三维倾斜摄影模型技术在心圩江全流域环境综合整治中的应用

吴国强 施智 李泽扬

摘要：三维倾斜摄影模型随着计算机和高精度相机的发展在工程领域中发挥着越来越重要的作用，在环境综合整治领域中，三维倾斜摄影模型可以应用到全寿命周期。文章结合心圩江全流域综合整治工程实例，介绍了三维倾斜摄影模型相控点的布置方式和无人机的预设高度，计算分析了该模型精度，并阐述了该模型应用的效果。

关键词：三维倾斜摄影模型;无人机;相控点;环境综合整治

0 引言

在传统的全流域环境综合治理领域，一般以二维图纸的平面图、剖面图来表达，二维的表达方式具有信息表达不全、产生信息孤岛、难以流转到下一环节进行二次应用等缺点。同時随着城市规模的不断扩大，房屋密集度不断地加大，尤其在城乡结合部，自建房屋密集，对传统的测设手段来说是一大挑战，而且地形图的更新消耗人力、物力巨大。随着无人机技术、高分辨摄影技术和计算机图形技术的不断发展，三维倾斜摄影模型在环境综合整治领域应用越来越广泛，越来越实用，其具有高精度、高分辨率、三维直观和可视化强等特点，可以直观地显现治理的现状，可以在设计、施工、运维等工程阶段得到普遍的应用。

1 三维倾斜摄影

三维倾斜摄影技术是以一组对静态建模主体从不同的角度拍摄的数码照片作为输入数据源，加入各种可选的额外辅助数据如摄像头的属性（焦距，传感器尺寸，主点，镜头失真）、照片的位置（如GPS）、旋转照片（例如INS）、控制点等，无需人工干预，三维计算软件在几分钟或数小时的计算时间内，根据输入数据的大小，能输出高分辨率的带有真实纹理的三维网格模型。输出的三维网格模型能够准确精细地表现出建模主体的真实色泽、几何形态及细节构成。模型建模流程见下页图1。

2 心圩江全流域综合整治工程

心圩江发源于南宁市与武鸣县交界处的六怀山，经安吉、西津于芦屋坡汇入邕江，流域集水面积132km2，天然河道长29.25km。流域呈扇形，地势北面高、南面低，自安吉以上大部分为山区丘陵，分水岭高程在400m左右，安吉至河流出口为低丘平原，地势平坦开阔。根据2011—2015年入邕江口监测数据显示，心圩江流入邕江的水质受污染严重，水质一直为劣V类，影响水质的主要指标氨氮全年超过地表水环境质量标准（GB3838-2002）V类水质指标限值，该河流受到严重有机污染。污染源主要为生活污水、工业废水和养殖排污，从水质检测指标来分析以生活污水为主。

南宁市心圩江环境综合整治工程项目位于南宁市西乡塘区，是南宁市对心圩江流域进行水环境综合治理，着力关注和防范化解生态环境领域风险，扎实推进生态系统保护和污染防治攻坚战的重要举措。工程主要内容有：河道治理工程、污染治理工程、生态恢复工程、景观提升工程、水环境监测及信息化管控工程。其中包括沿河道两侧铺设截污干管与截污支管，共13.2km;新建处理能力为3万m3/d的上游污水处理厂1座;新建处理能力为6万m3/d的下游污水处理厂1座;建设全流域初期雨水收集与处理系统，共建设7座初期雨水调节池。

3 相控点布设及外业

因为国内缺少倾斜摄影相关技术规范，本次外业测量时选择《1∶5001∶1000地形图航空摄影测量外业规范》（GB/T7930-2008）作为参考依据。1∶500地形图平地、丘陵地平高点应采用全野外布点，不少于5个。本次相控点沿心圩江全流域两岸呈“之”字形布置，共布置38个相控点，相控点间隔500～800m，相邻的相控点必须在河的两岸，共布置相控点32个，检查点6个。

目前常用的相控点制式主要有黑白色喷漆对角三角形、“L”型和“+”型。为了得到合适的控制点，以便于内业空三计算软件刺点，本工程在布点开始前，先对三种布点方式的影像图用Matlab软件进行处理。将三种点设置在空旷的地面上，利用无人机飞高120m采集三种点在同一位置各自的影像。

灰度直方图在数字图像处理中是非常有用的工具，特别是在特征提取和目标识别上，利用Matlab软件对相片进行灰度处理，以得到不同布设方式在同一位置各自的灰度直方图值，从而对比各类型布设方式灰度直方图。因为灰度直方图是以黑色到白色的显示图形，0点代表黑色，255点代表白色。从图中可以看出，对角三角形布设点位的起始值比其他两种方式较大，在照片中黑色更加显眼，而在末尾趋近于白色的范围内也高于另两种布点方式，说明对角三角形对于后续软件刺点的便捷性和精准性要优于另两种方式，如图2所示。

黑白色对角三角形布设成本较高，对场地的要求较高且需要模具辅助，但是效果明显，空三刺点较为容易。“L”型和“+”字型相控点布设较为简单，内业作业时由于目标较小，受像素或光线影响，“L”外角有时会出现虚影或者模糊等情形。所以项目布点方式选用黑白对角三角形相控点布置，大小根据航飞高度调整，航飞高度越高则越大。

在进行外业无人机飞行时，先要假设一个预期的精度，通过预期的精度、相机上元器件的参数可以反推出无人机飞行的高度;其公式为：

这些参数中，LS、f、L是无人机自带的相机上确定的参数，P是三维模型网格的精度。本工程选用自带RTK的无人机。在确保精度的同时，通过设置相控点，用地面RTK测量相控点的坐标，然后通过内业刺点将相控点的坐标再次赋予模型，达到精度再一次的提高。

4 模型精度分析

利用无人机对心圩江全流域进行数据采集，并利用BentleyContextCapture软件进行空中三角形计算及刺点生成精准模型建立。本项目从38个相控点中选取6个点作为检查点。在模型计算检查点不予刺点，分别计算检查点X、Y、H方向上的中误差σx、σy、σH，其计算公式分别为：

模型生成后，获得检查点在模型上的坐标，同时，依据精度计算公式计算所得结果见表1、表2。

本模型精度满足《1∶500 1∶1000 1∶2000地形图航空摄影测量内业规范》（GB/T7930-2008）中1∶500的精度要求。

5 模型的应用

心圩江全流域三维倾斜摄影模型的应用贯穿在整个工程的全寿命周期内。在设计阶段，因为心圩江周边自建房屋密集，踏勘人员很难进入到现场进行踏勘，利用高精度三维倾斜摄影模型，可直接在计算机上进行踏勘。在河道设计中，直接利用高精度三维实景模型进行河道设计，减少了房屋征地拆迁，优化了河道设计。

将三维倾斜摄影模型直接接入建设管控平台中，进行二次开发，与BIM模型进行叠加融合，对施工中各标段的完成情况进行直观的显示，同时利用实景模型真实性的特点，模拟不同降雨量下河道的泄洪能力。

基于三维倾斜摄影模型，将BIM模型融合到三维倾斜模型中，将流域基础数据与BIM叠加后可视化展示，进行污水处理厂设备运行的管理与分析。同时，将建成后的河道进行第二次无人机数据采集，形成建成后的心圩江全流域三维倾斜摄影模型，与水质监测物联网结合，将水质监测点BIM模型结合到三维倾斜摄影中，并将水质监测物联网数据与BIM模型进行挂接，当水质检测数据达到一定的阈值时，BIM模型在运维平台的三维倾斜摄影模型模块会发出预警，水质检测人员可直观定位到河段的污染情况，及时找出污染源，进行点源治理。

6 结语

在建立高精度大范围三维倾斜摄影模型时，从无人机摄像元器件的选型、相控点的布置、无人机飞高的计算、内业刺点的精准性和分片区连接点的设置上都要做到精益求精，自带RTK的无人机所得到的模型精度在其他技术保证的前提下，要明显高于不带RTK的无人机所得到的模型精度;相控点设置时，通过Matlab进行图片灰度处理，对比各种布置方式的灰度直方图得出，对角三角形相控点在照片中的辨识度要高于“+”字型和“L”型，更易于内业软件中刺点，精准性更高。在现在众多无人机倾斜摄影模型作业的情况，本工程高精度倾斜摄影模型的建立为其他类型工程倾斜摄影模型的建立提供了经验和依据。

高精度的大范围三维倾斜摄影模型可以应用到环境综合整治工程的全寿命周期：在设计阶段，可用于工程方案讨论和河道整治设计;在施工阶段，通过建设管控平台可对工程进行精细化管控，可以缩短工期，节省投资;而在运维阶段，通过对物联网和BIM模型的结合，可以做到电子沙盘精准控制“一张图”。通过在三维倾斜摄影模型上实现监测数据映射的直观化，可以进行污水处理厂设备运行的管理与分析。

参考文献：

[1]史与正，张淑玲，王 英，等.利用无人机倾斜摄影三维模型进行大比例尺成图技术研究[J].测绘通报，2019（11）：137-140.

[2]徐宏赫，惠文華，柳 伟.倾斜摄影三维中相控点对模型精度的影响[J].建筑技术开发，2019，46（22）：81-82.

[3]刘培状，杨秉澍.基于无人机倾斜摄影测量和BIM技术的三维实景模型在水利工程设计中的应用研究[J].地下水，2019，41（6）：206-207.

[4]范荣双，陈 洋，徐启恒.基于深度学习的高分辨率遥感影像建筑物提取方法[J].测绘学报，2019，48（1）：34-41.