无人机实景建模技术在水利工程地质测绘中的应用

贺 涛

(湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南 长沙 410007)

在传统技术手段下，工程地质测绘历来是工程勘察中工作量最大的一项。枢纽工程是典型的点面状工程，一般高程变化大，平面区域不大，采用无人机多高程作业能极大提高地质工作效率。随着三维地质建模的普及，实景建模技术实用性的增强，工程地质测绘也将迎来新的工作方式。

1 思路与方法

首先要了解倾斜摄影相关原理，对比市场中已存在的多种技术路线，掌握相关软硬件操作；其次合理规划航线，明确建模范围，拍摄航空照片；之后通过实景建模软件ContextCapture生成满足规范精度要求的实景模型；最后在工程项目中，利用Descartes和GeoStation在实景模型基础上提取的各类地质要素，并在三维地质模型中体现出来。

2 主要内容

2.1 数据采集系统

市场存在各种无人机，对于中小型水利枢纽区域，空中数据采集主要应用消费级无人机，地面采集可使用普通智能手机地面拍照收集素材。航线规划软件市场上很多，本次采用免费开放的Altizure，基本能实现需要的基础功能。对于精细建模区域，可以通过无人机自带飞控进行手动近距离拍照的方式完成，自动拍照时需保证足够的覆叠率大于75%，飞行速度不宜过快。

2.2 实景模型生产

2.2.1 野外作业

建立标准的野外工作流程，保证流程的合理性。外业作业流程如图1所示。

图1 外业作业流程图

实际工作中应注意以下几点。

(1)飞行作业必须保证2人以上，不能无故变更操作流程。通过相机像素等尺寸明确飞行高度，照片分辨率要达到5cm，一般飞行离地高度不宜大于100m，具体计算公式如下：

(1)

P=3×R

(2)

式中，Ls—感光件的长边，mm；D—相机到拍摄目标的距离，m；f—照相机的焦距，mm；L—照片的最大尺寸像素(Px)；R—照片中每个像素在空间地面分辨率；P—三维网格顶点的空间位置精确度。

(2)明确实景建模精度、作业范围。并在1∶10000的地形图中确认高程差，规划好飞行高度，分区和分高度进行作业，手控试飞确认无重大危险源后，在作业现场不要随意更改建模范围及航线。在近景拍摄边坡时需保证足够飞行高度及对于距离要有足够的预判。

(3)选用的地理坐标系统与工程实际使用地理坐标系需保持一致。合理布置像控点，布设宜采用矩形分布式排列，间距需满足航测规范要求，高差大的区域需加密控制点。宜选择较开阔的地点，保证3张以上的照片上可见。

2.2.2 内业建模

依靠GS PRO可生成tif格式的低精度高清正摄影像。通过ContextCapture软件生产高精度实景三维模型。由于提取地质元素主要使用奔特力平台下的相关软件，因此主要生产的实景模型格式为3sm。流程图如图2所示。

图2 内业作业流程图

在实际项目中，空三计算常常由于一次性导入照片过多，造成计算失败，一定要掌握软件的最大像素支持量。大范围建议分区计算后合并再计算。独立坐标系统需输入相应七参数信息。单像素空间误差小于0.05m，符合测绘1∶500精度要求。空三计算成功后将看到如图3所示的照片连接点匹配空间结果。设置好需要的格式和各类输出设置后生成实景模型，如图4所示。

图3 某水库枢纽区空三计算结果

图4 某水库下坝址实景模型

2.3 地质要素提取

首先通过实景模型提取出地表数字模型，其次提取主要地质要素，在实景模型中将地表出露的岩层产状，断层露头，地层分界等。通过Descartes提取面与线等要素。之后通过GeoStation软件定义属性，参与三维地质建模。最后将地面调查数据与实景模型一一对应，实现勘测数据地表地下统一，调用在三维地质模型中的各类地质要素得到工程地质平面图。通过GeoStation软件完成相关的线型转换，获得断面信息。应用流程如图5所示。

图5 地质测绘中实景模型应用流程

在实际BIM应用中可将实景模型和地质三维模型叠加，作为BIM成果交付及提交给下个专业使用，使地质资料的可传递性大大加强，为设计工作带来更加大的应用价值。

3 结语

迅速发展的无人机技术，将极大的改变传统测绘方式。采集数据效率高，实景模型所带三维信息丰富，大大提高了地质测绘的安全性和准确性。以往的工作更加偏重于常规的图纸中标识，而现在三维模型内地质信息的解译和追索将更加直观。

实景模型也存在应用难度大，软件硬件要求高，对于植被茂盛区高程精度不够等问题。但是随着BIM技术的发展，相关技术规范出台，实际工作的应用面将更加广。