基于贴近摄影技术的旭龙水电站高陡边坡精细实景三维重建

甘拯 周翔

摘要：旭龙水电工程坝址区河段谷坡高陡，工程建设后左岸将形成坝肩高边坡。针对高陡边坡围岩落石等突发性安全问题，提出一种基于贴近摄影的泊松重建改进算法，对边界点的深度值和权值作调整，根据三角网所构成曲面的局部曲度变化来精简TIN，再与纹理影像进行配准和贴图，得到测区实景三维模型。结果表明：贴近摄影相比倾斜摄影数据能够明显提高实景三维模型的坐标精度与精细程度，泊松重建改进算法能够改进重建模型表面棱角不够突出、平面不够平整的问题。该方法不仅能大大提升三维模型地形结构的完整性，还能为工程后期施工图设计提供精确的参考资料，可为旭龙水电工程坝址区及类似工况地区的地质灾害预防提供重要依据。

关键词：倾斜摄影； 贴近摄影； 实景三维； 泊松重建改进算法； 旭龙水电站

中图法分类号：P232

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.05.021

文章编号：1006-0081（2024）05-0117-04

0 引言

近年来，倾斜摄影技术作为一种高效、高质量的实景三维建模技术，已广泛应用于堤防、河道、库区等各类工程的精细实景三维重建［1-3］。然而在水利工程建设中，经常会遇到地形环境复杂，地势落差较大的高陡边坡，在采用倾斜摄影进行影像采集时，由于植被的遮挡、清表困难等原因，重建的三维模型会发生遮挡、扭曲、拉花甚至出现空洞，进而影响模型的精细化和结构完整性［4］。为了解决这些问题，研究学者一方面可采取贴近摄影技术［5］或激光雷达［6］等方式获取更多数据，另一方面可采取基于图像融合、点云处理、數据插值和多视角合成等重建算法提高重建模型的几何细节和结构完整性［7］。其中，贴近摄影技术利用在倾斜摄影基础上建立的精度较低的三维模型上重新规划航飞路线，提高了采集精度，对立面三维重建做了有效补充，提供了更加详细的地形信息和地面要素的几何细节，但所建模型表面仍会存在少部分缺陷、扭曲、变形，而重建泊松算法［8］能有效改善重建模型表面。本文以旭龙水电站工程（以下简称“工程”）坝区的左岸高陡边坡为例，充分利用无人机倾斜摄影与贴近摄影两种技术的优势，同时提出一种泊松重建改进算法，有效地改善了贴近摄影实景建模结果，显著提高了高陡边坡的建模精度和效果，为工程BIM设计提供更高质量的实景三维模型参考，优化工程全生命周期管理。

1 试验区概况

旭龙水电站位于云南省德钦县与四川省得荣县交界的金沙江上，地处横断山山地，属于峡谷地貌类型。坝区面积约0.2 km2，灌木草丛分布零散，地面部分存在遮挡情况（图1）。若仅采用倾斜摄影方式，会存在部分地表模型精度不满足施工设计要求的情况。本研究在对现场实地查勘后，拟首先采用多旋翼无人机对左岸高陡边坡范围进行低精度倾斜摄影，然后将生成的点云成果导入贴近航线设计软件，借助大疆精灵4RTK无人机按重新规划的航迹进行贴近摄影并获取边坡区域的高精度影像。

2 技术路线

基于贴近摄影技术的高陡边坡精细实景三维重建分为5个步骤：采用无人机倾斜摄影方式采集低精度影像数据、生成初始地形数据（点云成果）、贴近航线设计、智能贴近飞行、实景三维模型重建。根据试验区地形地貌情况，采用五镜头旋翼无人机获取整个试验区的倾斜影像；为弥补倾斜摄影测量无法精确获取里面高陡边坡的影像数据的情况，首先采用倾斜影像生成点云数据成果，再利用DPGO软件进行贴近影像飞行航迹设计［9］，并提出了一种改进的泊松重建算法，提高实景三维模型建模精度。

本研究在试验区比较了贴近摄影建模与本研究提出的改进重建算法的贴近摄影融合建模的差异。

3 数据采集

3.1 无人机倾斜摄影

试验使用飞马D2000无人机搭载D-OP3000倾斜模块进行影像数据采集。D-OP3000倾斜模块是一种集成了SONY A6000相机的高性能测量设备。下视镜头焦距为25 mm，倾斜镜头焦距35 mm，有效像素为2 430万。航飞前在试验区选取5个像控点用于后期点云配准及提高实景三维模型的绝对定位精度。理想情况下精度约为分辨率的2～3倍［10］，为了保证试验区实景三维模型精度优于5 cm，地面分辨率设置为2 cm。相对航高为100 m，航向重叠度为83%，旁向重叠度为70%，共获取4 000张数字航摄像片（图2）。

3.2 无人机贴近摄影

试验使用精灵4RTK无人机进行贴近影像数据采集。航线设计如图3所示。

4 内业数据处理

4.1 空中三角测量

为了能够将无序的影像在空间中相互对齐并构建与真实世界相接近的空间模型，需要对影像进行空三加密操作［11］。将贴近影像数据及其POS信息导入专业的航空影像空三处理软件，采取由粗略到精细的金字塔匹配策略在各级影像上进行同名点匹配，恢复影像间的相对位置关系得到影像匹配结果，并解算出每张影像的外方位元素信息。根据空中三角测量运算出的影像外方位元素，通过多视影像密集匹配可获得高密度的点云［12］，点云成果如图4所示。

4.2 实景三维重建

本文提出一种改进的泊松重建方法，充分利用贴近影像数据成果，旨在改善现有三维重建算法生成的Mesh模型表面棱角不够突出、平面不够平整的问题。

首先对由密集匹配生成的特征点云进行去噪和平整；参照文献［13］的方法，从融合点云中检测出边界点［14］，在泊松重建算法的输入点云数据中加入这些边界点；为了在泊松构网的结果中尽可能保留这些边界点，在文献［15］的基础上，对泊松重建算法进行了改进，包括深度值计算和提高边界点的alpha权值。

4.3 改进泊松重建算法

泊松重建算法是一种典型网格类三维重建算法，通过八叉树结构和泊松方程判断该点是几何物体内部或外部。由于算法计算量大，且对点云数据密度与分布有一定要求，对于噪声比较大、边缘信息不够明显、纹理颜色等细节重建结果可能出现偏差。针对这些问题采取以下改进措施。

4.3.1 自适应深度值计算

（1） 根据点云局部的结构特征自适应计算其深度值。 基本思想是降低平面上的采样点的深度值，提高不在平面上的采样点的深度值。

4.3.2 边界点的深度值和权值调整

将边界点的深度值全部设置为采样点深度值的上限Dmax；在计算结点的指示函数值时，让边界点具有较大的alpha权值。这样的调整可以强制让边界点保留在三维重建表面中。

4.3.3 后处理

按照上述改进的泊松重建方法生成三维模型后，根据三角网所构成曲面的局部曲度变化来精简TIN；将简化后的TIN模型和纹理影像进行配准和贴图，得到测区实景三维模型，如图5所示，这种基于贴近摄影的高精度泊松重建改进算法可以有效地提高三维表面重建的精度和质量，使得重建结果更加真实和准确。

5 质量分析

本次实验主要从模型质量对泊松算法重建的贴近摄影建模图［16］，以及研究提出的改进泊松重建算法的贴近摄影建模图进行比较和分析。

两种建模方案的实景三维模型的部分细节如图6所示。可以看到，该研究方法能够有效改善高陡边坡的三维重建效果。

图6模型结构清晰程度对比

Fig.6Comparison of model structure clarity

无人机采集左岸倾斜影像的同时，还获取了边坡的机载LiDAR点云数据成果，选取边坡上20个明显地物特征点的三维坐标值作为理论值，分别对两种建模方式生成的实景三维模型上的模型坐标进行检查，求出中误差进行精度统计：泊松算法平面中误差为54 mm，改进算法后平面中误差为33 mm，泊松算法高程中误差为21 mm，改进算法后高程中误差为16 mm。

6 结语

改进泊松重建算法可降低平面上采样点的深度值，提高不在平面上的采样点深度值，并使更多边界点保留在三维重建表面中，能够有效完善重建模型的纹理细节。所建模型在直观感受与客观误差上都取得较大提升。这样不仅可提高实景三维模型的坐标精度与精细程度，而且能提高地形结构的完整性，还能为工程后期施工图设计提供精确的参考资料，可为旭龙水电工程坝址区及类似工况地区的地质灾害预防提供重要依据。

参考文献：

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编辑：李晗

High steep slope fine realistic 3D reconstruction based on close-up photography techniques

GAN Zheng，ZHOU Xiang

（Changjiang Spatial Information Technology Engineering Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

Xulong Hydropower Station is located in a steep and high slope area along the Jinsha River.After the construction of the project，a high slope will be formed on the left bank.In response to the sudden safety issues such as rockfall in the steep slope，a Poisson reconstruction improvement algorithm based on close-range photography was proposed.The algorithm adjusted the depth values and weights of boundary points，simplified the TIN based on the local curvature changes of the surface formed by the triangle network，and then treat the model with the texture image to obtain a real-world 3D model of the survey area.The results showed that compared with oblique photography data，the close-range photography can significantly improve the coordinate accuracy and detail of the real-world 3D model.The Poisson reconstruction improvement algorithm can address issues such as the lack of sharp edges and uneven planes in the reconstructed model.This method can not only greatly enhances the integrity of the terrain structure of the 3D model but also provide accurate reference data for the design of construction drawings in the later stage of the project.The research results can provide a reference for the prevention of geologic hazards in the Xulong hydropower dam site area and similar working conditions.

Key words：

inclined photography； close-up photography； realistic 3D； improved poisson reconstruction algorithm； Xulong Hydropower Station

收稿日期：2023-11-02

作者簡介：甘拯，女，高级工程师，主要从事水利水电工程摄影测量与遥感技术应用与研发工作。E-mail：tricy@126.com

通信作者：周翔，男，高级工程师，主要从事工程测量与摄影测量工作。E-mail：zhouxiang@cjwsjy.com.cn