无人机实景三维建模在水利BIM中的应用

2018-04-08王永生卢小平焦金龙

测绘通报 2018年3期

王永生，卢小平，朱　慧，焦金龙

(1. 河南理工大学矿山空间信息技术国家测绘地理信息局重点实验室,河南焦作 454003； 2. 河南省遥感测绘院，河南郑州 450003; 3. 河南省金地遥感测绘技术有限公司，河南郑州 450003)

前坪水库位于淮河流域沙颍河支流北汝河上游，河南省汝阳县的前坪村，是以防洪为主，结合灌溉、供水，兼顾发电的大型水库，水库总库容5.84亿m3，控制流域面积1325 km2。前坪水库工程是河南省重点水利工程，同时也是我国“十三五”期间重点建设的172项重大水利工程之一。现代社会中，遥感技术已成为人类获取地理环境及其变化信息的必备高科技手段[1]。本文综合利用多类型无人机搭载不同传感器进行航空摄影，采集水库主体库区及局部重点施工区影像数据，制作水库实景三维地理信息模型，并与设计模型联合应用，提高展示效果，辅助工程建设管理，从BIM服务入手为水库设计、建设、运行提供全生命周期服务。

1　无人机低空遥感

1.1　无人机平台

根据前坪水库建设工程对三维模型精度需求划分不同的作业区域，主体库区建立实景三维粗模，局部大坝及附属设施等重点施工区建立实景三维精模。由于库区地处豫西伏牛山区，地形较为复杂，适合采用无人机航空摄影测量方法进行数据获取和三维建模。本文选用长航时固定翼油动无人机和电动六旋翼倾斜摄影无人机作为空间数据获取平台，采用联合作业建模的工作模式。无人机平台及搭载见表1。

1.2　无人机航空摄影

为满足制作DOM要求，固定翼无人机航飞航向、旁向重叠度分别设计为70%、40%；同时针对重点施工区域，采用电动多旋翼无人航飞用于实景建模，为保障后处理影像匹配精度及三维场景真实还原效果，在地形高差允许范围内，采用降低飞行高度或使用短焦镜头等手段，获取地物侧面高清纹理。表2为航摄指标设计参数。

无论是档案数字化建设、现代信息技术的应用，还是档案服务平台的搭建，都需要高校档案馆从顶层设计着手，通过规范档案工作流程、建立档案利用服务工作平台。目前有许多高校档案馆虽然开设了很多服务渠道，如高校档案网站、微信公众号、移动手机APP、高校档案管理系统等，但由于缺乏整体布局，没有建立与各项服务渠道、服务方式相适应的工作流程和规范，线上、线下优势得不到同步，使高校档案利用服务工作流程难以实现优化，花费了大量的时间和经费，没有起到好的效果。

表1　无人机平台及搭载

表2　无人机航摄设计

1.3　像控点布设

前坪水库主体库区控制校核线呈不规则带状，以河道贯穿中线的地形特征，本文采用“内部沿河道中线布设、外围边角控制”均匀布点方案，共布设像控点位40个，检查点6个；重点施工区形状为矩形区域，采用四角两边法区域网布点，布设控制点位19个，检查点6个。布设的控制点如图1所示。

图1　像控点布设接合图

2　水库实景三维建模

以固定翼无人机单镜头获取的正摄影像与多旋翼无人机五镜头倾斜影像为数据源，采用影像匹配彩色点云数据技术和三维网格优化算法，实现自动三维重建、纹理映射、连接点重构纹理和重建约束，快速建立了高精度水库实景三维模型，并成功应用于水利BIM[2-6]。

(1) 由于卫星定位原始数据为WGS-84坐标系，因此在数据导入前需要进行平面和高程坐标转换，以解决POS和像控点坐标不一致的问题。

2.1　三维建模技术流程

(3) 模型编辑处理。如对删除碎片、水面修补等进行修改操作，将*.3mx格式瓦片转换成*.obj格式导入第三方软件(如Geomagic、3ds Max等)进

图2　库区全自动实景真三维制作

由图2可知，通过对库区高重叠度影像进行处理，获取大量连接点，并在此基础上建立精细TIN模型及三维白模，采用映射的方式将高清影像纹理映射到三维白模表面，最终实现实景三维的自动生产。

2.2　技术难点解决方案

在三维建模过程中，采用的软件虽然自动化程度较高，但仍然存在POS和像控点坐标不一致、外方位元素未知等技术难点。为保证模型的精度，本文采用以下具体的人工干预步骤：

值得注意的是，教师课后要及时批阅学生习作并反馈，除关注单词拼写或语法错误外，应更多关注语篇的逻辑结构、语言表达方式等；可采用分期面批的形式，用激励性评价，鼓励学生大胆表达；同时，要提出修改建议，让学生清楚自己写作的优劣，不断取得进步；最后，布置学生制作班级写作板报，把优秀作品张贴到学习园地里，进行展示或交流，或发送到QQ群、微信群里，与家人、好友共赏，提高学生写作的兴趣和积极性。

(2) 影像空间位置和姿态信息附加。为使POS数据中的点名与相应影像名称完全一致，利用Excel表格模板将影像名称和POS数据导入。

将原始影像整理成果、POS数据等导入Smart3DCapture软件，经像片刺点、几何处理、自动匹配空三、构建TIN模型、贴纹理、构建三维模型等步骤，实现实景三维建模。整个过程自动化程度高，正射影像和倾斜影像全自动联合空三，并为建(构)筑物创建高密度的不规则三角网，并自动贴纹理，具体如图2所示。

在可比性方面，首先要求相同或类似的经济活动或事件在不同的政府结算单位进行，根据统一的政策，按照政府要求，确保会计信息具有可比性，以提高部门和会计单位之间的可比性信息。其次，相同或类似的事业单位或业务问题需要相同的政府部门进行处理。发生在不同的会计计算期间时，应该是一致的会计政策，不会进行彻底的改变，大大提高了不同时期机构结算信息的可比性。

足球课堂的主要任务是完成足球教学目标。良好的足球课堂秩序为一节课的顺利进行，目标的达成打下坚实的基础。短短的四十分钟，要想完成课的目标，需要教师充分的课前准备，精心的设计，并建立良好的足球课堂秩序，使学生形成良好的行为习惯，提高足球教学效果。

利用无人机低空遥感对前坪水库进行实景三维模型，尤其是三维精细模型在水利工程BIM得到了成功应用，将实景模型与虚拟模型叠加融合应用于水利工程建设管理全生命周期，可以使水利工程投资分析、设计、施工、管理等更加科学精准[8-10]，如图4—图6所示。

2.3　建模精度及分析

三维建模精度是通过量测模型上检查点的三维坐标与外业实测值进行比对，并作为检测指标[7]。经实际检测，水库主体库区三维粗模平面中误差为±0.5～1.0 m，高程误差为±1.0～2.0 m。重点施工区倾斜摄影三维精模检测点分布如图3所示，精度统计情况见表3。

图3　重点施工区检测点分布(图中的圆圈)

由表3可以看出，重点施工区三维建模精度可以满足水库建设需求，但由于主体库区航飞面积大、控制点布设相对较少，无人搭载的非量测相机畸变差相对较大，而且重点施工区地形高差大，即航飞获取的影像色彩偏灰暗，使得点云匹配效果相对较差，从而造成部分水面匹配存在漏洞、水面和山体相交区域有存在模型异常等现象，需要采用人工编辑和修补。

3　工程应用

行修改，修改后的模型以*.obj格式导入Smart3D进行更新处理或重新建模，生成*.3mx格式的三维模型。

图4　模型叠加-辅助大坝、桥梁设计与施工分析

图5　泄洪洞、输水洞等施工管理

图6　精准溃坝模拟、库区移民评估

利用实景模型的高精度及现势性，结合工程的开挖地址模型，还可精确计算出工程量及工程投资，与工程监理确认的工程量及工程投资进行对比，从而实现对工程质量和进度的精细化管理。实景模型与设计模型联合应用，既能展示工程建设完成后的效果，又能更加直观真实地展示工程进展情况，将无人机实景三维建模技术应用于水利BIM具有重要的实际意义。

飞行时间测距是通过测定UWB脉冲信号从UWB标签到UWB基站的信号往返时间从而确定其距离的，这种方法解决常规时间到达（Time of Arrival，TOA）以及时间到达差（Time Difference of Arrival，TDOA）方法中需要UWB标签与基站保持时间同步的问题。该测距原理是标签先向基站发送测距序列，其中可包含要求应答等信息，基站经过一个固定延时之后转发信号[12]，标签接收后计算一次来回程时间，标签到基站i距离di可用式（1）表示：