倾斜摄影在港口码头技术状态评定中的实践与应用
2021-04-05张烜侯佳俊金广龙渤海石油航务建筑工程有限责任公司
张烜 侯佳俊 金广龙 渤海石油航务建筑工程有限责任公司
1.前言
无人机倾斜摄影技术因具有快速高效、机动灵活、成本低等多种优势，现多用于遥感测绘领域。对于港口码头技术状态评定这种空间资源有限，数据采集困难的项目，通过无人机对港口码头利用倾斜摄影技术进行实地数据采集，再利用摄影数据建立高分辨率诗经模型，检测人员直接通过模型查看港口设施的真实情况，对明显破损地方可以进行测量与标记，对于破损严重的地方再深入现场进行详细检测。
2.倾斜摄影实景建模技术
倾斜摄影技术是国际摄影测量领域近十几年发展起来的一项高新技术，区别于正射影像只能从垂直角度拍摄与观察的局限性，倾斜摄影通过搭载五镜头，可通过从一个垂直、四个倾斜、五个不同的视角同步采集多角度影像，获取到多维度的物体顶面及侧视的高分辨率纹理。基于倾斜摄影建立的实景模型能够真实地反映地物情况，高精度地获取物体的纹理信息，为检测人员反映构件各个面的特征。在欧美等发达国家已经广泛应用于应急指挥、国土安全、城市管理、房产税收等行业。
倾斜摄影实景建模在大规模城市三维建模、地形勘察行业已有较多应用，但在港口设施巡检中鲜有涉及。此外传统的倾斜摄影技术虽然可以快速通过五角度镜头获取目标区域的倾斜摄影数据，但采购的硬件成本高、专业测绘无人机操作复杂难度高，人员素质要求高。因此对于非大型测绘项目的港口设施技术状态评定，使用单镜头民用无人机模拟专业五角度镜头的拍摄效果，是一个较好的解决方案。
3.实景建模作业实例
3.1 项目概况
中海油某终端处理厂位于渤海湾绥中县海域内，包括后方场地、3千吨散货泊位1座、3万吨原油外输泊位1座、5万吨原油外输泊位1座。码头平面为突堤式防波堤码头，结构为重力式沉箱，其中引堤长度2公里。码头建于2012年，已使用8年，根据规定，需要对其进行技术状态评定，以确定码头水工结构状态是否满足安全生产需要。
3.2 无人机倾斜摄影
外业作业前，确定飞行区域的控制点成果、坐标系统、高程基准参数以及码头地形图等地面控制系统数据，根据这些数据制定本项目无人机航飞技术方案，确定飞行航线、像控布设及测量，以及无人机状态（影像分辨率、影像重叠率、飞行航高、影像拍摄间隔、镜头白平衡等）。方案确定完成后，需要对飞行区域空域申请，保证飞行的合规性和安全性。
外业飞行设置，此次作业采用两台大疆精灵4RTK无人机进行作业，分别对后方终端厂、码头进行实景建模。航向重叠70%、旁向重叠70%，影像重叠率80%，倾斜角度-60°，飞行高度89m，影像精度2.5cm。坐标系统为CGCS2000，大地高程系统，RTK定位，影像为RGB模式真彩色模式，白平衡为阴天，JPG格式。
按照码头飞行区域布设像控点，根据技术方案利用无人机搭载多传感器从一个垂直、多个倾斜等不同角度采集码头实景数据。
3.3 实景建模
基于无人机采集的数据，采用Bentley ContextCapture进行内业空三加密、生成点云、建立实景三维模型。ContextCapture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GIS成果，以供浏览或后期加工。
3.4 临水作业技术难点与解决方法
因航摄影像包含水面影像，而水面部分反光会导致软件误判空间位置，常规城市三维建模内业设置会导致空三计算错误，空三结果与模型重构时会发生模型扭曲的现象。如图1所示，空三结果后方场地影像位置错误，码头部分出现明显扭曲变形。
此次内业处理空三计算设置参数如下：关键点密度设置为高，评估策略位置设置保持，角元素设置保持，焦距选择平差调整，主点选择保持。本项目外业作业采用的大疆精灵4RTK无人机具有高精度差分RTK定位，定位精度可达2cm，故采用保持可满足建模需求。本设置下空三计算结果与模型重构效果正常，满足实际需要。
4.实景模型应用
4.1 测量与标注
基于无人机倾斜摄影技术建立的实景模型可通过Context Capture Viewer软件显示的模型观察码头整体状态，并对观察到的裂缝、破损面在模型中进行长度测量、面积测量、位置标注。同时对于橡胶护舷的损坏、缺损进行标注和统计，为港口码头技术状态评定提供精确数值参考。
4.2 扭王字块重量
图1 空三计算输出结果显示影像位置与实际不符
图2 使用测量工具栏确定扭王字块重量
根据防波堤与护岸设计规范（JTS 154-2018）要求，需要确定每百平方米扭王字块重量，传统检测方法存在较多不便。实景模型中的物体长、宽、高、面积等参数与实体数据一致，因此可基于实景模型进行扭王字块的测算。在实景模型中选取一段防波堤，选择面积测量功能，沿防波堤斜面依次选择4个点确定一块区域，设置切分正方形边长为2米，故每块正方形面积为4平方米，随机选择25块正方形区域。用其中扭王字块乘以单块扭王字块重量即为该防波堤百平方米重量。此过程重复三次，选取平均值即为结果，如图2所示。
4.3 港口码头维护改造
对于港口码头这类大规模的基础设施进行维护改造工程不是单个独立进行，而是需要结合整体码头的情况进行综合考虑和规划。但仅依靠地图平面无法直观对现有码头进行准确的判断，利用无人机采集的实地数据建立的实景模型则可以反应码头实时状态，以便对港口码头维护改造工程进行精准评估，还可以与未来规划的码头进行结合，模拟规划方案效果，辅助决策。
5.结束语
文章主要介绍了一种采用民用无人机平台通过倾斜摄影实景建模技术辅助港口设施进行技术状态评定的方法，方便检测人员直观的掌握港口设施的运行状态，出具评定报告。并指出临水工程实景建模难点，并提出了解决办法。
