聂海滨 王善辉 张亚玲
黄河勘测规划设计研究院有限公司 河南 郑州 450003
摘要：针对黄河下游河防工程岸线长、巡查难度大、费时费力等问题，本文探索了无人机倾斜摄影测量技术在黄河下游河防工程水上根石三维形变信息提取中的可行性。该方法通过不同时期获取的河防工程影像数据，建立高精度数字高程模型，计算求得根石缺失量。以马渡下延控导工程为实践，对该方法提取根石信息的效率和精度进行了分析，经验证，成果精度达到厘米级，能够满足安全管理需要，为科学应急抢险和备防石准备提供数据支撑，极大的提升了河防工程安全运行管理信息化水平。
关键词：倾斜摄影测量; 数字高程模型; 河防工程; 根石三维形变
黄河下游河防工程主要由堤防和河道整治工程两部分组成，其中河道整治工程又包括险工和控导工程，均由坝、垛、护岸三种建筑物构成，采用重力砌石坝结构型式，经多次顺坡戴帽加高，坦石坡度陡，头重脚轻，经水流与坝垛长期相互作用，造成基础护根被冲刷掏空，进一步导致上部护坦出现坍塌、墩蛰、溃膛等险情，甚至出现整体滑塌险情。
目前河道整治工程安全则主要依赖于非汛期的根石探测，如基于非接触式浅地层剖面仪的水下根石精细化探测技术，为汛期的抢险、备防石准备等提供参考，对水上根石的三维变形状态研究较少。由于河防工程岸线长，现场情况多变，在汛期，主要依靠人工巡河的方式来发现险情，工作劳动强度大，费时费力且容易出现疏漏，使河防工程安全保障工作存在较大的隐患。
无人机摄影测量技术具有效率高、成本低、数据精确、操作灵活等特点，尤其是近些年发展起来的倾斜摄影测量技术，能够同时从不同角度采集影像数据，获取更丰富的纹理信息，并利用影像数据自动生成三维地理信息模型、高精度数字高程模型和正射影像数据，快速实现地理信息的获取。因此本文探索了利用无人机倾斜摄影测量技术提取河防工程水上根石三维形变信息的可行性。通过不同时期获取的影像数据实现对水上根石滑动变形信息（位移、体积等）的精准监测，为科学抢险提供技术支撑。
1 无人机倾斜摄影测量原理
无人机倾斜摄影测量技术是通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从多个角度获取地面影像，利用计算机视觉原理自动识别匹配同名点，生成三维密集点云，构建不规则三角网（TIN），最终完成采集对象的三维模型重建。其处理流程主要包含数据预处理，空中三角测量和三维模型重建三大步。
（1）数据预处理主要是对不同时间不同角度拍摄的影像数据存在的色彩亮度差异进行匀光、匀色处理，以提高三维模型建模精度和整体视觉效果的过程。
（2）空中三角测量是通过少量的野外控制点，进行内业控制点加密，求得加密点的三维坐标的测量方法。其主要包含关键点提取、自动连接点匹配、区域网约束平差等过程，是三维模型重建中最关键的一步，空三解算结果不好时，重建的三维模型容易存在拉花、分层、建筑物和地物变形等问题，需根据平差结果反复调整平差直至空三解算满足精度要求后方可进行后续三维重建，数据量比较大时该过程对CPU的开销比较大且耗时较长。
（3）三维模型重建主要包含密集点云匹配生成、三角网（TIN）构建、纹理映射三大步。首先为了更精确表达地物信息，采用高精度密集匹配技术，对所有影像同名点进行自动匹配，获取高精度密集点云，进而计算生成三角格网TIN，再由三角格网TIN构成白模型，最后将从影像中提取的纹理信息自动映射到白模型上，形成三维实景模型。
2 河防工程水上根石三维变形量信息提取
采用无人机倾斜摄影测量进行河防工程水上根石变形量提取的主要流程包括：
（1）像控点布设：航空摄影之前，应先进行像控点的布设和测量。像控点的作用主要是作为定向点和检核点使用，用于求解像片成像时的位置和姿态以及检查生产成果的精度。像控点的布设位置应尽量均匀覆盖整个测区，并宜布设成平高点。优先选择在影像清晰、可以准确刺点的目标上。多选在现状地物交点和地物拐角上或者布设像控点测量标志。像控点宜采用GNSS RTK测量方法测出其坐标。
（2）外业影像采集：确定目标飞行区域后，在飞控软件上设定飞行高度、地面分辨率、航速、相机倾角及影像重叠度等参数，自动化规划航线。对于单镜头无人机，常选用多架次“之”字形方案，即依架次设置不同的航线角度、相机倾角来实现多镜头的航飞效果，或采用固定相机倾角不变反复飞行的多角度“井”字形飞行方案，保证同一地物能被3个以上的不同方向拍到，得到和多镜头云台一样的多视影像数据。
（3）内业数据处理：采用Context Capture软件，通过建立工程、导入影像和POS数据、控制点成果输入、刺像控点、空三解算、点云密集匹配等过程最终建立数字高程模型（DEM），通过不同时期DEM数据匹配比较，计算每个险工水上根石变形量，为科学防汛提供技术支撑。
3 工程应用
本工程采用大疆精灵Phanton4多旋翼无人机对马渡下延103、104、105坝进行了两期影像数据采集，其中对104号坝人为造成部分根石滑塌现象，航向重叠85%，旁向重叠70%，拍摄倾斜角度450，相对航高100m，地面分辨率为2.74cm/pixel，根据测区范围，外业均匀布设了4个像控点和9个检查点，并采用网络GPS-RTK技术同时测量了平面和高程数据。
航摄数据采用Context Capture软件进行处理，最终生成DEM模型。通过布设的9个检核点GPS测量坐标与对应最终模型中坐标比较，模型精度为X方向中误差0.0115m，Y方向中误差0.0207m，Z方向中误差0.0162m，成果精度满足河防工程安全运行管理的需要。接着在GlobalMapper中利用不同期DEM数据进行水上根石三维变形量的提取。其中104号坝水上根石变形情况如下图所示：
（a）DEM变化监测 （b）变形区域放大显示
图1 两期DEM模型比较
通过量测多个随机样点，两期DEM模型高程变化量精度1~2cm。最终计算104号坝水上根石变化量填方0.766m3，挖方0.347m3，总变化方量1.113m3，净变化量0.419m3。
3 结语
本文采用多旋翼无人机对马渡下延控导工程进行影像数据的快速采集，并结合ContextCapture软件建立高精度数字高程模型，利用不同时期DEM模型数据通过匹配对比分析，提取河防工程水上根石三维形变信息。应用结果表明，该技术能够快速、全面、准确的提取水上根石缺失量，大大缩短了巡查周期且成果精度可达厘米级，满足河防工程安全运行管理的需要，而且可进一步结合水下根石探测成果，为科学应急抢险和备防石准备提供数据支撑。同时可利用倾斜摄影测量生成的实景三维模型提取根石坡度、周边备防石存量等信息，评估其安全状态，将极大的提升河防工程安全运行管理信息化水平，具有广阔的应用前景。
参考文献：
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