工程提供最精確的地形圖數(shù)據(jù)。在應(yīng)用傾斜攝影測量技術(shù)開展水利測繪時(shí)，必須做好航向與橫向重疊分析，以適應(yīng)水利測量特點(diǎn)，減少測量偏差。測繪人員在通過傾斜攝影測量得到圖像信息時(shí)，必須經(jīng)過嚴(yán)格的過濾，對比影像清晰度、色差和亮度等，以確定圖像信息符合標(biāo)準(zhǔn)。測繪人員在通過傾斜攝影測量技術(shù)對水利實(shí)施檢測后，就必須改變無人機(jī)高清攝像頭的角度，以減少拍攝盲點(diǎn)，從而保證了水利工程測繪的準(zhǔn)確性。同時(shí)利用TIN 網(wǎng)絡(luò)建模、紋理制作、3D 建模、圖像投影等技術(shù)操作，逐步建立具備三維、直觀、透明等特性的空間模式，這有助于工程測繪人員全面掌握水域的地質(zhì)狀態(tài)，為水利工程建造奠定了扎實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

5 傾斜攝影測量在水利工程中的具體應(yīng)用

自然資源的合理使用與管理始終是人類深入探究的重要內(nèi)容，尤其是在遙感測量技術(shù)迅速發(fā)展的大背景下，信息化測量方法也在水利工程測繪中獲得了應(yīng)用。在水利工程中主要涉及環(huán)境保護(hù)評估、安全檢查、工程監(jiān)督管理等一系列內(nèi)容。利用傾斜攝影測量技術(shù)，可以利用中低空遙感設(shè)備實(shí)現(xiàn)測繪與探測，大大提高了信息的精確度[2]。而傾斜攝影測量技術(shù)還具有極大的機(jī)動性，將高清攝影技術(shù)與先進(jìn)GPS 系統(tǒng)相結(jié)合，為水利生態(tài)建設(shè)奠定了較為合理的研究基礎(chǔ)，保證了水利安全檢測的準(zhǔn)確性。

5.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集和處理方面

數(shù)據(jù)生成過程中，傾斜攝影制作數(shù)量是最基本的技術(shù)依據(jù)。如果獲取了傾斜攝影資料，就可以快速地在模型中提取出DEM、DSM、DOM 等各種輔助信息。在處理資料數(shù)據(jù)的過程中，可以得出和原始傾斜攝影一致的高密度圖像，從而成為附加的計(jì)算成果，可以幫助人們了解復(fù)雜多變的自然界現(xiàn)象。但鑒于目前的普通航拍靈敏度較差，無法直接從云端下獲得圖像，而衛(wèi)星遙感又面臨著準(zhǔn)確性差、清晰度低等技術(shù)困難。所以，在水利工程的重復(fù)性測量、監(jiān)控等任務(wù)上往往無法達(dá)到上述需求。而無人機(jī)上的測繪遙感信息系統(tǒng)已具備獲得高分辨率影像和高速數(shù)據(jù)處理的功能。經(jīng)過前期審查和試驗(yàn)，能夠按照技術(shù)需求獲取大量航拍影像信息。在此基礎(chǔ)上，生成數(shù)字路線規(guī)劃圖、數(shù)字高程模型圖和數(shù)據(jù)平射影像圖等，為工程設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵信息。在水利工程測繪數(shù)據(jù)處理中，測量人員可以通過3D 實(shí)景模型軟件對測量信息進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)了空中三角測量的3D 建模重構(gòu)，主要涉及水利工程特征點(diǎn)獲取和匹配、區(qū)塊水平差的調(diào)整、數(shù)值運(yùn)算等[3]。

5.2 三維模型構(gòu)建方面

應(yīng)用傾斜攝影測量技術(shù)，易受到水利工程測量區(qū)域環(huán)境的干擾，從而需要?jiǎng)?chuàng)建適合工程現(xiàn)場狀態(tài)的三維模型。而通常傾斜攝影測量技術(shù)采用了低空飛行，而放置于其上的高清晰攝像機(jī)則能夠收集地面上清晰度約為2cm 的圖片數(shù)據(jù)，這樣處理后的三維模型也更加真實(shí)和直觀[4]。利用傾斜攝影的技術(shù)手段與BIM 技術(shù)相結(jié)合，并利用計(jì)算機(jī)設(shè)備和相應(yīng)的軟件技術(shù)，形成三維空間實(shí)景模式。因此，借助三維實(shí)景建模技術(shù)和BIM 模型的有效結(jié)合，就可以建立工程模型，幫助決策者做出判斷，提高工作效率，并為后期工程建設(shè)奠定基礎(chǔ)，從而達(dá)到工程設(shè)計(jì)和現(xiàn)實(shí)場景的有效融合。

當(dāng)前傾斜攝像測量技術(shù)+BIM 技術(shù)作為最前沿、最科學(xué)的建筑三維設(shè)計(jì)方案。未來，隨著傾斜攝像測量技術(shù)和BIM 技術(shù)的不斷進(jìn)步，也將為水利工程三維設(shè)計(jì)人員提供更多基礎(chǔ)參考。

5.3 技術(shù)應(yīng)用要求方面

在水利工程測繪中應(yīng)用傾斜攝影測量技術(shù)時(shí)，必須滿足以下要求：通過攝影測量所獲取的影像，應(yīng)當(dāng)為原始彩色數(shù)字圖像。地面分辨率應(yīng)當(dāng)符合大比例尺地形圖的相應(yīng)精度規(guī)定。攝影照片的橫向和方向重疊必須符合測繪要求。圖像對比度應(yīng)適中、銳利且色彩豐富。與此同時(shí)，需要注意的是，航拍時(shí)，由于會受到各種外部原因的干擾，部分?jǐn)z影場景的影像品質(zhì)可能不好，或者沒有圖像覆蓋。因此，將適用原始航拍路線和相關(guān)參數(shù)，必須完成缺失區(qū)域的補(bǔ)拍，以確保傾斜攝影測量數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的準(zhǔn)確性和完整性。另外，在傾斜攝影測量中，要收集各個(gè)角度的數(shù)據(jù)，就必須把垂直數(shù)據(jù)信息和不同方向的傾斜數(shù)據(jù)信息整合在一起，而由于目前航拍軟件還無法解析傾斜拍攝數(shù)據(jù)，因此需要解決數(shù)字曲面建模、多視角像素的密集匹配和調(diào)整、實(shí)射線圖像校正等一系列技術(shù)問題[5]。

6 結(jié)語

綜上所述，和常規(guī)的工程測量方法比較，傾斜攝影測量技術(shù)有著突出的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)和廣泛的發(fā)展前景，在水利工程測繪中的運(yùn)用將更加成熟。傾斜攝影測量技術(shù)是一門嶄新的工程測量方法，在未來，隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，傾斜攝影測量技術(shù)在水利行業(yè)中的運(yùn)用范圍將會更加廣泛，使用也將會越來越簡便快捷。但就目前而言，斜向攝影測量技術(shù)還存在一些不足，需要我國科研人員不斷努力，逐漸地向著更智能、更精確的目標(biāo)開發(fā)傾斜攝影測量技術(shù)，以進(jìn)一步提高水利工程測繪效率。