无人机倾斜摄影测量在王家坝闸信息化管理中的应用

路海涛

【摘 要】阐述了无人机倾斜摄影测量技术的特点、基本原理、作业流程，以王家坝闸工程应用为例，利用无人机进行倾斜摄影测量，基于BIM+GIS技术，实现高质量数据的快速获取，搭建直观的三维展示平台，为工程日常管理和防汛抢险提供技术支持。

【关键字】无人机倾斜摄影测量；三维建模；水利信息化；BIM+GIS

中图分类号：P231.5 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）24-0213-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.102

【Abstract】This paper expounds the the characteristics，basic principles and operation flow of UAV Oblique Photography Technique. Take the application of Wangjiba Gate as a example， It helps the staff get high-quality data quickly and and complex 3D structure based on the BIM+GIS. Therefore the efficiency of routine work and flood control and emergency rescue could be improved.

【Key words】UAV Oblique Photography Technique； 3Dmax； Water Resources Informatization； BIM+GIS

0 引言

无人机倾斜摄影测量技术是近年发展起来的一项高新技术，倾斜摄影技术三维数据可真实反映地物的外观、位置、高度等属性；借助无人机，可快速采集影像数据，实现全自动化三维建模，它的出现满足了人们对三维信息的需求。

随着水利信息化事业的推进，BIM+GIS技术已广泛应用到水利行业，而无人机倾斜摄影测量在其中也发挥着越来越重要的作用。

1 倾斜摄影简介

倾斜摄影技术，是通过在同一飞行平台上搭载多台传感器（目前常用的是五镜头相机）同时从垂直、倾斜等不同角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息。垂直地面角度拍摄获取的是垂直向下的一组影像，称为正片，镜头朝向与地面成一定夹角拍摄获取的四组影像分别指向东南西北，称为斜片。 摄取范围如下图1：

在建立建筑物表面模型的过程中，相比垂直影像，倾斜影像有着显著的优点，它能提供更好的视角去观察建筑物侧面，这一特点正好满足了建筑物表面纹理生成的需要。同一区域拍摄的垂直影像可被用来生成三维建筑物模型或是对生成的三维建筑物模型的改善。

2 倾斜摄影技术特点

2.1 反映地物真实情况并且能对地物进行量测

倾斜摄影测量所获得三维数据可真实地反映地物的外观、位置、高度等属性，增强了三维数据所带来的真实感，弥补了传统人工模型仿真度低的缺点，增强了倾斜摄影技术的应用。

2.2 高性价比

倾斜摄影测量数据是带有空间位置信息的可量测的影像数据，能同时输出DSM、DOM、DLG等数据成果。可在满足传统航空摄影测量的同时获得更多的数据。同时使用倾斜影像批量提取及贴纹理的方式，能够有效地降低城市三维建模成本。

2.3 高效率

倾斜摄影测量技术借助无人机等飞行载体可以快速采集影像数据，实现全自动化的三维建模。实验数据证明：1～2年的中小城市人工建模工作，借助倾斜摄影测量技术只需3～5个月就可完成。

3 作业流程

利用建模软件将照片导入到建模软件中，通过计算机图形计算，结合POS信息空三处理，生成点云，点云构成格网，格网结合照片生成赋有纹理的三维模型。区域整体三维建模方法生产路线图如下：

4 案例介绍

4.1 工程概述

王家坝闸上距淮源365公里，接近淮河黄金分割线，位于三个交点上：淮河上游与中游的交点，两省三县（安徽省和河南省，阜南、固始和淮滨）的交界点，三河（淮河、洪河和白露河）的交汇点。王家坝闸是濛洼蓄洪区的进洪闸，兴建于1953年，设计防洪保证水位29.30m，设计进洪流量1626m3。王家坝水位被誉为淮河防汛的“晴雨表”和灾情的“风向标”，当水位达到29.30m且继续上涨时，王家坝闸由国家防总调度运行，省淮河河道管理局负责实施。建成至今，王家坝闸已有12个洪水年份15次开闸蓄洪，累计蓄洪总量75亿m3，有效削减了淮河洪峰，确保了淮北大堤、两淮煤矿、沿淮重要城市及交通大动脈安全。

为推进王家坝闸工程管理信息化，进一步提高技术管理水平，通过无人机对王家坝闸工程管理范围及其周边进行倾斜摄影测量，搭建三维模型，并接入工程周围河道地形数据、实时水位数据、工程运行信息及视频监控信息等实时数据，形成三维展示系统。通过该系统，实现工程信息的立体化、实时化展示，为工程日常管理和防汛抢险提供技术支持。

4.2 外业航飞

本工程外业采用六旋翼无人机配置五镜头倾斜相机航拍。在地面站设置及无人机组装完成后，即可开始航测作业，无人机将依据指定的航线及参数设置，自动完成航拍任务。倾斜航测采集的数据包括各拍摄点的多角度影像信息和对应的POS数据。影像信息由五镜头相机获取，无人机搭载相机以恒定速度对地面进行等距拍照，采集到具有70%重叠率的相片；POS数据由飞控系统在相机拍照时生成，与相片一一对应，赋予相片丰富的信息，包括经纬度、高度、海拔、飞行方向、飞行姿态等。

4.3 数据处理

采用Context Capture软件完成本次航测的后期影像数据处理。Context Capture是基于影像自动化进行三维模型构建的并行软件系统，软件建模对象为静态物体，辅以相机传感器属性、照片位置姿态参数、控制点等信息，在进行空中三角测量计算、模型重建计算后，输出相应成果，以供浏览或后期加工。

4.4 模型修饰

基于Context Capture建立的三维模型，由于错误的影像匹配或者较差的几何姿态造成建筑变形（纹理拉花、结构扭曲、破面缺面等）、悬浮物、丢失部件等问题。通过单体化软件对模型进行精修重建，使地物要素完整，从而达到后期应用。通过利用建筑物、道路、桥梁、树木等對应的矢量面，对倾斜摄影模型进行切割，把连续的三角面片网从物理上分割开，从而实现单体化。

本项目采用DP-Modeler软件进行模型单体化和模型修饰。DP-Modeler是一款可对三维模型进行精细化修饰的单体化软件，可针对第三方建模软件自动建模的成果进行单体化精修、悬浮物删除等工作，可得到精细化模型，达到后期应用要求，其单体化精修流程如下：

4.5 效果展示

经无人机倾斜摄影测量得到的王家坝闸工程及其管理设施三维模型展示如下：

4.6 实际应用

通过对王家坝闸进行三维建模，可直观全方位浏览水工建筑物三维模型。结合BIM技术，通过倾斜摄影构建技术构建真实的建筑物外建构面模型，利用BIM技术对建筑物内部空间信息和属性信息进行科学化的管理；后期根据管理需要，通过接入王家坝水文信息、王家坝闸闸门自动化控制系统相关信息，获取水情、工期实时数据。实现在一张图上展示和分析各类数据信息，为防汛决策提供准确、详实的立体化、实时化数据支撑。

5 技术局限

倾斜摄影测量技术作为新兴的高科技成果，它的出现满足了人们的需求，具有广泛的应用前景。但是作为一项新技术，在实际应用当中还存在着一定的技术局限：

（1）匹配倾斜航空摄影后期数据影像的过程中，由于倾斜影像摄影比例尺不一致、分辨率差异、地物遮挡等情况造成获得的数据当中含有非常多的粗差，严重威胁着后续的影像空三精度。可见，如何使用倾斜摄影测量中的冗余信息进行数据的高精度匹配是提升倾斜摄影技术实用性的关键。

（2）由于倾斜摄影测量的技术特点，其所形成的三维模型在表达整体的同时，某些地方存在模型缺失或失真等问题。对于水利工程而言，水闸造型复杂，其闸孔和闸墩处由于匹配影像较少，造成模型扭曲变形；在水面、玻璃等表面纹理少的地方，匹配不到特征点，容易产生漏洞。因此，为了三维模型的完整准确地表达需要进行局部区域的补测，常用方法是近景摄影测量系统进行补测，甚至可以采用机载或者车载激光雷达设备进行扫描。

（3）目前海量倾斜影像三维模型的存储、管理、发布、应用等方面，尚存在不少技术难点。

6 展望

当前，信息化技术在水利工程建设中的普及和发展，有效的促进了水利现代化的进程，能够实现水利工程建设效率与质量的双重提高。使用无人机倾斜摄影测量技术可以快速的建立逼真的三维模型，实现水工建筑物空间全方位、高精度的可视化表达，对于水利信息化的发展有着不可忽视的推动作用。未来，BIM+GIS协同应用越来越广泛，也为水利行业带来思路上的大转变，而无人机倾斜摄影测量技术的重要性也将更加突出。

【参考文献】

[1]杨国东，王民水.倾斜摄影测量技术应用及展望《测绘与空间地理信息》，2016年第1期：13-15.

[2]刘森.倾斜摄影三维建模技术流程及案例分析《科技资讯》，2017年第30期：1-2.

[3]王永生，卢小平，朱慧，焦金龙.无人机实景三维建模在水利BIM中的应用《测绘通报》，2018年第03期.