倾斜摄影技术在水利工程中的应用研究.pdf

第卷第期水 利 科 学 与 寒 区 工 程V o l ,N o 年月H y d r oS c i e n c ea n dC o l dZ o n eE n g i n e e r i n gA u g,吴仰锋倾斜摄影技术在水利工程中的应用研究J水利科学与寒区工程,():倾斜摄影技术在水利工程中的应用研究吴仰锋(广东珠荣工程设计有限公司,广东 广州 )摘要:以某大型水库调蓄枢纽工程为研究对象,通过理论解析的方法推导了基于无人机倾斜摄影的倾角数学模型,并分析了无人机倾斜摄影技术的数据采集及实景模型的重构过程,研究无人机倾斜摄影技术的测绘精度.结果表明,基于无人机倾斜摄影技术构建的水利调蓄枢纽工程以及地形地物的实景模型,纹理清晰、三维效果显著、地形地物区分明显,能够真实反映实际物体;基于无人机摄影技术地物测绘解算结果和地面近景摄影图像技术的地物测绘精度成果对比表明,无人机倾斜摄影在水利枢纽工程基本地形图测绘中具有适用性,解译精度高.关键词:倾斜摄影技术;水利工程;倾角数学模型;测绘精度中图分类号:T V 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:作者简介:吴仰锋(),男,广东揭阳人,工程师,主要从事水利水电工程测量工作.E m a i l:q q c o m.工程概况某大型水库调蓄枢纽工程,位于中低山区峡谷区,由拦河坝、引水系统、发电厂房及开关站等建筑物组成.水库大坝为碾压混凝土重力坝,坝顶 总 长 m,坝 顶 宽 m,最 大 坝 高 m,最大坝底宽 m.大坝坝顶中段设泄洪表孔,为开敞式泄洪方式,共孔,溢流总净宽 m,孔顶设 m宽交通桥连接大坝两端.溢流坝面以半径 m的圆弧段接消力池,消力池全长 m、宽 m,边墙高 m.场地地形整体呈宽缓“V”字形,地表植被发育丰富,主要以低矮树木和灌木为主,大坝基础范围内上覆地层为第四系河流相沉积层和冲积层,以粉质黏土为主,下部基岩为泥质粉砂岩和灰岩,岩层产状主要为 ,基岩内发育多条构造挤压破碎带.研究采用无人机倾斜摄影技术对水库大坝进行测绘,试验区域面积约 k m,东西方向长 m,南北方向宽 m.基于无人机倾斜摄影的水利工程三维数据重建 基于无人机倾斜摄影的倾角为了获取不同影像角度、影像覆盖范围和影像分辨率的图像,无人机倾斜摄影在采集影像图片时,需要将航摄仪设置一定的镜头倾斜角和巡航高度,如徕卡R C D 航摄仪,其巡航时镜头倾斜角为 .无人机倾斜摄影仪镜头的角度变化对于构建三维实景图像模型产生一定的影响,表现为摄影成果图像特征提取、模型纹理清晰度和模型匹配精度等.在三维水利工程实景图像模型构建中,需要利用无人机倾斜摄影获得的种影像数据,分别是下视影像和倾斜影像.前者主要是获得地形地物的表面影像信息,其分辨率为传统意义上的分辨率,而后者主要获得地形地物的侧面影像数据,其分辨率为倾斜水平分辨率和倾斜垂直分辨率.相比于传统的R T K测绘技术或者卫星影像摄影技术,无人机倾斜摄影搭载了航摄仪器,能够直观采集光学影像,由于其具有快速采样、精度较高、体积小、重量轻的特点在工程测绘中得到广泛应用,特别是在水利工程中,测绘人员无法到达流速较大的河流以及陡峭的悬崖中进行实地测绘,或者获得的测绘数据精度较低,而无人机倾斜摄影技术成为最优的选项.在无人机倾斜摄影中,为构建水利枢纽工程的三维数据,首先需对研究区域图像进行数据采集,无人机设备搭载的光学相机按照导航装置和人工地面操纵的设置进行低空巡航,并从不同的角度对研究区域的地形地物进行光学摄影,以获得高精度的影响,并通过后期图片处理技术自动化和智能化地构建高分辨率的三维数据模型,基于无人机倾斜摄影技术的水利工程基本地形图测绘流程如图所示.图无人机摄影技术在水利工程基本地形图测绘中应用流程采用的飞行器为大疆M P R O.在无人机倾斜摄影中,最大倾角对于倾斜水平分辨率和倾斜垂直分辨率的计算尤为重要,因此将相机镜头的最大倾角设置为 ,相机采用红鹏A P ,其的传感器类型为CMO S,以满足具有植被发育的山区地 形 测 绘 精 度,影 像 的 分 辨 率 可 以 达 到 像素 像素,相机设备的有效像素为 万像素,焦距为 mm,I O S范围为 像素,拍照时采用人工控制,机械快门速度可以达到/s,而如果采用相机预定的自动控制,电 子 快 门 速 度 可 以 达 到/s.在采用整体航线法采集图像参数时,将无人机的巡航高度设置为 m,航向重叠率设置为,傍向重叠率设置为,以保证相邻两张摄影图像之间有 的重叠度,满足地面分辨率 的要求,而采用局部叠加法采集图像参数时,将无人机的巡航高度设置为 m,航向重叠率设置为,傍向重叠率设置为,以满足地面分辨率 的要求.本研究共获取整体航线法 摄 影 图 像 张,局 部 叠 加 法 摄 影 图 像 张.采集图像借助S m a r t D()和P h o t o S c a n()软 件 进 行 三 维 实 景 建 模.通 过P h o t o S()软件强大的空三能力,对无人机倾斜摄影原始图像进行空三加密,并导入到S m a r t D软件中进行自动化三维建模,生成三维尺度的密集点云数据,利用密集点云数据构建T I N不规则三角网、提取特征点坐标,构建的水利工程T I N不规则三角网络(t r i a n g l a t e di r r e g u l a rn e t w o r k)模型.水利枢纽工程的纹理和 D虚拟模型主要通过软件自带的S C C o m p o s e r工具编辑索引,完成水利枢纽工程建筑物和地形地物实景与提取特制点的相互融合,结果绘制呈三维白膜模型.在水利枢纽工程建筑物与地形地物三维白膜模型构建完成后,需要将采集到的二维纹理信息与三维白膜模型信息相互关联,重构研究区域丰富的表面纹理,并将二维信息转化为三维信息,实现纹理的点面映射.在图像纹理的映射过程中,由于现场采集的二维图片具有海量信息,并且这些纹理投影与构件的三维白膜模型之间存在的对应关系为多对一.在处理图像过程中为了避免纹理变形和保证渲染准确,在二维图像信息中筛选出最优的映射成为关键,具体的实现方式是保持纹理法向向量与T I N不规则三角网络模型中点相互对应,最终形成的高精度三维数字实景模型,构建的水利调蓄枢纽工程以及地形地物的实景模型,纹理清晰、三维效果显著、地形地物区分明显,能够真实反映实际物体的工程状态.无人机倾斜摄影和地面三维激光扫描的精度对比表为基于无人机摄影技术地物测绘解算结果和地面近景摄影图像技术的地物测绘精度成果对比.从表中可以看出,两种测绘方法得到的地物坐标结果十分相近,坐标x的误差x最大值为 m,最 小 值 为 m,平 均 值 为 m;坐标y的误差y最大值为 m,第期吴仰锋倾斜摄影技术在水利工程中的应用研究表无人机摄影技术和地面三维激光扫描技术的地物测绘成果对比测点实测结果无人机解算结果坐标x坐标y坐标x坐标y坐标点的平面误差x y/m 最小值为 m,平均值为 m.坐标点的平面误差x y计算如式()所示.x yx()y()()坐标点的平面误差x y的最大值为 m,最小值为 m,平均值为 m.由以上分析表明,无论是坐标x的误差x还是坐标y的误差y还是坐标点的平面误差x y,其最大值均远远小于 m,因此满足测绘成果规范的要求,无人机倾斜摄影在水利枢纽工程基本地形图测绘中具有适用性,解译精度高.结论()基于无人机倾斜摄影的三角函数关系,推导了无人机倾斜摄影的倾斜水平分辨率和倾斜垂直分辨率.()基于无人机倾斜摄影技术采集了大量的现场影像,通过后期数字图片处理技术构建了高精度的T I N不规则三角网络模型、白膜模型,并将二维图片纹理与白膜模型进行映射,生成高精度的三维数字实景模型,构建的实景模型纹理清晰、三维效果显著、地形地物区分明显,能够真实反映实际物体的工程状态.()基于无人机摄影技术地物测绘解算结果表明,测绘成果精度满足规范要求,无人机倾斜摄影在水利枢纽工程基本地形图测绘中具有适用性,解译精度高.参考文献:邸国辉,周国成,卞磊,等基于D p M o d e l e r平台的空地一体化三维实景建模J地理空间信息,():,王杰,孟高原倾斜摄影测量在水利工程测绘中的应用J测绘通报,():王启龙无人机倾斜摄影测量技术在水利工程中B I M建模的应用J水利技术监督,():,王科燃无人机倾斜摄影测量技术在水利工程移民实物调查中的应用研究D郑州:华北水利水电大学,刘培状,杨秉澍基于无人机倾斜摄影测量和B I M技术的三维实景 模 型 在 水 利 工 程 设 计 中 的 应 用 研 究 J地 下 水,():水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷