刘林佳 黎鹏 付强

摘要： 利用无人机航测实时、快速、高效获取基础地理信息，为应急处置决策提供依据。介绍了无人机航测立体建模的原理及技术流程，通过Smart3D平台快速建立了应急测区的立体模型，将模型导入到清华山维平台，实现了研究区域的量测并进行淹没分析。结果表明：航测立体建模方法相较于传统的测量方法具有高精度、高效率、低成本的优势，可为防汛应急监测提供一种实时高效的技术手段。

关键词：航测立体建模;倾斜摄影测量;淹没分析;Smart3D;防汛应急监测

中图法分类号：P335 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.05.003

文章编号：1006 - 0081（2021）05 - 0010 - 05

1 研究背景

当前我国在防汛应急监测中，获取基础地理信息的常用方法一般为：使用全站仪、GNSS RTK采集数据，进行内业成图。这些测量方法存在一定的局限性与短板：测量人员需要去危险的环境采集数据，存在一定风险;数据获取效率较低，获取的数据是点状信息，无法获取全方位面状信息;数据更新慢，无法快速获取地理信息、监测地形变化。

摄影测量的主要特点是在像片上进行量测和解译，无需接触被摄物体本身，因而很少受自然和地理条件的限制，而且可摄得瞬间的动态物体影像[1]。倾斜摄影测量技术是充分吸收了近几年视觉测量领域的最新成果而逐步发展起来的一项新数据采集技术。倾斜方式可获取丰富的地物顶部及侧面的高分辨率纹理，它不仅能够真实地反映地物现状，高精度地获取物方纹理信息，还可通过先进的定位、融合、建模等技术，生成真实的地表三维模型。无人机倾斜摄影测量的方式已经逐渐成为三维建模的主要技术手段之一，带有地理信息的实景模型可为防汛应急监测提供重要的基础信息，较好地弥补了传统建模手段受限于数据分辨率过低而导致三维模型精度较低的不足。基于重建三维模型，结合GIS 空间分析及情景模拟，无人机倾斜摄影测量能够增强灾情模拟动态展示，为应急监测及处理提供服务[2]。

在防汛应急监测中，无人机航测立体建模具有高效率、高精度、低成本的优势。倾斜摄影技术基于多视影像，有效解决了传统航测建模方式建筑物侧面信息缺失的问题，且其产品更加丰富，在生产实景三维模型的同时也能生产 DOM、DSM、DEM等多种产品，大大增强了产品使用范围，满足了不同需求[3]。

2 航测立体建模工作原理及技术流程

两像片影像重叠范围内的任意地面点在两张像片上都分别有它们的同名像点，并与相应的摄影中心组成同名射线，同名摄影射线是对对相交的。因此，摄影时摄影基线、同名射线、同名像点与地面点之间有着固定的几何关系[1]：共线条件方程与共面条件方程。利用共线条件方程和像片重叠可以重建几何模型。

倾斜摄影技术可通过在同一飞行平台上搭载多台传感器（目前常用的是五镜头相机），同时从垂直、倾斜等不同角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息。垂直地面角度拍摄获取的是垂直向下的一组影像，称为正片，镜头朝向与地面呈一定夾角拍摄获取的4组影像分别指向东南西北，称为斜片。将倾斜摄影获得的照片导入建模软件中，通过计算机图形计算，结合pos和姿态信息进行空三处理，生成点云，点云构成格网，格网结合照片生成赋有纹理的三维模型。

基于无人机倾斜摄影测量的航测立体建模流程如图1所示，其主要内容包括：资料收集与分析、航线设计、像控点布设与采集、航摄实施、倾斜三维建模、地形图生产及模型应用等工作。

3 航测建模在防汛应急监测中的应用

3.1 防洪演练背景

长江中下游防洪历来是国家防汛工作的重中之重，虽然三峡工程运行后，长江中下游河段的防洪标准有所提高，但仍有可能出现超标准洪水、局部河段崩岸、溃口等情况。2019年水文年景总体偏差，汛期降水分布南多北少，长江流域中下游发生严重洪涝灾害的概率较大。为应对长江中下游超标准洪水及崩岸、溃口等险情，及时准确实施超标准洪水、崩岸、溃口的水文测报，提升抢险救灾应急监测及高效处置突发公共水事件的能力，完善快速、有序、高效的应急工作机制，开展了长江中下游超标准洪水、崩岸、溃口水文应急监测演练。

3.2 演练场景设置

假定长江流域发生了长江中下游超标准洪水，长江干流荆江河段、城九河段水位居高不下，岳阳河段出现局部崩岸，长江中游某干堤出现了溃口。

按应急处置程序和要求，应急抢险总队奔赴崩岸溃口现场，实施水文应急监测，收集水位、流量、地形、水质等水文资料，为抢险决策提供依据。应急监测演练地点及设计如图2所示，并按要求现场完成溃口口门宽度、地形测量及测区淹没分析工作。

3.3 演练实施

按照事先制定的演练方案有序进行推进：利用垂直起降固定翼天相无人机搭载V4五镜头倾斜相机进行倾斜摄影;利用Smart3D完成空中三角测量和立体建模;利用清华山维测量溃口口门宽度、进行淹没分析。

3.3.1 影像获取

在测区范围内布设测量了20个像控点（15个靶标点，5个地面特征点，像控点示例如图3～4所示），像控点分布见图5，利用固定翼无人机搭载五镜头倾斜相机，设计航高700 m，航向重叠度80%，旁向重叠度60%，地面分辨率15 cm，航线布设如图6所示。对整个测区进行了倾斜摄影，本次航摄共飞行1个架次，5个相机采集影像3 410张，在完成航摄后，对影像质量和飞行质量进行检查：经检查，影像清晰、层次丰富、反差适中、色调柔和;像片无漏拍，像片倾角和旋偏角在规定范围内。

3.3.2 模型建立

建模主要包括3个方面的工作：建模准备、空中三角测量以及三维重建。

（1）建模准备。将外业采集回来的原始数据根据不同视角的相机分别存储，完成 Smart3D工作集群建立后新建Smart3D 工程，将准备好的影像文件、相机文件和POS文件导入Smart3D。高质量的影像文件、准确的相机文件和POS文件是空中三角测量的必要条件。

（2）空中三角测量。首先通过自动提取连接点，实现影像间的匹配，完成像片的相对定向;然后通过粗略刺少量控制点，再次平差，把相对定向建立的任意模型纳入到所需的测量坐标系中;经过两次平差后，精确刺所有控制点，再次提交平差，得到精确的空中三角测量成果。

（3）三维重建。在三维重建之前删除了多余影像;确定了建模范围;考虑到大片水域连接点较少，提前确定了水域范围和高程;考虑到计算机集群的硬件设置及处理效率，选择平面分块方式进行了分块处理。对若干个瓦片进行单独重建，得到OSGB格式的倾斜实景三维模型，利用Smart3D对模型进行编辑和修改，得到如图7所示的三维实景模型。

3.3.3 潰口口门宽度量测与测区淹没分析

通过建立的三维实景模型可实现研究区的量测，包括任意点的三维坐标信息、建筑高度、面积信息等。将编辑好的模型加载到清华山维软件（图 8），利用清华山维软件空间量算功能可以快速量算溃口口门宽度。并利用清华山维软件三维测图模块中的手绘等高线功能做了淹没分析，当水位涨到32 m时的淹没效果如图9所示。利用无人机倾斜摄影、Smart3D立体建模、清华山维加载倾斜模型高效的完成了演练任务。

4 模型精度分析

4.1 基本定向点残差

空中三角测量完成后，Smart3D自动生成了平差报告，像控点平差后的残差统计见表1。由表1可以看出：20个像控点中，平面坐标残差最大值0.086 m，高程坐标残差最大值0.144 m，平差结果较好。

4.2 特征点精度检查

将模型导入清华山维软件，可实现研究区的量测。通过量测50个特征点位的坐标和高程，并与2018年12月该测区江湖汇流项目的坐标和高程进行比较，比较结果见表2～3。

计算得到平面位置中误差为0.159 m，高程中误差为0.238 m。依据SL257-2017《水道观测规范》中对专用地形图的精度要求：平面位置允许中误差为图上0.5 mm，高程允许中误差为0.15 m。应急监测测图比例尺一般不大于1∶500，则平面位置允许中误差不小于0.25 m。可见，航测立体建模平面精度满足测图需求。

5 结语与展望

本文以长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局在岳阳防洪应急演练中的工作为基础，阐述了航测立体建模的原理和流程，并对模型的精度做了统计分析，结果表明精度满足相关规范要求。同时，航测立体建模方法相较于传统的测量方法具有高精度、高效率、低成本的优势。无人机航测立体建模不仅可用于淹没分析，还可用于防汛中的地形图测绘，土方量计算等方面。

同时，发现本次航测立体建模过程中还存在一些问题：水面匹配点较少，在后续的建模过程中容易产生数据空洞，需要在建模后修复空洞;对于重要建筑物例如桥梁、房屋的建模仍然需要地面补拍部分照片来进行精细建模;由于物理带宽网速的限制使数据的集群处理难以达到理想的工作效率，可以建立万兆网和磁盘资源共享的方法提高航测数据处理的效率。

参考文献：

[1] 王佩军，徐亚明. 摄影测量学（测绘工程专业）[M].武汉：武汉大学出版社，2005.

[2] 刘斌，唐雅玲，马晨燕，等. 无人机倾斜摄影三维模型在城市雨洪风险评估中的应用[J]. 测绘通报，2019（10）：46-50.

[3] 关丽，丁燕杰，张辉，等. 面向数字城市建设的三维建模关键技术研究与应用[J]. 测绘通报，2017（2）：98-102.

（编辑：江 文）

Abstract： In order to provide a basis for emergency disposal decisions in flood control，  UAV aerial survey can be used to acquire basic geographic information in real time， quickly and efficiently. The principle and technical process of UAV aerial survey stereoscopic modeling are introduced. Quickly establishing stereoscopic model of the emergency test area through Smart3D platform and importing it into Tsinghua Shanwei platform can realize the measurement function of the study area and inundation analysis. The analysis results show that the aerial stereo modeling method has the advantages of high accuracy， high efficiency and low cost compared with the traditional measurement method， and can provide a real-time and efficient technical means for emergency monitoring of flood control.

Key words： aerial survey stereo modeling; oblique photogrammetry;flood model of inundation; Smart3D;flood prevention emergency monitoring