無人機實景三維建模在水利BIM中的應用

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合作業模式，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流程，研究成果可為水利工程投資分析、工程設計、施工與安全質量管理、庫區移民等基於ＢＩＭ技術的水利工程全生命周期管理提供技術支持。

關鍵詞:無人機；實景三維模型；水利BIM；粗模；精模

前坪水庫位於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，結合灌溉、供水，兼顧發電的大型水庫，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」期間重點建設的172項重大水利工程之一。 現代社會中，遙感技術已成為人類獲取地理環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感測器進行航空攝影，採集水庫主體庫區及局部重 點施工區影像數據，製作水庫實景三維地理信息模型，並與設計模型聯合應用，提高展示效果，輔助工程建設管理，從BIM服務入手為水庫設計、建設、運行提供全生命周期服務。

１　 無人機低空遙感

１.１　 無人機平台

根據前坪水庫建設工程對三維模型精度需求劃分不同的作業區域，主體庫區建立實景三維粗模，局部大壩及附屬設施等重點施工區建立實景三維精模。 由於庫區地處豫西伏牛山區，地形較為複雜適合採用無人機航空攝影測量方法進行數據獲取和三維建模。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據獲取平台，採用聯合作業建模的工作模式。無人機平台及搭載見 表１。

１.２　 無人機航空攝影

為滿足製作DOM要求，固定翼無人機航飛航向、旁向重疊度分別設計為70％、40％；同時針對重點施工區域，採用電動多旋翼無人航飛用於實景建模，為保障後處理影像匹配精度及三維場景真實還 原效果，在地形高差允許範圍內，採用降低飛行高度 或使用短焦鏡頭等手段，獲取地物側面高清紋理。 表２為航攝指標設計參數。

１.３　 像控點布設

前坪水庫主體庫區控制校核線呈不規則帶狀，以河道貫穿中線的地形特徵，本文採用「內部沿河 道中線布設、外圍邊角控制」均勻布點方案，共布設像控點位40個，檢查點6個；重點施工區形狀為矩 形區域，採用四角兩邊法區域網布點，布設控制點位19個，檢查點6個。 布設的控制點如圖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據源，採用影像匹配 彩色點雲數據技術和三維網格優化演算法，實現自動三維重建、紋理映射、連接點重構紋理和重建約束， 快速建立了高精度水庫實景三維模型，並成功應用於水利BIM。

２.１　 三維建模技術流程

將原始影像整理成果、POS數據等導入 Smart3DCapture軟體，經像片刺點、幾何處理、自動匹配空三、構建TIN模型、貼紋理、構建三維模型等步驟，實現實景三維建模。 整個過程自動化程度高， 正射影像和傾斜影像全自動聯合空三，並為建(構)築物創建高密度的不規則三角網，並自動貼紋理，具體如圖２所示。

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

２.２　 技術難點解決方案

在三維建模過程中，採用的軟體雖然自動化程 度較高，但仍然存在POS和像控點坐標不一致、外方位元素未知等技術難點。 為保證模型的精度，本文採用以下具體的人工干預步驟:

(１) 由於衛星定位原始數據為WGS-84坐標系，因此在數據導入前需要進行平面和高程坐標轉 換，以解決POS和像控點坐標不一致的問題。

(２) 影像空間位置和姿態信息附加。為使POS數據中的點名與相應影像名稱完全一致，利用Excel表格模板將影像名稱和POS數據導入。

(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格式瓦片轉換成?.obj格式導入第三方軟體(如Geomagic、3dsMax等)進行修改，修改後的模型以?.obj格式導入 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與外業實測值進行比對，並作為檢測指標。 經實際檢測，水庫主體庫區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 傾斜攝影三維精模檢測點分布如圖３所示，精度統 計情況見表３。

由表３可以看出，重點施工區三維建模精度可以 滿足水庫建設需求，但由於主體庫區航飛面積大、控 制點布設相對較少，無人搭載的非量測相機畸變差相 對較大，而且重點施工區地形高差大，即航飛獲取的 影像色彩偏灰暗，使得點雲匹配效果相對較差，從而造成部分水面匹配存在漏洞、水面和山體相交區域有存在模型異常等現象，需要採用人工編輯和修補。

３　 工程應用

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得到了成功應用，將實景模型與虛擬模型疊加融合應用於 水利工程建設管理全生命周期，可以使水利工程投 資分析、設計、施工、管理等更加科學精準，如圖４—圖６所示。

利用實景模型的高精度及現勢性，結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，與工程監理確認的工程量及工程投資進行對比，從而實現對工程質量和進度的精細化管理。 實景模型與設計模型聯合應用，既能展示工程建設完成後的 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應用於水利BIM具有重要的實際意義。

４　 結　 語

本文採用無人機單鏡頭大重疊攝影與多角度傾 斜攝影聯合作業模式，以河南汝陽前坪水庫為試驗區，實現了水庫區域實景三維粗模和精模的快速生產，以及粗模和精模一體化的技術流程。 試驗結果表明:無人機實景三維建模成果能夠滿足水利BIM應用及工程投資分析、工程設計、施工與安全質量管 理、庫區移民等需求。

來文選自《測繪通報》2018年第3期

作者：王永生，盧小平，朱慧，焦金龍

一文章來源於網路，版權歸原創者所有，如有侵權請及時聯繫立即刪除

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！