基于无人机航摄的水库全系新型测绘产品生产

作者信息作者:刘明松蔡宗磊张朝帅单位:《吉林省水利水电勘测设计研究院测绘院》摘要:

水利部8月25日召开会议审查智慧水利建设专项规划,将高质量智慧水利建设提到一个崭新的高度。实景三维等新型测绘产品是智慧水利建设中最重要的基础性支撑性数据,如何更为科学高效的完成全系列新型测绘产品服务智慧水利是水利行业地理信息生产技术人员需研究的重要课题。本文以吉林省某水库为例,研究基于无人机航摄等技术装备为基础生产全系列新型测绘产品的方法,为满足水库等水利设施管理部门工程规划建设、智慧化水利日常运维管理等需求提供经验,也为从事相关数据生产的技术人员提供借鉴。

关键词:无人机航摄;水库;测绘;01引言近年来随着科技的进步、社会需求的变化,水库建设和管理对时空信息的需求也逐步多样化、即时化、三维化,需要我们提供及时的、全时空的测绘保障。三维数字水库已经成为一个城市智慧化水平的重要标志,水利部8月25日审查智慧水利建设专项规划会议指出,要高质量发展智慧水利,加快数字孪生流域建设,这无疑在水利行业将智慧化水利建设推向新的高潮。实景三维等新型测绘地理信息产品是水库等水利设施智慧化管理建设中最重要的基础性支撑性数据,其具现实虚拟孪生再现的特点,既满足水利设施工程规划建设又满足日常运维管理。因此,研究科学高效的全系列水利设施实景三维等新型测绘产品的生产方案,能够极大的助力智慧水利建设,十分必要和迫切。通过查阅研究国内外先进技术经验和相关项目生产案例[1-],结合我单位现有软硬装备和技术人才力量,探索出一套基于无人机航摄的水库全系新型测绘产品生产方案,具体技术内容如下:(1)以无人机航摄等先进装备为依托设计集三维地理空间数据采集与解算、三维模型修复修饰为一体的新型实景三维测绘产品生产技术方案;(2)以无人机航摄点云为主,其他数据为补充的点云综合处理办法,完成数字高程模型及等高线生产的技术方案;()建立以新型测绘成果管理为基础的三维信息数据平台服务主管部门日常工作管理。研究在新型实景三维测绘的条件下应用于水库管理的集数据采集、加工处理与工程应用于一体的全流程项目生产技术方案。解决当前行业内项目生产中遇到的航测数据DEM及等高线生产能力不足、实景三维模型数据修复修饰技术路线不清晰、新型地理信息成果无法顺利应用到工程设计中痛点和瓶颈。通过实验验证,该成果完成的相关项目生产数据质量高,生产成本低;该成果技术工艺新,实践生产能力强,具有显著的经济和社会效益。02技术方案研究2.1需求分析该水库位于吉林省中南部,是省内重要的水源地之一,为了更好的管理运维,根据工作实际,管理部门提出以下需求:(1)水库设施维护与库区工程规划建设基础支撑数据需求1:比例尺精度的数字地形图、数字高程模型、数字正射影像图。(2)水库库容特征值复核计算数据需求1:比例尺精度的水下地形数据成果。()实景三维地理空间运维管理服务平台数据需求分辨率为5cm的实景三维模型数据、数字表面模型数据、单体化模型数据。从上可以看出,水库管理对地理空间产品的需求较为丰富,从运维管理到工程建设、再到三维实景再现与水利信息化均需要丰富的测绘成果作为支撑。2.2方案制定根据该水库管理需求结合技术装备实际,现制定一套以无人机航测数据采集为主的其他装备为补充应用于水库管理需求的集数据采集、加工处理与工程应用于一体的全系列测绘产品全流程项目生产技术方案。具体技术路线如图1所示。图1技术路线图2.2.1数据采集方案研究水库数据采集包括水库大坝、溢洪道等水工建筑设施,库区水生态自然地貌,水库水下地形以及水库管理区建筑物等内容。根据不同测绘装备的特点,我们设计了以无人机倾斜摄影方式完成整体数据采集,用测站式三维激光扫描仪完成航测无法覆盖的区域,以无人船装备完成水下测量的技术方案实施数据采集。具体方案如图2所示。图2数据采集方案如图2所示,在数据采集解算阶段需要考虑的问题如下:(1)需要统筹分析最终成果需求、生产与成果技术指标和软硬件设备能力来制定外业数据采集方案。成果种类决定了技术装备的种类;技术指标决定了装备精度需求;而在此基础上内外业装备的性能能力决定了不同数据采集装备所适应的范围、单任务量所控制的面积、不用任务区间的技术衔接方式等问题,从而影响野外作业区划分和控制点布设方案。只有在对项目区深入了解的前提下,综合分析成果需求、技术指标和装备能力,才能科学的完成数据采集方案制定。(2)建立统一的数学基础,保证不同装备采集的数据科学的互补融合。在项目区建立统一的基础控制点进行联测校对保证数学基础的统一,在此基础上根据不同装备的具体需求和不同作业区接边精度需求,进行项目生产级控制点布设。()在深入考虑内外业生产结合的基础上实施数据采集。从作业能力、质量保证、生产效率和互补协调等方面充分考虑内外业协同作业,坚持科学化生产。如由于倾斜摄影和三维激光扫描数据量大且解算复杂,在外业作业方案制定时需充分考虑内业解算能力和效率,使内业数据处理效率与外业航摄效率达到平衡,保持各工序各工种均处于良性的运转之中。2.2.2点云综合处理获取地表高程水库管理一项较为重要的需求就是数字高程模型数据以及数字地形图数据,因此高程信息尤为重要。通过长时间对行业内高程数据的生产观察,传统方法严重影响了数据加工的效率,降低了地理信息服务经济社会建设的能力,这与市场需求严重不符,本文探索了一套基于航摄点云综合处理提取地表高程的方法,为成果生产提供帮助。利用航摄点云综合处理获取地表高程信息的核心内容为基于点云的地表数据分类[4-5],但同时为了得到科学、光滑、流畅的等高线数据和减少数据存储量的需求,对地表数据进行特征点提取也十分重要。结合源数据质量和内外业质量管控,形成基于点云综合分类处理获取高程信息的技术方案,如图所示。图点云综合处理方案(1)数据预处理无人机航摄点云相较于三维激光扫描点云其噪点更多,更不利于点云分类工作,需要在点云分类之前进行预处理。包括剔除粗差点、降低点云密度以及标准化点云格式。(2)基于参数方案的自动分类根据原始点云数据质量特点和作业区地理条件,需对点云数据按地理地貌特点进行分区块制定自动点云分类的方案。区块划分按地形地貌分为平原、丘陵、山区,按地表复杂程度分为简单区、建筑物区和复杂区。不同分区分类参数设置如表1所示。表1点云分类参数设置()人工交互分类对按参数方案进行自动分类的点云进行人工检查编辑,特别是建筑物、道路沟壑等复杂区域需仔细检查处理。通过人工判读纠正,获得真实可靠的点云分类数据。(4)地表特征数据提取根据地理信息产品的精度需要,特别是等高线高程点技术标准要求,对分类点云成果进行特征点提取,使之数据量变小且适当综合取舍局部的地表起伏,该步骤地实施直接影响到成果的精度,是项目生产的重点和难点。本次试验参数设置如表2所示。表2地表特征点提取参数设置(5)外业检核数据处理利用外业采集的检核数据和补充数据对地表点云分类数据进行比较分析,对航摄数据中存在的误差进行修正,使获得的地表信息更加合理。(6)地表高程要素提取通过内外业质检和修正,获得标准地表特征点云并建立数字高程模型(DEM,DigitalElevationModel),进而提取等高线、高程点以及其他地表断面等成果,为水利规划实施提供服务。2.2.实景三维综合处理精细化三维模型通过数据解算软件形成的初始实景三维模型成果存在不少缺陷[6-8],包括因数据噪点形成的悬浮物,因若纹理或水面等无法三维重建的空洞,因侧挡无法三维重建的数据,因地表条件复杂三角网出现异常,因使用需要需对重点要素单体化,因工程设计需求需进行数据针对性对接整合等情况。基于这些问题,需对实景三维模型进行进一步处理才能更好的服务。实景三维模型修复修饰基本流程如图4所示。图4模型修复修饰技术流程如图4所示,对实景三维模型的修复修饰主要是基于以下作业思想:(1)对因遮挡等原因需另外补充数据的情况,采用三维重建的方式进行修补。即将初始实景三维模型数据与外部补充测量形成的人工模型进行融合处理形成统一互补的新数据,然后利用数据解算程序将其与原有空三成果合并三维重建,形成纹理自然模型真实的新的实景三维成果。(2)对无需外部新补充测量的实景三维成果进行人工实景修复处理,包括悬浮物处理、道路等地物平整、水面补洞等工作。()对个性化需求成果采用针对性方法进行模型编辑处理,包括基于工程设计需求的地表模型处理、基于地理空间数据库建设的单体化模型等。2.2.4多源新型实景三维成果运维管理服务为了提高水库日常运维、管理及展示能力,需要建设一套支持多源新型实景三维成果融合再现的运维管理服务平台。平台基于影像数据、数字高程数据、矢量数据等多元化数据相结合,实现水库范围内三维全景展示;实现地面(DEM、DOM)、水下、地上建筑物等模型的一体化展示;实现二三维一体化浏览、空间分析、查询统计、水质监测、巡查等。平台系统能有效、快速、安全、可靠和无误的完成上述操作。并要求界面简单明了,易于操作,服务器程序利于维护。基于实景三维的水库运维管理服务平台的搭建,能够以用户需求为导向充分应用和开发新型测绘成果的利用潜力,使测绘成果渗入到日常管理的方方面面,提升测绘成果的使用价值,提高测绘单位服务水平。0生产实施与质量分析.1数据采集实施.1.1作业区划分数据采集之前,对项目区进行深入踏勘,按照第1章的分析思路,完成数据采集作业区的划分,具体情况如图5所示。图5作业区划分方案如图5所示,外业作业区划分体现以下原则:(1)兼顾无人机航摄能力与数据解算能力。我单位采用飞马智能航测D+D-OP倾斜摄影模式进行外业航飞作业,依据太阳光照效果和5cm分辨率要求,每天进度约完成5-7平方公里,同时内业空三解算能力大约万张影像左右。按照航向80%、旁向75%的航摄标准,每天完成的外业数据采集能力正好与内业空三解算能力相当,因此以日完成能力为作业区划分单位。同时该方案能保持作业区内航摄照片纹理过渡流畅,有助于空三解算。(2)作业区四至以项目区内硬化道路等线状地物为界。该分割法极大的保证了不同作业区内的地理要素的完整性,减少实体破坏分割,有利于实景三维模型、数字正射影像图等成果的无缝拼接,进而保证成果质量。()各作业区边界保留适度的重叠度以保证接边拼接精度。不同作业区接边精度通过作业区相互建立重叠度和在重叠区共用相控点的来实现。因此,选择明显的线状地物作为公共重叠区有利于拼接加密相控点的实施。(4)编号为19的作业区为水下测量作业区。水下测量作业区与航摄作业区需无缝衔接。(5)编号为10的作业区内包含水库管理建筑区,溢洪道、水库大坝等水工建筑设施,该区域采用以无人机航摄为主,测站式三维激光扫描仪为补充的方式进行。.1.2数据采集和解算(1)统一数学基础和控制点成果来源。外业数据采集需要可靠的控制成果,本项目采用多种仪器装备进行外业采集,更需要统一数学基础和控制成果的来源来保证最终生产成果的有机统一。本项目所有基础控制测量成果均由水库管理部门提供,为了保证不同装备数据采集的数学基础统一,在数据采集前进行图根控制点的布设和校核,具体做法如下:1)根据不同装备对控制点的具体要求和本项目区的实际使用需要,在项目区内统一布设无人机航摄相控点、无人船水下测量基准点和测站式扫描仪的靶标基准控制点。不同作业区重叠区域提高一倍密度进行布设,以此提高接边精度。图6相控点等控制点布设2)对相控点、水下测量基准点和靶标控制点进行联测检核,保证三类控制点数学基础完全统一,数学精度合格达标。图7外业航飞执行(2)外业数据采集为了保证外业数据采集生产安全和成果可靠,需做到以下几点:1)数据采集前需充分检测仪器装备,完全确保设备完整有效和参数设置合格后实施数据采集;2)施测前后均需对数学基础进行验证检核并做记录;)采集一定比例的检查点。()内业数据解算内业解算前需将外业成果资料进行规范化整理,确保数据完整、格式规范、内容准确。数据解算完成后,需对数据成果进行精度检核保证成果的质量。本项目的精度检核方式为通过外业实测数据与解算成果数据的三维空间关系计算较差,评判精度可靠性。内业解算获得的成果包括:DOM、DSM、OSGB、密集点云、OBJ等初始成果。.2数据处理与平台建设实施.2.1二维地理信息产品生产利用解算成果进行二维地理信息产品生产,其成果包括数字正射影像图、数字高程模型和数字线划图。其中数字正射影像利用解算正射影像根据拼接线进行接边处理后按照标准分幅要求进行镶嵌分割形成标准成果;数字线划图通过三维立体采集获取地理要素。数字高程模型需要从原始成果中提取地表高程,难度较大效率较低,本项目采用航摄点云综合分类处理的方式进行,取得较好的效果。按照第1章的研究方法,对航飞原始点云和激光扫描原始点云进行合并,利用专业软件进行自动初级分类和人工精细分类形成地表点云数据,然后通过内业检查和外业检核及数据补充,形成完整的地表点云数据。最后通过地表特征点云提取并融合水下测量数据,生成1:比例尺精度的数字高程模型和1米等高距的等高线成果。图8分类后的点云(其中黄色部分为地面点云)图9以地表特征点为基础的数字高程模型图10以数字高程模型为基础的等高线生产.2.2实景三维模型生产本项目生产的实景三维模型包含库区自然地貌、管理区建筑物及水工设施等要素。初始解算模型主要存在的问题包括建筑物遮挡、水面及湿地空洞、悬浮物及道路不平整等情况。按照第1章研究的方法主要采取了以下措施:(1)湿地等空洞区域通过外部补充数据实现模型修补修复,然后通过三维重建进行纹理补充;(2)建筑物遮挡通过测站激光扫描及实测数据进行模型和纹理补充;()悬浮物清除和道路平整采用孤立模型拾取编辑和三角面重建的方式进行。图11水工建筑模型图12库区湿地三维实景.2.平台建设水库管理实景三维运维平台建设主要实现的目的包括叠加多源全系列测绘地理信息成果融合显示与使用、基于地理空间信息的日常应用管理功能扩展及具有地理空间意义的监控监管设备集成等需求。本项目充分应用全系列的地理空间成果,精准开发用户需求功能,以提高水库智慧化管理水平。.成果质量与效率分析通过内外业全流程生产形成全系列的新型测绘地理信息成果。利用GNSS外业实测数据与航测成果对比分析,成果精度情况如下:野外采集高程检测点0个,计算高程中误差为.1cm;采集平面坐标检测点个,计算平面中误差为4.66cm。平高精度均符合有关技术规程[9]要求。基于航摄点云综合处理与人工判断获取地面高程效率对比如表所示:表效率对比由表可知,通过点云综合处理能够更好的提高工作效率,节省人力成本,由于点云综合处理方法能形成高精度的数字地面模型,所以能更有效地提高测绘成果的再利用率。04结论本文以无人机航测等现代先进测绘装备技术为基础,研究服务于水库运维管理的全系列新型测绘地理信息产品的生产方案,以满足信息化智慧化现代水利设施管理的需要,同时也为从事相关数据生产的技术单位和个人提供借鉴。通过技术研究和生产实践得到以下结论:(1)充分的成果需求分析、项目区地理环境分析和硬软件装备分析、内外业衔接技术分析等生产条件的综合分析评估,是科学制定基于无人机航测的新型测绘技术方案的重要前提;(2)基于多源数据的航摄点云综合处理方法在满足成果需求的同时能较好地提高生产效率;()多种方式融合处理修复修饰实景三维模型能够满足水库管理需求,研发新型测绘产品管理服务平台为智慧水库等项目建设提供经验积累。参考文献:[1]万刚,余旭初,布树辉等.无人机测绘技术及应用M].北京:测绘出版社,:16-.[2]袁修孝,蔡杨,史俊波,等.北斗辅助无人机航摄影像的空中三角测量[J].武汉大学学报(信息科学版),,42(11):-9.[]姚富山.无人机影像匹配点云的处理与应用[D].解放军信息工程大学,.[4]李建柱.基于无人机摄影测量点云滤波算法研究[D].中国矿业大学,.[5]杜浩,朱俊锋,张力,孙钰珊,骆继花.顾及地形特征的LiDAR点云数据抽稀算法[J].测绘科学,,41(09):-.[6]王凯松,刘增良,邢晨.OSGB三维模型数据切割与修平编辑工具的设计与实现[J].北京测绘,,(06):-.[7]施骏骋.倾斜摄影测量应用于城市三维单体模型构建的研究[D].昆明理工大学,.[8]罗天银,张平,马玉强,谢啸宇.实景三维模型修饰方法研究[J].测绘,,4(02):51-56.[9]杨爱明,严建国,姜本海等.水利水电工程测量规范[S].北京:中国水利水电出版社,.END

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