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【入围文章·7】飞马无人机在黄委重点水利工程信息化建设中的应用研究

发布日期:2018-12-14  来源:飞马机器人  作者:飞马机器人我要投稿我要评论

即日起,飞马机器人将对入围最终投票环节的10篇文章进行展示。

展示期为12月13-14日,每天刊出5篇文章。

您可在展示期间选出最为认可的文章,并在12月19-21日的投票期内为它投票。

投票期获得票数最多的前三篇文章将位列前三名。

注意事项:

1、文章展示期仅供大家阅读学习;

2、展示文章如需转载请联系飞马机器人官网微信,并注明转载出处;

3、投票期前请务必关注“飞马机器人”官方微信,未关注用户投票将不计入总票数;

4、投票期请勿使用任何刷票软件,一人一票,刷票行为若被发现将取消入围文章竞票资格;

 

 

投稿单位:水利部黄河水利委员会勘测规划设计研究院

投稿人:孙朝印、周亚平、张晓强

 

一、引言

 

1、无人机倾斜摄影三维建模技术概述

倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术,通过在同一飞行平台上搭载多台传感器,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。它不仅能够真实地反映地物情况,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,生成真实的三维模型。倾斜摄影测量技术以大范围、高精度、高清晰度的方式全面感知复杂场景,系统具备高性能的协同并行处理能力,倾斜摄影三维数据可为水利、智慧城市、规划、国土、测绘等多种行业提供二三维一体化的数据来源。

2、水利工程信息化建设的意义

水利信息化是指充分利用现代信息技术,深入开发和利用水利信息资源,实现水利信息的采集、输送、存储、处理和服务的现代化,全面提升水利事业活动效率和效能的过程。具体地讲,水利信息化就是在水利全行业普遍应用现代通信、计算机网络等信息技术,开发与水有关的信息资源,直接为水资源的开发利用、水资源的配置与使用、水环境保护与治理等管理决策服务,提高水利行业的科学管理水平。

近年来,水利投资规模持续增长,中国产业信息研究网发布数据显示:截至2018年2月28日,2018年已累计安排中央水利建设投资计划2248.0亿元。水利信息化需求加大,中国重点水利项目已进入建设高峰期,水利信息化需求不断增加,水利行业中的特定领域,例如水资源管理、防洪减灾等领域,对于监控精度的准确性、及时性要求越来越高。

传统的水利管理由各地主管部门负责,上下游及河湖两岸主管部门间沟通协调性差,高效的管理方案未能及时有效落实到基层调度管理中心,管理的科学性不足、效率较低、水资源价值未能得到充分发挥,传统的技术手段已经越来越难以满足社会需求。水资源监测、灾害监控等方式的演变,为信息化应用在水利领域提供了良好的发展前景。除了水利行业整体投入增加的大环境因素,专业化程度的提高、检测监控等方式的演变、技术的升级改进也加大了水利行业信息化的需求。云计算、无人机倾斜摄影等先进技术逐渐在水利行业渗透,将加快推动我国水利信息化建设向健康、可持续化、现代化方向发展。


二、工程概况及技术路线

本次水利工程信息化建设共分五大区域:故县水利枢纽、陆浑水利枢纽、石洼分洪闸、十里堡分洪闸、陈山口和清河门泄洪闸。区域较多,本文主要以故县和陆浑水利枢纽为例介绍倾斜摄影技术在水利信息化建设中的应用。

图1:作业技术流程图

 

本次作业采用无人机航空摄影的方法获取影像资料,根据测区情况规划设计航线,实地踏勘测区,选取适宜起降场地进行无人机航空摄影,并布设测量像控点。航摄和像控作业完成后,进行空三加密、三维模型生产、模型修饰、信息化平台展示及应用等工作,作业技术流程如图1。


三、倾斜摄影三维实景建模实施

1、 航空摄影实施

1)航线规划

图2:飞马F200和D1000智能航测系统

本次作业采用飞马F200和D1000智能航测系统进行无人机低空摄影作业(如图2)。为了获取测区地面高分辨率影像,满足三维建模对地物各个立面都要有足够重叠度的要求,飞马D1000系统设计飞“井”字航线,飞马F200系统设计飞往返航线。

图3:故县水利枢纽倾斜摄影航线(红色为高压线)

故县水库海拔落差大,且两侧山顶架设有高压线,给航飞带来了极大的困难,为了保证飞行安全和重点区域的高分辨率,在确定好测区海拔和高压线高度后,分区域上下层叠置规划航线,整个测区按GSD 5cm设计,飞行高度高于高压线40m,大坝区域按GSD 3cm设计,飞行高度低于高压线40m。航向重叠度80%,旁向重叠度 70%。航线设计如图3所示:

陆浑水库摄影面积较大,采用飞马F200和D1000结合飞行的方式进行作业。整个测区按GSD 3cm设计,航向重叠度80%,旁向重叠度 70%。航线设计如图4所示:

图4:陆浑水利枢纽倾斜航线(蓝色F200,黄色D1000)

 

2)航空摄影

在天气符合飞行作业要求的情况下,机组人员携带设备到达起降场。首先对航摄硬件进行检查维护,确保其在最佳状态下工作。在飞机起飞前对飞机状况进行全面检查,确保安全后作业。无人机起飞后,时刻监控其状况参数。

3)像控布测

图5:像控点示意图(左:航片上点位,右:实地测量点位)

 

无人机航摄外业像控点布设一般按照区域网布设,像控点点位均匀控制测区。区域网大小和像控点的跨度以能够满足内业空中三角测量精度要求为准。

像片控制测量采用双频GNSS接收机,基于GNSS RTK技术施测,作业前在已知控制点上进行检校,作业时取三次读数的平均值为最终成果。

2、基于ContextCapture Center的三维实景建模

1)数据准备

在进行三维建模前,需要整理原始影像、相机文件、像控数据、POS数据等,为导入软件进行后期的处理做准备。

2)空中三角测量

选择四台高性能计算机,联机组成工作站,软件采用ContextCapture Center(CC),对所采集影像数据进行空三加密、三维模型构建。将外业测定的像片控制点成果,在内业环境中进行转刺,利用这些点对已有区域网模型进行约束平差计算,将区域网纳入到精确的大地坐标系统中,完成绝对定向,如图6所示。空三结束后及时查看精度报告,确保符合规范要求,空三完成后相片分布如图7(左)所示。

图6:CC空三加密流程

 

图7:空三结果和三维粗略模型图(左:空三完成图,右:三维粗略模型图)

 

3) 三维模型构建

图8:CC三维建模流程

 

全自动三维建模采用多机多节点并行运算的CC软件进行,建模流程如图8所示。将空三完成后的成果数据直接提交生成三维TIN格网构建、白体三维模型创建、自助纹理映射和三维场景构建,模型成果如图7(右)所示。

3、基于CC软件的模型修饰及输出

模型修饰主要是对水域和模型漏洞进行修补,删除漂浮物,局部进行影像纹理映射等等,最后采用CC软件,对水域进行约束干预后重新生成模型,使模型不存在漏洞,更贴近实际。同位置修饰前后对比图如下:

图9:三维模型修饰前后截图

 

4、精度评价

三维模型修饰后,采取人工实测平高检查点的方式对模型精度进行检验,故县水利枢纽检验结果如下表:

经检验,故县测区平均GSD为5cm,重点区域平均GSD为3cm,平面中误差为0.041m,高程中误差为0.033m,均在1:500比例尺三维测图限差范围内,满足本次信息化建设对测图精度的要求。

陆浑水利枢纽检验结果如下表:

经检验,陆浑测区平均GSD为3cm,平面中误差为0.031m,高程中误差为0.046m,均在1:500比例尺三维测图限差范围内,满足本次信息化建设对测图精度的要求。


四、水利工程信息化建设应用研究

伴随信息技术与网络技术的高速对接和信息化的广泛应用,信息化已经成为现代社会发展的强大动力。从中央到地方,从行业到企业,信息化及信息技术的应用已成为推动社会向前发展的重要手段。

通过信息技术的应用,可以实现水利工程管理的自动化和智能化,提高工程管理水平,并在此基础上推动我国水利事业的长远发展。将传统水利管理向水利信息化管理倾斜能够弥补在解决自然灾害中水资源浪费的不足,实现人与自然的和谐相处,维护水资源的生态平衡。

通过水利信息化平台可对流域内进行洪水预测预报、洪水调度、方案制订和工作部署,进一步梳理水文预报节点,提高水文预测预报能力,完善预报预警机制,做到预测预报和洪水测验齐头并进。提高预报精度,延长预见期。进一步细化各关键节点、关键环节的应对措施,细化洪水调度方案,规范、理顺指挥调度程序,进一步细化防汛工作部署,未雨绸缪,提前做好各项准备。

1、基于三维的黄河防汛调度方案情景展示系统

建成防汛调度系统,可以较为全面地支持黄河流域洪水和泥沙的调度与管理的主要技术业务,使分析计算过程更加高效、直观,使决策的准确性和时效性进一步增强。主要功能有:(1)水利枢纽过沙预估;(2)洪水调度预案分析;(3)实时洪水泥沙调度方案分析;(4)水库调度监测信息应用;(5)调度方案评估。

图10:黄河防汛调度方案展示系统中故县水利枢纽正侧视图


图11:黄河防汛调度方案展示系统中陆浑水利枢纽局部正视图

 

本文将修饰好的实景三维模型统一输出为OBJ wavefront format格式,WGS-84坐标系,1985国家高程基准,导入基于三维的黄河防汛调度方案情景展示系统。故县和陆浑水利枢纽三维实景模型在黄河防汛调度方案展示系统中的正侧视图如图10、11、12所示。

图12:黄河防汛调度方案展示系统中陆浑水利枢纽局部侧视图

 

2、基于Skyline平台的黄河水资源管理与调度系统

黄河水资源管理调度系统以及所包含的子系统犹如一个巨大的黄河大数据库,为水资源实时监控、快速反应、优化配速置提供有力支撑,成功应对了流域洪涝灾害、干旱缺水、生态恶化等问题,为“精细调度”黄河水资源提供了强大的科技支撑。该系统荣获中国水利工程优质(大禹)奖,这是全国水利信息化行业建设项目获得优质工程的最高奖项之一。

图13:黄河水资源管理与调度系统主界面

图14:黄河水资源管理与调度系统系统中故县水利枢纽区域图

图15:黄河水资源管理与调度系统系统中龙羊峡水利枢纽

图16:黄河水资源管理与调度系统系统中小浪底水利枢纽

 

随着计算机和倾斜摄影技术的迅速发展,三维实景地理信息系统为用户提供了更丰富的地理信息、更友好的用户体验以及低廉的成本,应用前景广阔。将本次修饰好的实景三维模型和原来制作的三维模型统一转换为AutodeskFBX格式,WGS-84坐标系,1985国家高程基准,导入基于Skyline平台的黄河水资源管理与调度系统,展示如图13、14、15、16所示。

3、倾斜摄影三维建模技术在BIM领域的应用

1)测绘三维模型和地质勘探三维数据融合后,可以进行三维协同设计:

图17:测绘三维模型和地质勘探三维数据刨面展示

 

2)三维模型在水利工程运营和施工管理方面的应用,展示如下:

图18:南水北调倒虹吸运营维护和引水闸门施工管理示意图

 

本次作业完成了多个水利实景模型信息化建设,项目成果可为水利BIM技术(一种应用于工程设计、建造、管理的数据化工具,通过对建筑的数据化、信息化模型整合)提供技术支持,可以促使水利工程各个阶段的管理和运营更加科学精准。

 

五、结语

本文以故县水利枢纽为例,尝试了高海拔落差测区重点区域进行叠置航线作业,对双层航线所采集影像共同进行空三加密和三维建模,将不同分辨率影像同时映射到数字表面模型上作为模型的纹理,既保证了测区的完整性,又大大提高了重点区域的地面分辨率。随后详细介绍了基于无人机倾斜摄影和CC软件的三维建模过程及模型成果在水利信息化建设中的应用。

2018年黄委重点水利工程信息化建设项目,是一次较全面的倾斜摄影三维建模综合应用实战。我们在资料准备、工序规划、相关硬件、应急预案等方面都做了充分的准备,多工序紧密衔接。通过本项目,我们积累了更多倾斜摄影三维建模的相关经验,并在此项目基础上完善了基于三维的黄河防汛调度方案情景展示系统和基于Skyline平台的黄河水资源管理与调度系统。开展了三维模型在BIM领域的应用研究,希望能尽早与地质、物探的三维数据进行融合,为三维协同设计提供高分辨率高精度的三维模型数据。

地理信息大数据和水利工程信息化的时代已经到来,飞马系列无人机航测系统以其机动、快速、 灵活、高效等特点得到了广泛的应用,不但节省作业成本,而且操作和维护还非常简单,不仅具有较强的作业能力,而且智能化、稳定性和可靠性都能得到保障。其一站式大比例尺测图解决方案已广泛应用于测绘领域。其基于飞马云的主动式服务更是为客户提供了很多方便,帮助客户解决了很多难题。下一步我们将加大引进飞马系列无人机的力度,购置更多数量、更高精度、操作更简单的新款无人机,完善其在水利领域的应用,加强地理信息数据底图的获取,加大黄河流域重点水利工程三维实景模型建设,强化黄河流域水利工程信息化建设,推进BIM技术在水利领域的应用研究,为水利工程投资分析、工程设计、施工与安全质量管理、库区移民、变形监测及稳定性评估等水利工程全生命周期管理提供技术支持。

 


六、部分重点水利工程信息化建设底图数据获取案例

目前黄河流域水利工程底图数据的获取既可以用于工程的勘测规划设计,还可以作为水利工程信息化建设的底图数据,以便后期的运行维护管理。下面列举两个典型的水利工程数据获取案例:

1、案例一:飞马F200在黄委2018年度水利工程划界中的应用

黄委2018年度直管河道和水利工程划界无人机航空摄影区域主要位于河南省和山东省境内的黄河大堤沿线,其中河南段为:郑州市荥阳市、新乡市原阳县、开封市、濮阳市范县;山东段为:济宁市梁山县、泰安市东平县、济南市平阴县、济南市济阳县、聊城市东阿县、滨州市区、东营市区、东营市河口区,我单位提前进行空域申报,军航、民航、公安批准后,方进入测区作业。

图19:河南段测区概况(左)和山东段测区概况(右)

 

此次航摄作业共投入2架飞马F200型无人机,两个机组5名作业员,作业时间22天,合计飞行111个架次,飞行里程5118km,摄影面积865km²。已完成DOM、DSM、DLG成果制作。

测图工作完成后,采取人工实测平高检查点的方式对线划地形图的要素精度进行检验,其中一个区域的检验结果如下表:

经检验,该区域地形图要素平面中误差为0.0556m,高程中误差0.1241m,满足水利工程划界项目1:2000比例尺地形图精度要求。

2、案例二:飞马F200在“引黄济宁”工程中的应用

随着“兰西城市群”发展规划的逐步落地,大西宁地区构建“一芯双城,环状组团发展”的生态山水城市发展模式和布局,水资源保障面临重大挑战。因此,从水资源利用现状看,只有通过从黄河调水才能实现,加快建设“引黄济宁”工程意义重大,十分必要。

图20:测区分布示意图

“引黄济宁”测绘项目分为龙羊峡自流方案、龙羊峡自流绕线方案以及东部城市群供水线路等几个区域,其中东部城市群供水线路分为南、北线两条线路。测区均为高原地区,平均海拔3300米,起飞点最高海拔4030米,飞行最高高度4761m,测区概略位置如图21所示。

测区内人烟稀少,空气稀薄,气候恶劣,风力强劲,同等条件下无人机升力降低,给航测作业带来极大困难,我们提前换上高原桨,给电池做好保暖措施,在天气允许的情况下进行作业。此次共投入2架飞马F200,两个机组5名作业员,作业时间25天,合计飞行128个架次,飞行里程6054km,摄影面积1006km²。已完成大部分区域DOM、DSM、DLG成果制作,完成区域经实地测量平高点进行精度检验,全部满足1 :1000比例尺地形图精度要求,局部DOM和DLG套合如图21所示。

图21:局部DOM和DLG套合图

 

 
本文链接:https://www.81uav.cn/uav-news/201812/14/49364.html
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