面向水利工程的空地一体三维重建方法研究

刘尚蔚， 李闯， 魏群

(华北水利水电大学,河南 郑州 450046)

倾斜摄影测量已广泛应用于水利工程中，它通过无人机搭载多轴传感器同步获取建筑物纹理信息，打破了传统摄影测量只能从垂直方向获取影像数据的局限，将水利工程各水工建筑物以及河道的三维空间信息紧密结合，共同构建水利工程三维模型。水利工程具有结构高大、形状不规则以及纹理信息复杂的特点，航线规划时不能完全覆盖整个测区，单一数据源很难满足三维重建的需求，重建模型易出现近地面数据丢失、局部模糊以及整体精度低的问题。为此，各领域的专家、学者针对精细化三维重建进行了研究，如文献[1-2]利用倾斜摄影技术与软件二次开发技术实现了数字城市的建筑物重建，提高了建模效率和模型精度，视角灵活，但软件操作烦琐，短期难以掌握；文献[3-5]利用倾斜摄影技术匹配融合激光扫描技术，将二者点云数据融合后重建模型，改善了局部模糊的问题并提升了整体精度，虽避免了像控但点云数据冗余，后期处理复杂；文献[6]将倾斜摄影实景真三维模型与传统三维模型无缝结合，解决了复杂异形结构的三维重建问题，但人工建模效率低，模型真实感还原较差。对于上述方法的不足，本文提出一种结合倾斜摄影测量与近景摄影测量的空地一体三维重建方法，包括空地影像的同步采集、内业数据联合处理和模型精度评价，达到了水利工程大范围高精度三维重建的目的。

1 研究方法

“空”是指低空倾斜影像；“地”是指近景摄影影像；“空地一体”是指对同一测区采用低空倾斜摄影测量与地面近景摄影测量两种方式采集数据，并按照特定的算法进行融合处理[7]。空地一体三维重建综合倾斜摄影测量对高层地物整体影像精确获取，及近景摄影测量对局部近距离高分辨率影像获取的优势，实现对测区大范围多方位的影像采集。数据处理采用ContextCapture三维实景建模软件，首先利用其集群处理性能将多台同构或异构的计算机连接成基于逻辑并行计算的计算机群[8]，然后导入空地影像数据，通过联合空中三角测量获取影像外方位元素，进而生成密集点云并构建不规则三角网(Triangulated Irregular Network，TIN)，最后通过纹理切片映射生成高精度三维模型。集群环境的设置提高了建模效率，充分发挥了计算机的性能。空地一体三维重建的技术流程如图1所示。

图1 空地一体三维重建流程图

2 数据采集

2.1 像控点布设

在常规倾斜摄影测量中，对含有定位定姿(Position and Orientation System，POS)信息的影像可进行免像控高精度空中三角测量解算。本方法包含空地影像数据，免像控易出现空中三角测量分层现象，且像控点信息作为联合空中三角测量的关键，直接决定三维重建的效率和精度。为进行高效高精度联合空中三角测量，结合朱进等人对“控制点布设对空中三角测量精度影响”的研究[9]，综合水利工程地形以及建筑物分布，提出了区域网四周分组布点，周边及中心线均匀布点的方案。像控点布设在测区有明显特征的点位上并做标记，用RTK量测标记中心的三维坐标，具体布点方案和像控点标记如图2所示。

图2 像控点布设方案

2.2 倾斜影像采集

针对水利工程高程落差大以及施工中坝身纹理复杂的特点，在常规倾斜摄影测量的基础上进行改进，以多种方式联合作业采集“高密度、高精度、多方位”倾斜影像，包括整体航线法、局部叠加法和定点环绕法。整体航线法通过常规倾斜摄影测量对测区整体进行影像采集，倾斜摄影系统选用大疆M600 Pro无人机搭载红鹏AP2600两镜头倾斜相机完成，方案编制时根据《三维地理信息模型数据产品规范》的要求计算合理的航高、航向间隔和旁向间隔[10]。局部叠加法是在整体航线法的基础上，对大坝主体区域进行的加密飞行，与整体航线法相比，无人机飞行高度低、采集影像精度高，是对常规倾斜影像的横向叠加。定点环绕法选用旋翼单镜头无人机，通过改变云台的角度拍摄不同方位的倾斜影像，对大坝定点环绕拍摄获取坝体周围的影像数据。

2.3 近景影像采集

倾斜摄影测量受航高或倾斜角度的局限无法对近地面结构不规则、纹理复杂的建筑物进行完整的信息获取，因而通过近景摄影测量获取影像补充数据源。传统近景摄影系统常使用单反相机、vRTK等设备，采集效率低且数据单一。本方法采用团队自主研发的奥斯派克广义成像系统，由摄影成像系统奥斯派克广义成像仪和手机应用程序Auspic_GIS(Generalized Imaging System)组成，两者利用数据线连接传输指令。首先根据目标物体规划线路和设站，计算仪器摄距和旋转角度，将参数输入仪器，同时打开Auspic_GIS程序进行全自动影像获取。拍照时确保采集的倾斜影像与近景影像有一定的重叠度，将相机设置为定焦模式。本方法获取的近景影像包含完整的可交换图像文件格式(Exchangeable Image File Format，EXIF)信息，便于对影像进行多种运算，故无需重复布设像控点。

3 空地一体三维重建

3.1 联合空中三角测量

空中三角测量是对影像间拓扑几何关系进行重建的过程，本质是量测影像间的连接点，还原出影像的外方位元素。数据源联合空中三角测量是空地一体三维重建的关键。首先在软件平台导入倾斜影像，递交给空中三角测量模块并提取大量特征点，利用像对选择匹配不同影像间相同特征点的平面坐标和高程，进而确定影像的空间位置和姿态；空中三角测量模块加密无误后，添加像控点文件并再次提交空中三角测量模块，利用像控点信息进行光束法区域网整体平差，平差后反算出影像间的空间变换模型，还原倾斜影像的外方位元素；上述空中三角测量模块加密完成后，选择定向好的两张不同影像通过刺点方式提取特征点坐标[11]，确保每个特征点都能出现在4张以上不同近景摄影像片上，然后导入近景影像，添加通过刺点方式采集的特征点作为像控点完成近景影像空中三角测量解算，融合两次空中三角测量解算成果，再次递交空中三角测量模块，完成空地影像联合空中三角测量。由于获取影像均含POS信息，也可将影像分组导入软件直接进行空中三角测量，但空中三角测量的结果易出现分层现象，空地融合效果差。联合空中三角测量的过程及解算结果分别如图3和图4所示。

图3 联合空中三角测量的流程图

图4 联合空中三角测量的解算结果

3.2 模型构建

联合空中三角测量解算完成后，基于影像的内、外方位元素获取多视影像的同名点坐标[12]，通过影像密集匹配生成点云数据；然后，根据点云数据提取深度图并计算TIN模型，此时的模型是无纹理的白膜；最后，根据白膜的空间结构从不同视点的多幅影像中选取最优纹理图贴合在白膜上，完成纹理映射，得到三维实景模型。三维实景模型可导入第三方软件中进行模型修饰和单体化的处理，得到建筑物的精细化模型。

与未添加近景影像的实景模型相比，添加了近景影像的实景模型(图5)的纹理质量有了很大提升。

图5 模型细节对比

3.3 模型精度检验

模型构建完成后，为检验模型精度是否满足要求，像控点布设方式和数量是否合理，需进行模型精度检验。模型精度检验包括平面精度检验和高程精度检验。首先，在模型中找出野外实测检查点的标记；然后，用软件量测检查点的坐标，并将其作为模型坐标，将野外实测检查点的坐标作为实测坐标；最后，计算模型坐标与实测坐标的差值作为X、Y、Z方向上的真误差，并由以下公式计算中误差:

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：X实、Y实、Z实为检查点的实测坐标值；X模、Y模、Z模为检查点的模型坐标值；σXY为点的平面中误差；σX、σY分别为点在X、Y方向上的中误差；σZ为点在高程上的中误差。

4 工程应用

4.1 工程概况

某水利工程地处中低山区，属峡谷地貌，拦河大坝为碾压混凝土双曲拱坝，坝高145 m，正常蓄水位643 m，总库容7.1亿m3。测区以拦河大坝为中心，呈条带状，南北长约1 242 m，东西宽约442 m，有效航测面积约1.34 km2。

4.2 工程模型构建

外业影像采集分空中倾斜影像采集和地面近景影像采集。倾斜影像通过整体航线法、局部叠加法、定点环绕法3种方式进行采集。前两种方式的倾斜摄影系统选用大疆M600 Pro无人机搭载红鹏AP2600两镜头倾斜相机完成，后一种倾斜摄影系统选用旋翼单镜头无人机大疆精灵4 Pro完成，具体航摄参数见表1。近景影像选用近景摄影系统广义成像仪完成，共采集像片314张。

表1 倾斜影像航摄参数

内业处理使用ContextCapture软件。首先在局域网上搭建集群环境；然后将获取的像片分组导入软件中，通过联合空中三角测量模块生成该水利工程整体的点云数据(图6)；再基于点云数据构建三维不规则三角网(图7)，并对三维不规则三角网进行平滑和简化，生成白膜(图8)；最后通过纹理映射得到高精度的实景三维模型(图9)。

图6 密集点云

图7 三维不规则三角网

图8 三维白膜

图9 三维实景模型

三维模型的精度统计见表2。依据公式(1)—(4)计算得：三维模型在X方向的中误差为0.022 m，在Y方向的中误差为0.027 m，平面中误差为0.025 m，在Z方向的中误差为0.035 m。

表2 三维模型精度统计 m

根据《三维地理信息模型数据产品规范》[10]中的规定，本文构建的三维模型的平面精度和高程精度达到Ⅰ级产品的精度要求。

4.3 模型应用

1)作为信息数据的载体。将空地一体三维重建方法引入水利工程建设智能化管理中，获取水利工程高分辨率的三维实景模型，为工程信息存储、分析、展示和后期应用奠定了基础[13]。基于模型进行面积、体积度量计算，实现对碾压混凝土拱坝工程信息的高效获取、精确分析和可视化表达，并以此模型作为信息载体构建建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)数据信息库。

2)工程前期提供参考。在施工前期，通过空地一体化技术大范围扫描现场，得到地形的三维可视化模型，以此为基础制作相匹配的数字高程模型并派生出等高线、坡度图等信息，通过配套软件对地形进行分析，计算地基的土石方量，并与设计阶段的土石方量校核，为土石方量的精确计算提供必要的依据，为人、料、机准备和土方调配方案提供合理的参考。

3)直观的数据支持。空地一体三维重建在大范围、高精度的情况下感知复杂场景，获取空地影像，利用软件制作密集匹配点云和三维实景模型，基于模型生成测区的数字正射影像图，通过定期建模记录混凝土拱坝浇筑、碾压的施工过程，为管理人员提供更为直观的数据支撑。

4)工程前期模拟真实场景。前期借助无人机航拍获取地形的低空摄影数据，利用建模软件构建地形的倾斜摄影模型，转换倾斜摄影模型格式使之与BIM三维模型格式相匹配，将BIM三维模型叠加至倾斜摄影模型上构建完整的水利工程三维场景，实现水利工程的虚拟仿真。

5 结语

水利工程常建于高山峡谷纵横、地形复杂的地区，无人机航测的误差来源多，相较于其他工程对三维模型有更高的精度要求。本文提出的面向水利工程的集成倾斜摄影测量与近景摄影测量的空地一体三维重建方法，变单一数据源为多源，从横纵两向对原始数据进行叠加，获取水利工程全方位的纹理和几何信息；后期基于集群技术进行联合空中三角测量，充分发挥计算机的性能，且空中三角测量融合效果较好，三维重建模型精度高，侧面纹理丰富。