无人机倾斜摄影在水电工程中的应用

车大为,张　珅

(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司,北京　100024)

摘　要：无人机倾斜摄影是利用多角度影像全自动生产实景模型的一项高新技术,目前广泛应用于测绘、规划、国土、应急响应等行业。无人机倾斜摄影在水电行业的应用领域,一直是水电从业人员探索的方向。在此项研究中,无人机倾斜摄影成果被应用到水电工程的规划设计、项目实施和运行维护等多个应用阶段,涵盖了三维设计、进度控制、工程管理、基础测绘等多个方向。从此项研究中可以看出无人机倾斜摄影在水电工程中的应用前景十分广泛,取得的成果应用到了三维GIS、BIM、信息管理系统等多个领域。受制于无人机硬件和计算机性能的限制,成果的应用效率还有待进一步的提高。无人机倾斜摄影在水电行业的应用范围广泛,作用巨大,值得进一步的深入和研究。

关键词：水电工程；测绘；无人机；倾斜摄影；实景建模

作者简介：车大为,男,1984年6月生,高级工程师,GIS产品经理,chedw@bhidi.com。

1　引言

无人机倾斜摄影技术作为一项重要的集数据获取、数据处理和数据应用为一体的综合技术,在水电行业也有着广泛的应用前景。然而,由于水电从业人员专业背景的局限和水电工程复杂的工程区地形地貌,水利工程项目建设具有工程量大的特点,而且在施工过程中会出现很多意外及突发状况[1],倾斜摄影技术在水电工程中的应用一直没有得到很好的发展。

目前倾斜摄影技术在水电工程中的主要应用方向是基础测绘方向。无人机技术在最近几年有了巨大的进步,无人机飞控、电调等电子设备趋向智能化、小型化[2]。无人机航测成图以当前先进的无人机遥感技术和卫星导航定位技术为核心,将遥感技术、卫星导航定位、地理信息、计算机、自动化控制、通信、先进的数据处理技术进行集成应用,形成一套基于无人机遥感技术的航测系统[3]。相比传统测绘手段,无人机倾斜摄影具有体积小巧、机动灵活、高效快速、作业成本低适用范围广、操作维护简单等特点[4],能有效提高作业效率。

水电工程发展至今,各项技术都已经比较成熟,技术流程也都趋于规范化。然而,无人机倾斜摄影先进的技术手段,能够为水电工程在各个方面都带来深刻的变革。在本研究中,无人机倾斜摄影成果被应用到水电工程的全生命周期,涵盖了可视化、模拟、反响等多个方向。倾斜摄影在水电项目中的广阔前景和应用价值,必将在未来获得更多的应用和广泛的认可,彻底改变水电人员对于工程的认识。

2　倾斜摄影概述

倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术。它改变了以往航空摄影测量单一相机垂直角度拍摄地物的局限,通过在同一飞行平台上搭载多台传感器,同时从垂直、侧视和前后视等不同角度采集影像,获取地面物体更为完整准确的信息[5]。无人机遥感系统由飞行器分系统、测控及信息传输系统、信息获取及处理、保障系统四大部分组成[6],通过整合POS、DSM及矢量等数据,进行基于影像的各种三维测量[7]。将倾斜摄影技术获取的影像数据进行人工或自动化加工处理,得到三维模型数据的过程,称之为“倾斜摄影建模”；得到的三维模型,称为“倾斜摄影模型”。随着倾斜摄影技术的不断发展,以其为基础发展衍生的实景建模技术可通过照片、视频、点云等多种数据源生成与现场环境完全相同的实景模型,大大提升了倾斜摄影技术的效率。

倾斜影像弥补了传统航空影像遮挡严重、缺乏立面信息的缺陷,为建筑物三围精细结构的识别与提取提供了丰富的光谱、纹理、形状和上下文等信息[8]。倾斜摄影包含多视影像联合平差、密集匹配、数字表面模型生成、高密度DSM滤波融合等关键技术,这些技术的研究和提升将对未来倾斜摄影技术的发展起到重要的影响。

无人机倾斜摄影的基本特点总结为以下几个方面：

(1)反映地物周边真实情况。与正射影像相比,倾斜摄影能让用户多角度观察地物,更加真实地反映地物的实际情况。

(2)倾斜摄影可实现模型量测。通过后续的应用和开发,用户可直接在成果模型进行高度、长度、面积、角度、坡度等参数的量测。

(3)建筑物侧面纹理的采集。倾斜摄影具有大规模成图的特点,批量提取粘贴纹理的方式,显著有效地降低了城市三维建模成本。

(4)数据量小易于网络发布。相较于三维GIS庞大的数据,倾斜摄影技术产生的数据量较小,模型可快速地在网络上发布,实现应用共享。

(5)高效。倾斜摄影技术借助无人机等多种飞行载体,实现影像数据的快速采集和全自动化三维建模。中小城市人工建模工作需要1～2年,借助倾斜摄影技术只需3～5个月时间即可完成。

2.1　倾斜摄影发展现状

近几年,随着飞行器、传感器、后处理软件的迅速发展,无倾斜摄影在技术和效率都有了巨大的发展。

飞行平台：倾斜摄影的无人机逐渐由重量级的油动机向轻量级的电动机过度,从固定翼向多旋翼过渡。轻量级的电力无人机搭载5镜头的倾斜摄影云台往往具有更高的操作灵活性与稳定性,可以最高效率的采集到指定区域的多视角影像资料。

倾斜相机：目前主流的倾斜相机都采用下视、前视、后视、左视、右视5个镜头结构来获取地物倾斜影像,主要的倾斜相机有UCO(UltraCam Osprey)倾斜相机、Penta-View倾斜相机、Midas倾斜相机、Penta DigiCAM倾斜相机、RCD30 oblique倾斜相机等。

处理软件：倾斜摄影测量数据处理软件近几年发展迅速,国外常用的软件有美国Bentley公司的Context Capture倾斜影像处理软件,瑞士Pix4d公司的Pix4dmapper倾斜影像处理软件,美国Pictometry公司推出Pictometry倾斜影像处理软件、法国Infoterra公司的像素工厂、徕卡公司的LPS工作站、Aero Map公司的MultiVision系统、Intergraph公司的DMC系统、Astrium公司Street Factory系统等软件。

在国内主要有红鹏公司推出的无人机敏捷自动建模系统、超图软件公司的Super Map-GIS7C软件、立得空间公司的Leador AMMS以及武汉天际航公司的DP-Modeler等倾斜摄影测量软件。

2.2　倾斜摄影应用现状

无人机倾斜摄影技术应用十分广泛,如国家重大工程建设、灾害应急与处理、国土监察、资源开发、新农村和小城镇建设、城中村拆迁数据留存,政府方面的税收评估、公共安全、执法行动、规划发展、消防、灾害评估、环保、企业保险、房地产以及公众方面的位置服务、互联网应用、旅游等,尤其在基础测绘、土地资源调查监测、土地利用动态监测、数字城市建设和应急救灾测绘数据获取等方面具有广阔市场前景(图1)。

3　方案设计

一套完整的解决方案,包括无人机选择与智慧化飞行,数据处理与建模、产品分析与应用,以及成果的展示与分享(图2)。使用我们的工作流可以快速由影像数据生产点云、数字表面模型(DSM)与数字高程模型(DEM),正射影像(DOM),实景模型等产品。这些产品经过专业的可视化处理与分析,便可将成果应用于测绘、国土、规划、应急救灾、施工管控等各个行业。

数据获取：根据项目特点选择相应的无人机。使用飞行规划软件进行飞行方案设计,并应用专业飞控应用或无人机操控平台进行无人机的操作、飞行检查与影像获取。

数据处理：在Context Capture Center中进行影像处理、建模、质量检查与产品输出。

数据分析：引入DOM、DEM、DSM与实景模型数据,应用三维可视化、三维空间分析、矢量数据叠加等,进行随时间推移的项目监控、测绘、土方量计算、方案比选等工作。

结果分享：在线轻松协作与注释,使用简单的URL地址,将模型与分析结果分享给合作伙伴,提高交流效率和工作体验。

4　无人机影像获取

4.1　技术设计

无人机的飞行方案应根据项目实际情况选择。如果飞行区域小或比较分散,适合采用轻量级方案,可选择小型无人机与云台(图3和图4)。飞行团队只需要1～2人便可完成飞行任务,一日内可完成2～3km2的倾斜拍摄。如飞行区域超过10km2,或当地气象条件恶劣,则需选用油动固定翼无人机、电动固定翼无人机或电动多旋翼无人机,搭载倾斜相机或单镜头相机来执行大面积的倾斜摄影任务。

无人机的数据采集流程如图5所示。

4.2　无人机航摄

工业级无人机通常带有配套的飞控与电台,无人机机组人员均应受过相关培训并取得相应的适航证书。飞行前应向项目所在军区司令部及航空管制部门进行申请与备案。

在使用小型无人机进行航摄时,操作人员应熟悉飞机及云台性能,能熟练完成飞机的各项指令,确保飞行安全。

4.2.1　航线设计基本原则

无人机飞行高度和总航程是影响飞行安全的重要指标。无人机航线设计应符合以下要求(图6)：

(1)根据地面分辨率要求合理设置行高。

(2)设计飞行高度应高于航摄区和航路最高点60m以上。

(3)设计航线总航程应小于无人机能到达的最远航程。

(4)航向重叠度和旁向重叠度均不低于70%。

4.2.2　实地采集信息

工作人员需对航摄区环境进行实地踏勘,采集地形地貌、地表植被以及周边的机场、重要设施、城镇布局、道路交通、人口密度等信息,为起降场地的选取、航线规划、应急预案制订等提供资料。

4.2.3　场地选取

起降场地应远离机场,地势相对平坦、通视良好,远离人口密集区、障碍物和干扰源。采用滑跑起飞、滑行降落的无人机,滑跑路面条件应满足其性能指标要求。

4.2.4　飞行检查与操控

飞行前应对无人机进行全方面检查,确保飞行安全,无人机各设备部件无异常方可准备起飞。起飞前,根据地形、风向决定起飞航线。飞行操作员须询问机务、监控、地勤等岗位操作员能否起飞,在得到肯定答复后,方能操控无人机起飞。在无人机执行完相应任务降落后,须对飞行平台、油电量、机载设备等进行及时检查,确保未来飞行任务的安全。

4.3　像控点测量

与传统测量类似,倾斜摄影也需要地面上的已知坐标点来辅助控制网平差,以赋予倾斜摄影成果真实可靠的平面坐标。像片控制点应均匀分布于整个测区,每一航摄架次覆盖区域的四个角点均应布设像片控制点,并在项目重点区域增加布点。像控点应选刺在交角良好的线状地物交点、影像小于0.2mm的点状地物中心或地标中心处,以便后续内业处理的正常进行。

5　数据处理

倾斜摄影数据的处理采用Bentley公司的Context Capture实景建模软件。Context-Capture以数码照片作为输入数据源,加以各种辅助数据,模型处理过程无需人工干预。根据输入的数据的大小可在几分钟或数小时的计算时间内,输出高分辨率的带有真实纹理的三角网格模型。输出的三维格网模型能够准确、精细地复原建模主体的真实色泽、几何形态及细节构成。

5.1　技术流程

在获取到无人机实地拍摄的数码照片后,便可以使用Context Capture实景建模软件进行初步建模。初步建模过程中分为相机镜头参数的设定、控制点影像关联、空中三角测量及数据生产四个部分。如果初步建模的结果达不到精度的要求,可以采用Geomagic Studio、DP-modeler或Tile Editor等软件进行二次精细建模,调整模型的几何结构和纹理,直至获得满意的结果。工作流程如图7所示。

5.2　数据源导入

在Context Capture中新建工程,建立分块,并导入数据源。数据源支持相片、视频以及点云数据。不同分辨率不同焦距的相片应分组导入。对于具有像控点的航飞区域,需要在空三运算前将控制点与影像进行人工关联。控制点网的密度应当适度,不宜过稀或过密。在控制点影像相关联过程中,要注意所添加的控制点在航摄区域内水平和垂直方向上应均匀分布。

5.3　空中三角测量

在导入数据并设置相机参数、完成控制点影像关联后,需对导入的相片进行空中三角测量工作。在空中三角测量过程中会进行同名点的识别和控制点加密,生成航摄区域点云,以备后续的模型重建和生产工作(图8)。空中三角测量是整个模型生产过程中的核心步骤,它的运算结果直接影响到模型的精度和质量。

空中三角测量结束后会生成测量报告,如已添加的控制点的精度不符合要求,需返回控制点影像关联步骤,重新检查控制点的关联和分布情况,再次进行空中三角测量运算。

5.4　模型生产

Context Capture实景建模软件在模型生产过程中主要涉及Context Capture Master和Context Capture Engine两个模块。在Master模块中,一个完整的模型创建任务被分割成许多小的子任务,这些任务在Engine模块中被执行并完成子模型的生产(图9)。一个Master模块发布的子任务可以被多个Engine同时执行以实现联机协同生产。模型重建需要较长的时间完成,完成时间长短取决于计算机内存和显卡性能配置。

5.5　质量检查与模型整饰

模型重建完成后,需对模型进行质量检查工作。质量检查主要分为以下三个主要方面：

(1)模型是否总体平整,有无悬浮或下沉碎片。

(2)模型边缘是否规则,内部有无空洞。

(3)模型关键部位的坐标和高程数据是否较大偏差。

如模型仅存在纹理和几何结构上的较小错误,可使用相应软件进行3D几何结构调整和纹理修饰,再返回Context Capture重建模型。若存在较大的几何结构错误或空间位置错误,则需重新检查相片信息、控制点影像关联和连接点情况等,找到模型生产过程中发送错误的原因并进行纠正,重新进行模型的生产工作。

6　倾斜摄影在水电项目全生命周期中的应用

实景建模技术是通过照片、视频、点云等数据形成模型的技术。对于实景建模系统来讲,不但要有数据采集,校正融合、处理建模,更要有后续的模型利用过程。通过无人机航拍、相机拍摄和激光扫描等技术获取数据,通过实景建模系统识别运算生成三维模型,导入到建模系统中将实景模型和数字模型融合,再进行深化使用,水电行业的很多问题将得到有效的解决。

实景建模技术在整个水电项目的全生命周期中都能发挥巨大的价值。在设计阶段,现场的实景内容能够令设计人员更加直观地了解现场面貌,进行更为全面的方案设计和评估；在施工阶段,随着施工进度的不断推进,可通过实景模型和设计图的比对,确保施工情况和设计方案一致；在运营阶段,通过实景模型可以获得详细的完工现状展示,为资产评价、性能安全问题的评估起到重要的辅助作用(图10)。

6.1　倾斜摄影在规划阶段的应用

通过无人机倾斜航拍技术,能够快速地获取航摄区域的多角度影像(图11),经过实景建模软件的处理得到区域的实景三维模型、正射影像及地形。在实景三维模型中,结合其他辅助数据,可以对规划方案进行比选,最终确定最优的规划方案。

6.2　倾斜摄影在勘察设计阶段的应用

实景三维模型因其具有准确的地理位置和高程信息,在项目的勘查设计阶段可以准确地获取测绘成果、并将设计模型和实景模型进行关联分析,获取精确的比对分析结果。

6.2.1　地形图测绘

在项目前期勘测阶段,无人机倾斜摄影可以快速获取地表与地形信息,为项目提供基础数据保障。倾斜摄影无人机可以拍摄到3cm甚至更高的分辨率影像,能够满足1:500、1:1000以及1:2000等大比例尺地形图的制图需要。

将倾斜摄影成果制作成为地形图成果,须遵循的流程如图12所示。

倾斜摄影成果可以导出为点云、OSGB模型、DOM/DEM等文件,经过上述流程处理可以得到全要素的地形图成果(图13)。

6.2.2　方案设计

根据倾斜摄影成果对方案的设计进行调整,以得到既满足项目要求,又满足环境要求的精确设计方案。与此同时,也可以将场景进行模拟(图14),将设计的方案以可视化的方式呈现出来,降低人员间的沟通成本。

6.3　倾斜摄影在施工阶段的应用

实景三维的一大特点是真实还原地形地貌。在项目的施工过程中,现场的施工现状和进展可以通过拍照建模的方式进行数字化的交流和汇报。通过对不同时期构建的三维模型进行变化监测,可以准确地分析出本月的工程进度,预测完工日期。同时可以在实景模型上进行土方量的计算,进而辅助决策渣土车和挖掘机的调度和安排。对于高边坡及地质灾害易发区域,可以通过无人机倾斜摄影进行定期的安全监测及应急响应(图15和图16)。

6.4　倾斜摄影在运行维护阶段的应用

实景三维模型在项目运营管理中的应用,需要将建筑的各个专业(厂房、机电)的设计图与实景三维模型进行集成。倾斜模型的可视化展示平台,为运营阶段的实时监控、风险预测和设备管理等工作提供了有效的辅助作用。

全景模型作为可视化的一种重要展示形式,也可以与倾斜摄影模型结合,丰富使用者的可视化体验(图17和图18)。

7　结语

随着目前水电项目对三维可视化与信息化的需求逐渐变大,无人机倾斜摄影已经成为获取地形、模型、影像以及实时信息的重要手段。倾斜摄影测量技术具有高效率、高真实性以及快速获得海量空间数据的特点,能够为项目的全生命周期提供数据与服务保障。水电工程地形地质条件复杂、交通不便,这为水电从业人员在很多方面提出了很大的挑战。无人机倾斜摄影具有体积小巧、机动灵活、高效快速的特点,能够在水电项目全生命周期提供持续的服务。

通过实景建模和BIM技术的融合,无人机倾斜摄影在基础测绘、项目规划、施工管控、进度管理、可视化展示等方面都起到了重要的作用。目前,无人机倾斜摄影在水电项目中得到的结果很理想,相信随着技术的发展,以后的发展会更加成熟,应用的领域会越来越宽广。

然而,无人机的续航问题在一定程度上限制了倾斜摄影技术的发展,需要进一步的研究和探索。同样,倾斜摄影测量数据处理过程中对于影像数据的匹配和整体三维模型的表达方面还不成熟。若研究出高精度的影像数据匹配方法以及去除冗余信息增强运行的效率,而不影响建模实体效果,将能大大增强其实用性。

实景建模技术因其自动建模能力强、响应速度快、客观真实等原因的被大家所熟知和认可,其应用场景逐渐扩大在水电工程的各大领域,并逐步改变我们对工程的理解与想象,它为水利水电工程人员提供了无限的可能。

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