无人机倾斜摄影地理信息采集在湖南省蒙公塘水文站的应用

李颖 毛俊杰

（湖南省水文仪器设备检测中心 湖南长沙 410000）

当前，水利信息化朝着应用物联网、大数据、云计算、移动互联网和人工智能等新一代空间信息技术方向发展，实现对水利对象及活动的服务，这也是水利基础测绘工作的新课题，将面临着更广的现实需求。其在实现流域高质量发展中的基础性作用不断强化，一是要继续满足传统的流域规划等方面的需求，提供传统的以4D产品（DOM（数字正射影像图）、DEM（数字高程模型）、DRG（数字栅格地图）、DLG（数字线划地图））为主的基础地理信息产品；二是要满足新时代背景下“水利工程补短板、水利行业强监管”、智慧水利、流域动态监测、精准水情预报等愈来愈多样化、定制化的新需求，提供各种尺度的从三维实体模型到一体化场景的地理信息产品［1］。

湖南省水文仪器设备检测中心组织实施基本水文站的无人机倾斜摄影地理信息采集工作，对水文站上、下游河段及周边进行三维建模，成果将应用于内部信息平台、四水项目、县市级平台、公众服务平台，让受众可直观查看河段三维实景、水情实景模拟。

1 现状分析

湖南水文测绘体系建设进程中，以服务于防洪减灾、流域规划、河湖治理、公众应用为目的，着重提升快速、高精度三维河道数据获取、处理与分析等方面的综合服务能力。当前，由于技术限制，仍然存在一些问题和不足。例如，水下地形测绘、三维建模工作量大；基础信息更新时效性不强；地形的应急测绘能力不足，难以满足时效和精度的需求，亟需进一步提高三维河道空间数据快速获取、处理及分析能力；河湖测绘的产品形式较为原始、单一，难以全方位地满足现代江河治理与水利建设的需要［2］。

针对几类问题，需要在以下两方面重点改善：（1）打通快速获取高精度三维空间数据瓶颈，为应急需求提供基础保障；（2）建设湖南水文基础地理服务平台，提供更丰富，形式更多样的测绘成果产品。因此，无人机倾斜摄影地理信息采集及三维建模成果可作为湖南水文的服务产品之一。无人机倾斜摄影地理信息采集及三维建模完成后，三维模型为今后进行测站基本信息展示、淹没分析等提供数据支撑，是整个四水系统建设的重要一环。

2 技术路线

近年来，无人机产业快速发展，并在国防、公安、水利、电力、国土、农林、石油、勘测、娱乐等行业广泛应用。同时，无人机控制技术、数码航摄技术及影像处理技术的不断成熟，成功解决了传统摄影测量上技术的困难和传统测绘成本高、强度大的问题，无人机航测系统成为继全站仪、RTK（实时动态定位）后新一代的测绘技术装备［3］。倾斜摄影技术是国际上新发展起来的高新技术，它搭载多台传感器，从5个不同的角度对采集对象进行摄影（1 个垂直角度和4 个倾斜角度）。基于无人机航测及倾斜摄影技术生产的4D 产品和实景三维模型已广泛应用于国民经济建设的各个领域。

本中心开展了专题研究，多次深入水文测站现场进行实地试飞，探索最好的采集方法。通过不断反复实践比较，确立了查勘采集现场、确定采集范围、布置采集控制点、测定经纬度及高程、设定软件参数、获取现场地理信息、数据处理生成等工作措施，找到了最合适的无人机野外采集水文测站三维地理信息的办法［4］。

3 系统组成

无人机倾斜摄影地理信息采集在蒙公塘水文站通过航测无人机搭载摄像机对流域进行拍摄，实现影像数据采集，对采集到的影像采用专业影像数据处理软件进行处理，形成规范的数据产品，再对采集的影像进行三维建模。系统组成见图1，倾斜影像特点如下。

图1 无人机倾斜摄影地理信息采集项目系统组成图

（1）能反映流域周边最真实的状况。与正射影像相比，倾斜影像能提供多角度观察地物，能更好地反映出流域的实际状况，弥补了正射影像的不足。

（2）可进行单张影像的量测。通过影像处理软件的应用，可基于影像成果直接进行长度、高度、面积、坡度、角度、剖面等的量测及堆积体体积的计算，使倾斜摄影技术在各行各业广泛应用。

（3）数据格式量小，利于在网络上发布。采用倾斜摄影技术得到的影像数据量要比三维GIS数据的量小得多，并且其影像的数据可快速进行网络发布，实现共享。

4 蒙公塘水文站地理信息采集开展

4.1 站点基本情况

蒙公塘水文站1972年建站，是资水一级支流区域代表站，位于湖南省益阳桃江县大栗港镇蒙公塘组，属山溪性暴涨暴落河流。它的集水面积约为509km2，干流长约72km，基本水尺断面至河口距离7km。

4.2 项目开展流程

项目开展流程包括前期资料收集、现场勘察、编写实施方案、像控点测量及航摄实施、三维建模、质量评估、上传四水系统，流程图如图2所示。

图2 项目流程图

4.3 操作步骤

（1）用地图软件确定地理信息采集范围，标出确定像控点位置，如图3所示。

图3 蒙公塘水文站摄影区域及像控点位置

（2）在天气晴朗、低空无云雾、能见度大于5km、太阳高度角大于45°时进行航摄。

（3）根据周边环境，确定飞行高度是否合适（本次飞行高度为180m），对无人机设备进行组装和进行飞行前例行检查，将地图文件导入遥控器，飞行航线要按照实际需要的地面分辨率进行设计，航线能完整覆盖整个航拍区域。根据无人机的性能参数如巡航速度、续航时间、有遮挡及无遮挡环境下可控距离，以及航摄地区的地形特征等，规划无人机的飞行航线及规定单架次飞行的最大飞行距离以保证无人机的飞行安全，确定飞行路线后输入相关飞行参数。

（4）根据地图文件上标记的像控点位置，在蒙公塘水文站周边逐一进行像控点喷涂，同时，利用GNSS 接收机，采用实时动态测量RTK（Real-Time Kinematic）载波相位差分技术测量经纬度及高程数据。像控点必须选在明显且影像清晰的地物点上，如细田埂的交汇点、十字路口的道路中心线交汇点或其他接近正交的线状地物交点，且选在航线（上下两条）6 片重叠的范围内，使布设的控制点能用于多张像片。

（5）像控点喷涂完成后，开始无人机倾斜摄影，采集过程中要实时监控采集过程。由于飞行范围大、时间长，航摄中途要分几次更换电池以保证设备安全与数据完整。飞行距离过远可能遇到与无人机无法连接的情况，要对无人机进行及时召回，确保无人机与遥控器连接正常。

（6）在信息采集现场填写《无人机倾斜摄影地理信息采集项目现场信息记录表》。

（7）将摄影相机拍摄的照片用赛尔航测管家系统进行处理和输出，拷贝至电脑。

（8）进行三维建模工作。将高分辨率的航摄影像及对应的POS 数据建模，建模前对起飞和降落阶段不合格的数据进行剔除［5］。基于Context Capture，建立三维GIS模型，对模型精修和单体化处理，可能会存在由于错误的影像匹配或者较差的几何姿态造成建筑变形、悬浮物、丢失部件等情况。通过单体化软件，对模型进行精修重建，使地物要素完整，从而达到后期三维GIS 应用［6］。水面修饰即是用于展示的实景三维模型成果，需将水面的空洞、凸起或下陷的部分删除、填充、整平并赋正常水面颜色。水文站模型修饰在修饰水文站特定模型时，要以其细节层次照片为基本依据，故在外业航片采集时，需对该特定地物进行多方位、多层次的环绕平拍。对水尺、传感器等精细对象进行建模表现，需要实地使用相机拍摄全貌和细节，建模效果如图4所示。

图4 蒙公塘水文站三维模型

5 结语

虽然无人机应用技术在不断深入，但是水文行业的基础地理信息采集应用在我省还是首次，如何使无人机应用技术与水文专业技术要求和规范标准有机地结合起来，采集到适合水文工作需要的基础地理信息，是一道前所未有的课题。将通过对各种自然环境下的水文站进行多次采集和研究，来完成更好的水文站三维建模，让无人机倾斜摄影地理信息采集工作在湖南水文中充分发挥其作用。