周新紅
(山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,山西 太原 030024)
傾斜攝影三維建模技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用
周新紅
(山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,山西 太原 030024)
傾斜攝影三維建模遙感測(cè)繪技術(shù)是水利工程建設(shè)、維護(hù)、調(diào)度的重要工具。以柏葉口水庫(kù)三維建模為例,介紹了傾斜攝影三維建模的數(shù)據(jù)采集和處理方法,獲得了DSM數(shù)據(jù)和三維模型等成果,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析探討。說(shuō)明了傾斜攝影三維建模技術(shù)在洪水淹沒(méi)分析、河道治理和水利工程設(shè)計(jì)等領(lǐng)域有十分重要的意義。
水利工程;遙感測(cè)繪;傾斜攝影;三維模型
傾斜攝影三維建模技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪遙感領(lǐng)域的一項(xiàng)高新技術(shù),通過(guò)低空垂直、傾斜的不同角度攝影測(cè)量,獲得高分辨率影像。傾斜攝影測(cè)量能夠反應(yīng)地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息,可以結(jié)合專業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程生成傾斜三維模型,直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性,為真實(shí)效果和測(cè)繪級(jí)精度提供保證。隨著我國(guó)水利信息化的高速發(fā)展,精細(xì)化的水利工程三維模型作為水利設(shè)計(jì)、建設(shè)和管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)應(yīng)用日益廣泛。在水利工程的三維建模中,由于周邊地形較為復(fù)雜,用傳統(tǒng)測(cè)量手段和人工三維建模方式無(wú)論在效率還是在精度上都難以滿足要求,傾斜攝影三維建模就成為解決問(wèn)題的新途徑。
傾斜攝影三維建模技術(shù)不僅在影像的拍攝方式上區(qū)別于傳統(tǒng)的人工建模,其數(shù)據(jù)的后期處理及成果的類型也大不相同。傾斜攝影三維建模技術(shù)的主要目的是拍攝地物多個(gè)角度的影像,以便進(jìn)行多角度瀏覽和利用專業(yè)軟件生成三維模型,其特點(diǎn)如下:
一是針對(duì)同一地物,可獲得多個(gè)視點(diǎn)和視角的影像,從而得到更為詳盡的地物側(cè)面信息;二是獲取的影像具有較高的分辨率和較大的視角;三是地物相互遮擋現(xiàn)象較突出;四是高度自動(dòng)化,大大減少了人工采集、數(shù)據(jù)編輯工作量。
傾斜攝影技術(shù)通常包括,空中三角測(cè)量、影像匹配、DSM生成、真正射糾正、紋理映射、三維建模等關(guān)鍵內(nèi)容,其基本原理如圖1所示。
2.1 工程概況
柏葉口水庫(kù)是國(guó)家“十一五”水庫(kù)建設(shè)規(guī)劃項(xiàng)目,也是山西省建設(shè)的重點(diǎn)水源項(xiàng)目之一。水庫(kù)位于呂梁市交城縣會(huì)立鄉(xiāng)柏葉口村上游的文峪河干流上,水庫(kù)大壩為混凝土面板堆石壩,最大壩高88.3 m,壩頂寬10 m,壩頂長(zhǎng)296.0 m,水庫(kù)控制流域面積875 km2,水庫(kù)總庫(kù)容9 712萬(wàn)m3。水庫(kù)主要以防洪、城市及工業(yè)供水、灌溉為主,兼顧發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫(kù)。
圖1 傾斜攝影三維建?;驹?/p>
2.2 數(shù)據(jù)獲取
根據(jù)實(shí)地勘察測(cè)區(qū)的地形特征,參照《1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖航空攝影規(guī)范》(GB/T 15661-2008)對(duì)測(cè)區(qū)航線進(jìn)行設(shè)計(jì)。本次航測(cè)實(shí)施及建模區(qū)域約為0.16 km2,共設(shè)計(jì)12條航線,航向重疊率為85%,旁向重疊率為80%,飛行總里程約為6 km,共獲取了1 896張真彩色數(shù)字影像,垂直地面分辨率為0.02 m,可滿足1∶1 000平面測(cè)繪精度要求。
2.3 控制點(diǎn)采集
測(cè)區(qū)像片控制點(diǎn),采用網(wǎng)絡(luò)GPS-RTK技術(shù)施測(cè),同時(shí)測(cè)量水平坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)。根據(jù)測(cè)區(qū)的地形條件,在測(cè)區(qū)的四周均勻布設(shè)共4個(gè)控制點(diǎn)。像片控制點(diǎn)的判刺精度為0.1 mm,點(diǎn)位選取在影像清晰的明顯地物點(diǎn),一般可選在交角良好的細(xì)小線狀地物交點(diǎn),影像小于0.2 mm的點(diǎn)狀地物中心,地物拐角點(diǎn)或固定的點(diǎn)狀地物上?;⌒蔚匚?、陰影、交角小于30°的線狀地物交叉不得作為刺點(diǎn)目標(biāo)。像片控制點(diǎn)選用高程變化小的目標(biāo),像片控制點(diǎn)在各張相鄰的及具有同名點(diǎn)的像片上均清晰可見(jiàn)。
2.4 數(shù)據(jù)處理
本項(xiàng)目數(shù)據(jù)處理使用Bentley公司的Context Capture軟件來(lái)實(shí)施。數(shù)據(jù)生產(chǎn)工序包括模型預(yù)處理、空三加密、影像密集匹配、紋理映射等。
模型預(yù)處理。傾斜攝影完成后,對(duì)獲取的測(cè)區(qū)影像進(jìn)行質(zhì)量檢查,確定影像沒(méi)有變形、扭曲等現(xiàn)象,對(duì)影像質(zhì)量不符合要求的進(jìn)行修復(fù)。
空三加密。軟件采用光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差,以一張像片組成的一束光線作為一個(gè)平差單元,以中心投影的共線方程作為平差單元的基礎(chǔ)方程,通過(guò)各光線束在空間的旋轉(zhuǎn)和平移,使模型之間的公共光線實(shí)現(xiàn)最佳交會(huì),將整體區(qū)域最佳地加入到控制點(diǎn)坐標(biāo)系中,從而得到加密點(diǎn)成果,即從已知特征點(diǎn)推算出未知特征點(diǎn),并自動(dòng)抽取所有特征點(diǎn),構(gòu)成整個(gè)目標(biāo)地區(qū)的特征點(diǎn)云。
影像密集匹配。軟件根據(jù)高精度的影像匹配算法,自動(dòng)匹配出所有影像中的同名點(diǎn),并從影像中抽取更多的特征點(diǎn),從而更精確地表達(dá)地物的細(xì)節(jié)
紋理映射。由空三建立的影像之間的三角關(guān)系構(gòu)成TIN,再由TIN構(gòu)成白模,軟件從影像中計(jì)算對(duì)應(yīng)的紋理,并自動(dòng)將紋理映射到對(duì)應(yīng)的白模上,最終形成真實(shí)三維場(chǎng)景。
2.5 成果分析
第一,利用該技術(shù)生產(chǎn)的三維模型數(shù)據(jù)平面精度可以滿足1∶1 000比例尺要求,高程精度可滿足1∶2 000比例尺要求。
第二,生成的三維模型可以展現(xiàn)建筑物側(cè)立面、建筑物鏤空等立體細(xì)節(jié),且最大程度地保存了目標(biāo)區(qū)域的色調(diào),更加真實(shí)。所有拍攝到的對(duì)象,都會(huì)被自動(dòng)建模,避免了傳統(tǒng)建模由于人員建模水平差異或者建模標(biāo)準(zhǔn)不同,主觀對(duì)被建模對(duì)象元素進(jìn)行取舍而造成的不精確。
第三,建模過(guò)程完全是批量自動(dòng)的,無(wú)需人工干預(yù),極大地提高了建模效率,縮短建模周期。
第四,所有建模結(jié)果都是可量測(cè)的,避免了傳統(tǒng)人工建模估算尺寸的缺點(diǎn)。同時(shí)基于建模結(jié)果,可以進(jìn)行三維空間分析,如通視分析、陰影分析等。
第五,由于水面光的反射及紋理的單一,造成水面模型的缺失和變形。
傾斜攝影三維建模,這種無(wú)接觸、高自動(dòng)化、高精度的建模方式,較傳統(tǒng)人工建模方式有很大的優(yōu)勢(shì),既可生成三維模型供全方位的瀏覽,又可對(duì)地物進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,還可進(jìn)行三維空間分析,特別在地形較為復(fù)雜的水利工程三維建模中更勝一籌。傾斜攝影三維建模技術(shù)在洪水淹沒(méi)分析、河道治理和水利工程設(shè)計(jì)等領(lǐng)域存在巨大潛力,需要我們進(jìn)一步探索與研究。
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1004-7042(2017)06-0051-02
周新紅(1981-),男,2011年畢業(yè)于太原理工大學(xué)水利水電工程專業(yè),助理工程師。
2017-04-15;
2017-05-27