摘要:為滿足水利工程全生命周期管理需求，提出了利用無人機單鏡頭大重疊攝影與多角度傾斜攝影聯(lián)合作業(yè)模式，對河南汝陽前坪水庫水利工程進行實景三維建模，建立了一套水庫粗模和精模快速三維生成的技術(shù)流程，研究成果可為水利工程投資分析、工程設(shè)計、施工與安全質(zhì)量管理、庫區(qū)移民等基于ＢＩＭ技術(shù)的水利工程全生命周期管理提供技術(shù)支持。

  關(guān)鍵詞: 無人機；實景三維模型；水利BIM；粗模；精模

  前坪水庫位于淮河流域沙潁河支流北汝河上游，河南省汝陽縣的前坪村，是以防洪為主，結(jié)合灌溉、供水，兼顧發(fā)電的大型水庫，水庫總庫容5.84億m³，控制流域面積1325ｋ㎡。前坪水庫工程是河南省重點水利工程，同時也是我國“十三五”期間重點建設(shè)的172項重大水利工程之一?，F(xiàn)代社會中，遙感技術(shù)已成為人類獲取地理環(huán)境及其變化信息的必備高科技手段。本文綜合利用多類型無人機搭載不同傳感器進行航空攝影，采集水庫主體庫區(qū)及局部重 點施工區(qū)影像數(shù)據(jù)，制作水庫實景三維地理信息模型，并與設(shè)計模型聯(lián)合應(yīng)用，提高展示效果，輔助工程建設(shè)管理，從BIM服務(wù)入手為水庫設(shè)計、建設(shè)、運行提供全生命周期服務(wù)。

  １ 無人機低空遙感

  １.１ 無人機平臺

  根據(jù)前坪水庫建設(shè)工程對三維模型精度需求劃分不同的作業(yè)區(qū)域，主體庫區(qū)建立實景三維粗模，局部大壩及附屬設(shè)施等重點施工區(qū)建立實景三維精模。由于庫區(qū)地處豫西伏牛山區(qū)，地形較為復(fù)雜適合采用無人機航空攝影測量方法進行數(shù)據(jù)獲取和三維建模。本文選用長航時固定翼油動無人機和電動 六旋翼傾斜攝影無人機作為空間數(shù)據(jù)獲取平臺，采用聯(lián)合作業(yè)建模的工作模式。無人機平臺及搭載見 表１。

  １.２ 無人機航空攝影

  為滿足制作DOM要求，固定翼無人機航飛航向、旁向重疊度分別設(shè)計為70％、40％；同時針對重點施工區(qū)域，采用電動多旋翼無人航飛用于實景建模，為保障后處理影像匹配精度及三維場景真實還 原效果，在地形高差允許范圍內(nèi)，采用降低飛行高度 或使用短焦鏡頭等手段，獲取地物側(cè)面高清紋理。表２為航攝指標(biāo)設(shè)計參數(shù)。

  １.３ 像控點布設(shè)

  前坪水庫主體庫區(qū)控制校核線呈不規(guī)則帶狀，以河道貫穿中線的地形特征，本文采用“內(nèi)部沿河 道中線布設(shè)、外圍邊角控制”均勻布點方案，共布設(shè)像控點位40個，檢查點6個；重點施工區(qū)形狀為矩 形區(qū)域，采用四角兩邊法區(qū)域網(wǎng)布點，布設(shè)控制點位19個，檢查點6個。布設(shè)的控制點如圖１所示。

  ２ 水庫實景三維建模

  以固定翼無人機單鏡頭獲取的正攝影像與多旋 翼無人機五鏡頭傾斜影像為數(shù)據(jù)源，采用影像匹配 彩色點云數(shù)據(jù)技術(shù)和三維網(wǎng)格優(yōu)化算法，實現(xiàn)自動三維重建、紋理映射、連接點重構(gòu)紋理和重建約束， 快速建立了高精度水庫實景三維模型，并成功應(yīng)用于水利BIM。

  ２.１ 三維建模技術(shù)流程

  將原始影像整理成果、POS數(shù)據(jù)等導(dǎo)入 Smart3DCapture軟件，經(jīng)像片刺點、幾何處理、自動匹配空三、構(gòu)建TIN模型、貼紋理、構(gòu)建三維模型等步驟，實現(xiàn)實景三維建模。整個過程自動化程度高， 正射影像和傾斜影像全自動聯(lián)合空三，并為建(構(gòu))筑物創(chuàng)建高密度的不規(guī)則三角網(wǎng)，并自動貼紋理，具體如圖２所示。

  由圖２可知，通過對庫區(qū)高重疊度影像進行處理，獲取大量連點，并在此基礎(chǔ)上建立精細TIN模型及三維白模，采用映射的方式將高清影像紋理映射到三維白模表面，最終實現(xiàn)實景三維的自動產(chǎn)。

  ２.２ 技術(shù)難點解決方案

  在三維建模過程中，采用的軟件雖然自動化程 度較高，但仍然存在POS和像控點坐標(biāo)不一致、外方位元素未知等技術(shù)難點。為保證模型的精度，本文采用以下具體的人工干預(yù)步驟:

  (１) 由于衛(wèi)星定位原始數(shù)據(jù)為WGS-84坐標(biāo)系，因此在數(shù)據(jù)導(dǎo)入前需要進行平面和高程坐標(biāo)轉(zhuǎn) 換，以解決POS和像控點坐標(biāo)不一致的問題。

  (２) 影像空間位置和姿態(tài)信息附加。為使POS數(shù)據(jù)中的點名與相應(yīng)影像名稱完全一致，利用Excel表格模板將影像名稱和POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入。

  (３) 模型編輯處理。如對刪除碎片、水面修補等進行修改操作，將∗.3mx格式瓦片轉(zhuǎn)換成∗.obj格式導(dǎo)入第三方軟件(如Geomagic、3dsMax等)進行修改，修改后的模型以∗.obj格式導(dǎo)入 Smart3D進行更新處理或重新建模，生成∗.3mx格式的三維模型。

  ２.３ 建模精度及分析

  三維建模精度是通過量測模型上檢查點的三維坐標(biāo)與外業(yè)實測值進行比對，并作為檢測指標(biāo)。經(jīng)實際檢測，水庫主體庫區(qū)三維粗模平面中誤差為 ±０.５~１.０ｍ，高程誤差為±１.０~２.０ｍ。重點施工區(qū) 傾斜攝影三維精模檢測點分布如圖３所示，精度統(tǒng) 計情況見表３。

  由表３可以看出，重點施工區(qū)三維建模精度可以 滿足水庫建設(shè)需求，但由于主體庫區(qū)航飛面積大、控 制點布設(shè)相對較少，無人搭載的非量測相機畸變差相 對較大，而且重點施工區(qū)地形高差大，即航飛獲取的 影像色彩偏灰暗，使得點云匹配效果相對較差，從而造成部分水面匹配存在漏洞、水面和山體相交區(qū)域有存在模型異常等現(xiàn)象，需要采用人工編輯和修補。

  ３ 工程應(yīng)用

  利用無人機低空遙感對前坪水庫進行實景三維模型，尤其是三維精細模型在水利工程BIM得到了成功應(yīng)用，將實景模型與虛擬模型疊加融合應(yīng)用于 水利工程建設(shè)管理全生命周期，可以使水利工程投 資分析、設(shè)計、施工、管理等更加科學(xué)精準，如圖４—圖６所示。

  利用實景模型的高精度及現(xiàn)勢性，結(jié)合工程的開挖地址模型，還可精確計算出工程量及工程投資，與工程監(jiān)理確認的工程量及工程投資進行對比，從而實現(xiàn)對工程質(zhì)量和進度的精細化管理。實景模型與設(shè)計模型聯(lián)合應(yīng)用，既能展示工程建設(shè)完成后的 效果，又能更加直觀真實地展示工程進展情況，將無人機實景三維建模技術(shù)應(yīng)用于水利BIM具有重要的實際意義。

  ４ 結(jié) 語

  本文采用無人機單鏡頭大重疊攝影與多角度傾 斜攝影聯(lián)合作業(yè)模式，以河南汝陽前坪水庫為試驗區(qū)，實現(xiàn)了水庫區(qū)域?qū)嵕叭S粗模和精模的快速生產(chǎn)，以及粗模和精模一體化的技術(shù)流程。試驗結(jié)果表明:無人機實景三維建模成果能夠滿足水利BIM應(yīng)用及工程投資分析、工程設(shè)計、施工與安全質(zhì)量管 理、庫區(qū)移民等需求。