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”期間重點建設的172項重大水利工程之一。現(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,并與設計模型聯(lián)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 無人機平臺
根據(jù)前坪水庫建設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為航攝指標設計參數(shù)。
1.3 像控點布設
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、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(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(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步驟:
(1) 由于衛(wèi)星定位原始數(shù)據(jù)為WGS-84坐標系,因此在數(shù)據(jù)導入前需要進行平面和高程坐標轉(zhuǎn) 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(tài)信息附加。為使POS數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)換成∗.obj格式導入第三方軟件(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(yè)實測值進行比對,并作為檢測指標。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 滿足水庫建設需求,但由于主體庫區(qū)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(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于 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(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。實景模型與設計模型聯(lián)合應用,既能展示工程建設完成后的 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應用及工程投資分析、工程設計、施工與安全質(zhì)量管 理、庫區(qū)移民等需求。