钱塘江涌潮作为一种极为特殊的水流运动，一直以来被学界所关注，传统涌潮形态观测主要采用单点布设水文观测标尺或水位计等方式，采集的涌潮水位数据往往只是某观测点的点数据^[1-2]，难以获取多点乃至面状涌潮形态数据。因此不足以为研究钱塘江涌潮形态提供全面的数据支撑。

近景摄影测量通过对目标物摄取立体像对，并基于像对构建三维立体模型，进行精确量算，因此针对动态、不规则、不可接触物体的精确测定具有快速、准确、稳定等特点^[3-8]。本文结合近景摄影相关技术手段^[9-17]，搭建钱塘江涌潮三维摄影测量系统，利用三维立体相机采集，获取钱塘江潮水数据。通过远程控制，后期解算的方式，经过标定、交会、匹配等步骤，获取瞬时波浪的三维形态信息，提取钱塘江潮水高度、潮型线等数据，提供后续钱塘江潮水立体模型漫游、动画等展示功能，实现钱塘江目标区域长期的系统涌潮三维观测。

用于开展钱塘江涌潮观测用立体相机通过机械加工固定于基线长度约为25 m长钢管上，开展钱塘江涌潮立体观测前，需进行相机标定以及立体相机相对定向等工作，待准确获取立体相机内参数及相关参数后，可基于立体影像开展基于影像匹配、物方控制约束以及三维涌潮模型重构、模型反演等工作，总体工作流程如图 1所示。图中缩写含义：GPS(global positioning system)，SFM(structure from motion)。

图 1(Fig.1)

图 1 总体流程 Fig.1 Flow Chart Overall

为更好地开展立体相机的标定及相对定向，在钱塘江边设计并布设了三维控制场，控制场共布置人工控制标志牌43个，标识牌为边长35 cm的正方形铝板，标志为白底黑色正方形标志，户外级材料制作，黑色标志点边长为20 cm正方形，每个方形标志点的4个角点均作为控制点使用。

本文采用SFM方法从立体像对中恢复三维模型^{[7, 9]}，通过SFM实现任一时刻波浪立体像对的三维重建，得到稠密涌潮三维点云如图 2、图 3所示，为后续可视化和三维分析功能提供基础模型支持。

图 2(Fig.2)

图 2 特征点轨迹追踪 Fig.2 Trace Tracing of Feature Points

图 3(Fig.3)

图 3 立体相机构建涌点云模型 Fig.3 Position of the Stereo Camera and the Sparse Point Cloud Model of the Tidal Bore

利用迭代最近点(iterative closest point，ICP)算法^[6]对多时间帧所获取的立体像对点云近岸点点云进行匹配，通过布设GPS控制点(如图 4(a)中黄色点)对点云数据进行绝对坐标约束来实现不同时间帧点云数据空间一致性，从而构建该区域内多时间帧的涌潮动态模型。

图 4(Fig.4)

图 4 点云和点云模型 Fig.4 Point Cloud and Point Cloud Model

1) 三维涌潮点云的匹配。点云匹配是对不同视角测得的点云数据进行多视拼接，统一到一个全局坐标系，目前国内外最常用的自动匹配技术为ICP算法，匹配前后结果如图 4(a)和图 4(b)所示。

2) 三维涌潮点云的坐标映射。通过ICP算法完成不同时刻的点云匹配后，利用GPS控制点约束将其映射到真实地理坐标系中，GPS控制点真实地理坐标为(l为左点，r为右点):M₁={M_l, M_r}，其在点云中的相对坐标为N₂={N_l, N_r}，利用M₁=RN₂+t可求得旋转矩阵R，平移矩阵t，利用这两个矩阵即可将点云模型从相对坐标系映射到真实地理坐标中，每个点都有真实的xyz坐标(图 4(c))，便于后续进行三维量算、提取剖面线等三维分析操作。

为了增强三维涌潮实时可视化效果，本文利用Delaunay方法对单帧涌潮点云数据进行三角剖分，生成精细的涌潮三角网模型，增强涌潮的立体感和真实感，提高可视化效果。

基于前文研究基础，分别在盐官、临江码头、新仓、大缺口、老盐仓、美女坝、七格、长河8个观测点布设了钱塘江涌潮三维摄影测量系统及观测塔。观测塔塔顶到塔基的距离为25 m，塔基距离江岸30 m。每个观测塔均配有两台基线长度为25 m的立体相机。数据采集过程中，各观测站点对钱塘江涌潮进行连续同步拍摄，获取波浪的瞬时立体像对，再将采集的影像数据实时传输至盐官涌潮数据中心，输入至三维时空动态涌潮系统中，通过三维重建技术得到涌潮的点云模型。

将近景摄影相关技术手段应用到钱塘江涌潮观测工作中，为测绘技术在水利行业应用提供了一套全新的、创新性的应用实践。钱塘江涌潮三维摄影测量系统为钱塘江管理部门提供了一套科学、高效的涌潮观测技术手段，实现了在非接触式环境下涌潮三维数据的动态获取及可视化量测，提高了钱塘江涌潮水文数据观测采集获取的效率，提高了科技含量。