無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)在大藤峽工程中的應(yīng)用實(shí)踐

孫 雨，黃鵬嘉，楊健達(dá)

（1.中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，510610，廣州；2.廣西大藤峽水利樞紐開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，537226，桂平）

大藤峽水利樞紐開(kāi)發(fā)任務(wù)為防洪、航運(yùn)、發(fā)電、補(bǔ)水壓咸、灌溉等綜合利用。 近年來(lái)低空遙感技術(shù)已成為獲取地理信息數(shù)據(jù)的重要手段。大藤峽工程建設(shè)者綜合利用多種類(lèi)型無(wú)人機(jī)搭載不同傳感器進(jìn)行航空攝影， 采集樞紐壩址重點(diǎn)施工區(qū)及庫(kù)區(qū)施工區(qū)域影像數(shù)據(jù)， 制作正射影像及三維實(shí)景模型， 為大藤峽水利樞紐設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)提供全生命周期服務(wù)。

一、無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)現(xiàn)狀

近年來(lái)隨著無(wú)人機(jī)軟硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展， 無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)已成為一種快速、 高效獲取地形信息的必備科技手段。 無(wú)人機(jī)低空遙感具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、成本低、精度高等特點(diǎn)，可快速獲取影像生產(chǎn)全景圖、正射影像、數(shù)字地表模型、數(shù)字線(xiàn)劃圖、三維實(shí)景模型等產(chǎn)品。 旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)適用于機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、 面積小的航攝測(cè)區(qū)， 固定翼平臺(tái)適用于高飛場(chǎng)合高效獲取影像。 成果可用在工程設(shè)計(jì)、工程移民、施工進(jìn)度安全與質(zhì)量管理、工程形象展示、BIM 系統(tǒng)構(gòu)建、智慧大藤峽建設(shè)等方面，航攝成果具有直觀性強(qiáng)、現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)， 各項(xiàng)航攝成果在大藤峽水利樞紐建設(shè)過(guò)程中融合綜合、比較分析， 助力大藤峽水利樞紐工程建設(shè)。

二、技術(shù)路線(xiàn)

根據(jù)航攝區(qū)域特點(diǎn)，將測(cè)區(qū)分為三種類(lèi)型航攝區(qū)域，分別采用三種不同采集設(shè)備（見(jiàn)表1）。 一是壩址重點(diǎn)施工區(qū)域，施工強(qiáng)度大，構(gòu)筑物建設(shè)形象變化快，監(jiān)測(cè)量測(cè)等需求對(duì)采集精度要求較高，通過(guò)采用大疆六旋翼無(wú)人機(jī)掛載傾斜攝影五鏡頭進(jìn)行航攝采集，滿(mǎn)足高效高精度航攝建模需求；二是壩址區(qū)庫(kù)區(qū)淹沒(méi)、抬田工程、防護(hù)設(shè)施等大面積航攝區(qū)域，采用油動(dòng)固定翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行航攝采集，搭載正射相機(jī)吊倉(cāng)， 以高重疊度方式采集， 滿(mǎn)足高效大面積航攝采集需求；三是小于1 km2零星點(diǎn)狀區(qū)域， 如移民安置點(diǎn)、庫(kù)區(qū)零星泵站、零星護(hù)岸工程等， 該類(lèi)小面積采用大疆精靈4pro 進(jìn)行航攝采集處理，滿(mǎn)足分散作業(yè)和小面積航攝要求。

1.航攝采集

航攝采集六旋翼五鏡頭傾斜相機(jī)航向和旁向重疊度為75%， 相對(duì)航高120～200 m；大疆精靈4pro 因像幅小，正射和傾斜采集重疊度80%，相對(duì)航高120 m 以下；油動(dòng)固定翼飛機(jī)航向重疊度75%， 旁向重疊度60%。

利用大疆精靈4Pro 進(jìn)行無(wú)人機(jī)航攝視頻和360°全景圖采集生產(chǎn)，周期性航攝采集，視頻動(dòng)態(tài)記錄樞紐區(qū)的不同時(shí)期的施工面貌，融入解說(shuō)和字幕及設(shè)計(jì)方案，全方位動(dòng)態(tài)展示工程現(xiàn)場(chǎng)。 360°全景圖進(jìn)行定點(diǎn)周期性航攝，提供交互性較強(qiáng)的定點(diǎn)靜態(tài)展示， 客觀真實(shí)地展示施工現(xiàn)場(chǎng)全貌，讓工程參與各方和社會(huì)各界便捷了解施工現(xiàn)場(chǎng)。

2.像控布設(shè)

為更好地控制精度，采用飛行前布測(cè)像控方案。 因測(cè)區(qū)在飛行情況下難以找到地面固定點(diǎn)作為像控點(diǎn)，在飛行前布測(cè)像控對(duì)于提高成果精度尤為重要。 根據(jù)測(cè)區(qū)地形及測(cè)區(qū)條件，針對(duì)壩址區(qū)及庫(kù)區(qū)測(cè)區(qū)采用均勻布點(diǎn)，周邊加密布設(shè)方案，按相鄰點(diǎn)間距700m 內(nèi)進(jìn)行點(diǎn)布設(shè),滿(mǎn)足2 點(diǎn)/km2的技術(shù)要求。 重點(diǎn)施工區(qū)及零星測(cè)區(qū)采用均勻布點(diǎn)方案， 按相鄰點(diǎn)間距300 m 進(jìn)行布設(shè)。

3.內(nèi)業(yè)處理技術(shù)路線(xiàn)

正射影像和三維點(diǎn)云生產(chǎn)，首先對(duì)采集的影像和像控進(jìn)行預(yù)處理，將處理好的影像及外業(yè)像控點(diǎn)成果導(dǎo)入全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量處理軟件pix4d 中進(jìn)行像控刺點(diǎn)，通過(guò)采用空中三角測(cè)量，求得加密點(diǎn)的大地坐標(biāo)和影像的外方位元素，之后可生成三維點(diǎn)云模型、正射影像及數(shù)字地表模型，生產(chǎn)三維實(shí)景模型。

三維實(shí)景模型生產(chǎn)：首先對(duì)采集的影像和像控進(jìn)行預(yù)處理，像控密度對(duì)模型精度影響較大，高精度模型需要較密的像控密度，將處理好的影像及外業(yè)像控點(diǎn)成果導(dǎo)入三維建模Context Capture 軟件中進(jìn)行空中三角測(cè)量，求得加密點(diǎn)的大地坐標(biāo)和影像的外方位元素，之后可生成三維實(shí)景模型、正射影像及三維點(diǎn)云。

大藤峽水利樞紐涉水較多，水域范圍連接點(diǎn)少，在三維建模和正射生產(chǎn)過(guò)程中存在大量漏洞和變形，需將生產(chǎn)后的OBJ 模型導(dǎo)入修模軟件進(jìn)行修整， 如水域壓平浮塊刪剪等，再將修整好的OBJ 模型導(dǎo)入ContextCapture 軟件進(jìn)行重建可得到修飾后的實(shí)景模型和正射影像。

重點(diǎn)施工區(qū)高精度建模需基于較高密度的像控點(diǎn)， 但是施工區(qū)施工地表變化較快， 周期性飛行像控經(jīng)常被破壞， 在每次航攝前需確認(rèn)更新像控點(diǎn)，以保證像控?cái)?shù)量，提高精度。 重點(diǎn)施工區(qū)三維實(shí)景模型如圖1 所示。

圖1 重點(diǎn)施工區(qū)三維實(shí)景模型

三、成果精度

通過(guò)量測(cè)正射影像或模型上檢查點(diǎn)的三維坐標(biāo)與外業(yè)實(shí)測(cè)值進(jìn)行比對(duì)， 檢查正射影像和實(shí)景模型精度。 經(jīng)實(shí)際檢測(cè)，某期壩址區(qū)正射影像平面誤差為±0.14 m， 模型高程誤差為±0.08 m。 某期主要施工區(qū)傾斜攝影三維精模檢查點(diǎn)中平面誤差為±0.09 m，滿(mǎn)足使用要求；高程誤差0.05 m，滿(mǎn)足使用要求。 可以看出，主要施工區(qū)三維建模精度可滿(mǎn)足樞紐建設(shè)需求。

表1 無(wú)人機(jī)平臺(tái)及掛載的航攝儀

四、成果應(yīng)用

1.設(shè)計(jì)階段

基于航攝影像的空三計(jì)算完成后，進(jìn)行快速3D 數(shù)字測(cè)圖，也可基于三維實(shí)景模型進(jìn)行裸眼3D 測(cè)圖，快速生成地形圖成果，獲取測(cè)區(qū)地形地貌，基于該成果完成副壩區(qū)部分地形的測(cè)量；基于三維點(diǎn)云模型及DSM 模型， 可直接在模型上進(jìn)行斷面提取，整個(gè)庫(kù)區(qū)范圍基于模型進(jìn)行庫(kù)容估算和洪水淹沒(méi)分析。

移民安置方面，在封庫(kù)令下達(dá)后及時(shí)獲取并生產(chǎn)正射影像及模型，作為搶建執(zhí)法留底證據(jù)。 在有歷史價(jià)值的拆遷搬遷地點(diǎn)采集影像和模型數(shù)據(jù)，作為歷史存檔，為樞紐博物館建設(shè)積累素材。 對(duì)移民安置村莊在拆除建設(shè)前后分別進(jìn)行飛行航攝， 用以比較拆遷群眾拆建前后的變化， 也為拆遷群眾留下拆遷前的寶貴記憶資料。

水土保持監(jiān)測(cè)方面， 利用無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)并結(jié)合傳統(tǒng)定位觀測(cè)手段,能夠精細(xì)化、定量化完成土地利用類(lèi)型、 擾動(dòng)范圍及流失量、棄渣場(chǎng)挖填方量、水土流失隱患及危害和水土保持措施等監(jiān)測(cè)工作。 通過(guò)高分辨率正射影像可以清晰辨識(shí)工程擾動(dòng)面的現(xiàn)狀及變化情況，詳細(xì)監(jiān)測(cè)水土流失和植被覆蓋情況。

2.建設(shè)階段

（1）施工組織管理

制作高分辨率壩址區(qū)正射影像圖，生產(chǎn)正射影像掛圖，方便全面施工組織管理，為壩址選址、施工布置、料場(chǎng)選擇等提供實(shí)時(shí)素材。 高分辨率正射影像可詳細(xì)監(jiān)控各個(gè)施工面變化，各期資料為不同時(shí)點(diǎn)對(duì)比分析提供有效參考。

（2）工程進(jìn)度管理

三維模型具有精確的地理尺度及定位信息， 可精確量測(cè)各點(diǎn)高程及坐標(biāo)， 方便各方測(cè)量各點(diǎn)坐標(biāo)信息， 掌握不同時(shí)點(diǎn)水工建筑物的高度尺度等， 量出構(gòu)筑物如大壩填筑高度， 方便分析監(jiān)控施工進(jìn)度落實(shí)情況。

（3）工程安全管理

航攝成果助力施工現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地管理， 施工場(chǎng)地在材料設(shè)施堆放、廢物廢渣清理、臨時(shí)建筑物布設(shè)等方面，通過(guò)無(wú)人機(jī)航攝視頻或全景圖周期性飛行可清晰看到場(chǎng)地堆放情況， 及時(shí)掌握施工場(chǎng)地現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)，節(jié)約人工巡視時(shí)間及成本。 施工現(xiàn)場(chǎng)的危險(xiǎn)源也可通過(guò)無(wú)人機(jī)視頻和影像進(jìn)行巡視檢查，如對(duì)深溝、邊坡、臨水邊圍欄或警示牌，以及孔、井口等標(biāo)志設(shè)置情況進(jìn)行快速巡查，通過(guò)無(wú)人機(jī)影像或視頻定期監(jiān)控危險(xiǎn)源的分布與防范措施落實(shí)情況。

（4）土方平衡計(jì)算

針對(duì)料場(chǎng)渣場(chǎng)周期性航攝獲得的點(diǎn)云模型和三維實(shí)景模型， 實(shí)時(shí)計(jì)算場(chǎng)地方量變化。 對(duì)不同期數(shù)據(jù)分析比較得出方量變化， 高效準(zhǔn)確地掌握現(xiàn)場(chǎng)填挖方情況， 比傳統(tǒng)人工測(cè)量提高效率三倍以上， 節(jié)約人力物力。 對(duì)于大壩的填筑方量也可在三維實(shí)景模型上精確量測(cè)， 因航攝三維點(diǎn)云模型的點(diǎn)密度可達(dá)到厘米級(jí)別， 相對(duì)于人工RTK 測(cè)量其測(cè)得方量精確度更高。

（5）工程形象展示

通過(guò)全景圖，交互式展示施工現(xiàn)場(chǎng)狀況， 清晰形象展示施工形象進(jìn)度，為工程宣傳和文明工地建設(shè)提供展示窗口。 航攝視頻可作為工程宣傳素材，提升工程影響力。

3.管理系統(tǒng)支持

基于三維實(shí)景模型作為大藤峽水利樞紐BIM 系統(tǒng)構(gòu)建的原始地形， 與設(shè)計(jì)模型相結(jié)合構(gòu)建大藤峽BIM 系統(tǒng)。三維實(shí)景模型及高分辨率正射影像也可作為智慧工地地理信息數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并在不同時(shí)點(diǎn)及時(shí)進(jìn)行更新。

五、結(jié) 語(yǔ)

在大藤峽水利樞紐工程航攝項(xiàng)目中，通過(guò)采用電動(dòng)四旋翼、油動(dòng)無(wú)人機(jī)單鏡頭高重疊率航攝、五鏡頭傾斜攝影聯(lián)合作業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)了庫(kù)區(qū)和壩址施工區(qū)域正射攝影和實(shí)景模型的高效生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了不同航攝儀采集數(shù)據(jù)無(wú)縫融合的技術(shù)流程。 獲取得到360°全景圖、正射影像、三維實(shí)景模型等成果。 航攝成果表明：無(wú)人機(jī)航攝成果能夠滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)、 庫(kù)區(qū)移民、施工進(jìn)度安全與質(zhì)量管理、BIM 系統(tǒng)構(gòu)建、智慧大藤峽建設(shè)等方面工程需要。