無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在道路工程測(cè)量中的應(yīng)用研究

　　摘要：無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在工程測(cè)量項(xiàng)目中已廣泛應(yīng)用，較傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)手段具有效率高、作業(yè)成本低、作業(yè)方式靈活等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景較為廣闊。采用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)實(shí)施某道路測(cè)量項(xiàng)目時(shí)，同時(shí)采用人工測(cè)繪手段對(duì)特征點(diǎn)平面及高程成果進(jìn)行了檢核，成果精度滿足設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范要求，為類似項(xiàng)目的實(shí)施提供了參考依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞傾斜攝影三維建模道路測(cè)量精度;無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù);工程測(cè)量

　　2021年國家發(fā)布了十四五規(guī)劃及2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要，將數(shù)字化建設(shè)作為推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展重要的戰(zhàn)略手段。由于傳統(tǒng)人工測(cè)繪生產(chǎn)方式產(chǎn)生的成果形式相對(duì)單一，難以滿足數(shù)字化應(yīng)用的廣泛需求，為迎接數(shù)字時(shí)代，提高測(cè)繪產(chǎn)品內(nèi)在價(jià)值，采用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量方式可以獲取更多類型的測(cè)繪成果，在數(shù)字化成果應(yīng)用方面具有較好的前景。

　　無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量相對(duì)傳統(tǒng)人工測(cè)量，外業(yè)采集效率高、作業(yè)成本低、作業(yè)靈活等優(yōu)點(diǎn)，以某道路工程測(cè)量項(xiàng)目為例，采用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)道路地形地貌進(jìn)行修測(cè)，同時(shí)采集縱、橫斷面高程數(shù)據(jù)，根據(jù)人工測(cè)量成果與無人機(jī)傾斜測(cè)量成果較差計(jì)算無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量成果精度，旨在為類似項(xiàng)目的實(shí)施提供參考數(shù)據(jù)。

　　1無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

　　無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)即通過在同一飛行平臺(tái)上搭載五鏡頭相機(jī)或單鏡頭相機(jī)，同時(shí)從下視、前視、后視、左視、右視5個(gè)不同方向采集影像，結(jié)合影像照片POS數(shù)據(jù)，通過高效的數(shù)據(jù)采集及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件生成傾斜三維模型。傾斜三維模型能讓用戶從多個(gè)角度觀察，更加真實(shí)再現(xiàn)地物的實(shí)景，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)正射影像及DLG線劃圖在三維空間屬性的不足;通過配套軟件的應(yīng)用，可以直接基于成果影像進(jìn)行高度、長度、面積、角度的量測(cè)，實(shí)時(shí)獲取多維度數(shù)據(jù)。同時(shí)輸出DSM、DOM、DEM、DLG等多種成果。

　　無人機(jī)傾斜攝影的飛行高度是航線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，航攝高度需要根據(jù)任務(wù)要求選擇合適的地面分辨率，然后結(jié)合傾斜相機(jī)的性能，按照下式計(jì)算:H=f×GSD/α式中，H—航攝高度，m;f—鏡頭焦距，mm;α—像元尺寸，mm;GSD—地面分辨率，m。

　　無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)采集(影像采集、像控點(diǎn)測(cè)量)、空中三角測(cè)量、多視影像密集點(diǎn)匹配、數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)生成、紋理貼合、實(shí)景三維建模、三維測(cè)圖及外業(yè)調(diào)繪與補(bǔ)測(cè)等步驟。其中，最關(guān)鍵步驟是通過空中三角測(cè)量解算出像片的外方位元素，在此基礎(chǔ)上，通過多視影像密集匹配算法獲得點(diǎn)云，并紋理貼合生成三維模型。

　　2工程案例

　　2.1工程概況

　　本項(xiàng)目測(cè)區(qū)位于上海市浦江鎮(zhèn)魯匯地塊，測(cè)區(qū)面積0.067Km2，其中包含4條馬路、一個(gè)6幢樓的小區(qū)，樓高在50～65m高多層建筑。道路綠化覆蓋有密有疏、瀝青路面是上海地區(qū)比較典型的路道狀況，基本代表多數(shù)道路測(cè)量項(xiàng)目概況。參照CHZ3004—2010《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》對(duì)測(cè)區(qū)航線進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，確保目標(biāo)攝區(qū)完全覆蓋。航高依據(jù)周邊建筑高度而定。

　　2.2測(cè)量方法

　　傾斜攝影測(cè)量:外業(yè)采集采用大疆經(jīng)緯M300RTK搭載睿鉑D2-PSDK五鏡頭，內(nèi)業(yè)處理采用瞰景Smart3D三維建模軟件生成osgb格式的三維模型，DLG線劃圖生產(chǎn)采用南方測(cè)繪Cass3D專用三維測(cè)圖軟件。

　　傳統(tǒng)人工測(cè)量:采用索佳SET1X全站儀(測(cè)距2+2ppm測(cè)角1″)采集道路上具有明顯特征的地形地物點(diǎn)平面及高程，如人行道橫線角點(diǎn)、車行道可變車道線角點(diǎn)、行駛方向指示線角點(diǎn)等。通過Cass3D采集的特征點(diǎn)三維坐標(biāo)與全站儀人工采集的相同特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，獲取兩者成果較差，求出無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量特征點(diǎn)的片面與高程成果精度，對(duì)無人機(jī)傾斜測(cè)量成果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

　　2.3控制測(cè)量

　　平面控制測(cè)量采用網(wǎng)絡(luò)RTK的方式進(jìn)行，利用上海CORS系統(tǒng)采集控制點(diǎn)的上海城市平面坐標(biāo)(x，y)，RTK平面控制點(diǎn)測(cè)量流動(dòng)站的技術(shù)要求滿足:

　�、儆^測(cè)開始前應(yīng)對(duì)儀器進(jìn)行初始化，并得到固定解，當(dāng)長時(shí)間不能獲得固定解時(shí)，斷開通信鏈路，再次進(jìn)行初始化操作;②每次觀測(cè)之間流動(dòng)站 重新初始化;③作業(yè)過程中，如出現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)失鎖，重新初始化，并經(jīng)重合點(diǎn)測(cè)量檢測(cè)合格后，方能繼續(xù)作業(yè);④每次作業(yè)開始前，均進(jìn)行至少1個(gè)同等級(jí)或高等級(jí)已知點(diǎn)的的檢核，平面坐標(biāo)較差不大于7cm;⑤數(shù)據(jù)采集器設(shè)置控制點(diǎn)的單次觀測(cè)的平面收斂精度應(yīng)≤±2cm;⑥RTK平面控制點(diǎn)測(cè)量流動(dòng)站觀測(cè)時(shí)采用三角架對(duì)中、整平，每次觀測(cè)歷元數(shù)不少于20個(gè)，采樣間隔2～5s，各次測(cè)量的平面坐標(biāo)較差不大于±4cm。

　　高程控制測(cè)量采用四等幾何水準(zhǔn)測(cè)量的方法，利用現(xiàn)有水平控制點(diǎn)RTK數(shù)據(jù)，在上海市測(cè)繪基準(zhǔn)服務(wù)平臺(tái)CORS精化出吳淞高程，其中以1個(gè)控制點(diǎn)高程引測(cè)其它控制點(diǎn)，水準(zhǔn)測(cè)量成果符合規(guī)范要求。

　　本項(xiàng)目高程控制測(cè)量采用四等幾何水準(zhǔn)法測(cè)量實(shí)施，以閉合水準(zhǔn)線路用電子水準(zhǔn)儀(天寶DiNi03)施測(cè)，線路長度1.02km，允許誤差20mm，施測(cè)閉合差0.06mm，閉合差滿足四等水準(zhǔn)精度±20■L的要求。本項(xiàng)目為無人傾斜攝影測(cè)量與傳統(tǒng)人工測(cè)量2種作業(yè)模式的數(shù)據(jù)精度比對(duì)，故所用控制點(diǎn)、像控點(diǎn)及檢核點(diǎn)均用相同方法施測(cè)。傳統(tǒng)人工測(cè)量控制點(diǎn)布設(shè)4個(gè)，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量像控點(diǎn)間距為150米，共布設(shè)4個(gè)，像控檢查點(diǎn)6個(gè)，與像控點(diǎn)距離由近及遠(yuǎn)布設(shè)。

　　2.4無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量

　　首先根據(jù)測(cè)區(qū)范圍KML文件現(xiàn)場(chǎng)踏勘，布設(shè)像控點(diǎn)、檢查點(diǎn);根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境規(guī)劃航線、航高，設(shè)計(jì)航高100m，分辨率13.7208mm/pixel，航向和旁向重疊度分別為80%、75%，航線外擴(kuò)測(cè)區(qū)1倍的航高即外擴(kuò)100m，共計(jì)采集3345張影像。像控點(diǎn)布設(shè)4個(gè)，檢查點(diǎn)由近到遠(yuǎn)布設(shè)6個(gè)具體布設(shè)。

　　2.5空三計(jì)算

　　無人機(jī)外業(yè)影像好后，利用SkyScanner導(dǎo)出傾斜相機(jī)數(shù)據(jù)同時(shí)寫入位置信息、相機(jī)相關(guān)參數(shù)及姿態(tài)矯正等信息生成工程區(qū)塊索引、空三任務(wù)xml文件，一鍵導(dǎo)入瞰景Smart3D進(jìn)行空三計(jì)算。空三計(jì)算一般分為2次計(jì)算，第1次為姿態(tài)輔助平差模式，計(jì)算完成后導(dǎo)入自定義坐標(biāo)系文件prj，然后導(dǎo)入像控點(diǎn)、檢查點(diǎn)進(jìn)行刺點(diǎn)工作，完成后啟動(dòng)第2次空三計(jì)算，以控制點(diǎn)平差方式計(jì)算，控制點(diǎn)水平誤差中位數(shù)8.4mm、高程誤差中位數(shù)0.7mm，檢查點(diǎn)水平誤差中位數(shù)35mm，高程誤差0.3mm，模型相對(duì)精度滿足相關(guān)要求。

　　2.6三維建模成果及DLG線化圖生產(chǎn)瞰景

　　Smart3D三維重建完成后生成三維傾斜模型OSGB成果，采用Cass3D三維測(cè)圖軟件進(jìn)行DLG線化圖生產(chǎn)任務(wù)，提取的道路特征點(diǎn)(如人行道橫線角點(diǎn)、車行道可變車道線角點(diǎn)、行駛方向指示線角點(diǎn)等)，本著均勻分布原則共計(jì)提取887個(gè)特征點(diǎn)。另安排傳統(tǒng)人工測(cè)量方式測(cè)量相應(yīng)點(diǎn)位坐標(biāo)進(jìn)行后期成果精度比對(duì)。

　　2.7精度分析

　　2.7.1特征點(diǎn)分析

　　對(duì)三維模型提取的特征點(diǎn)比對(duì)人工全站儀測(cè)量的相應(yīng)特征點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算分析，經(jīng)計(jì)算平面中誤差3.3cm，高程中誤差1.9cm。其中高程中誤差3cm以內(nèi)檢查點(diǎn)占72%，5cm以內(nèi)檢查點(diǎn)占93%。

　　2.7.2道路斷面數(shù)據(jù)分析

　　根據(jù)模型中提取斷面對(duì)比人工全站儀實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比，斷面對(duì)比抽取2處，其中實(shí)測(cè)寬度分別為12.10m和14.00m，模型量測(cè)值分別為12.11m和14.01m，道路寬度差值、斷面高程差值均1cm左右，滿足相關(guān)要求。

　　2.8工作效率分析

　　無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量:外業(yè)布設(shè)像控點(diǎn)及外業(yè)飛行2人組用時(shí)2h，內(nèi)業(yè)集群建模用時(shí)4.5h左右，三維測(cè)圖用時(shí)1.5h，共計(jì)8h左右完成全部作業(yè)，提交成果DLG線畫圖、三維模型、點(diǎn)云、正射影像等眾多成果。傳統(tǒng)人工測(cè)量:外業(yè)控制點(diǎn)布設(shè)及地形測(cè)量3人組用時(shí)2個(gè)工作日15h左右，內(nèi)業(yè)地形圖繪制用時(shí)2h，提交DLG線畫圖成果。無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量工作效率提升近3倍，大面積測(cè)繪效率提升更為明顯，且同時(shí)成果生成更為豐富，優(yōu)勢(shì)明顯高于傳統(tǒng)測(cè)量手段。

　　3結(jié)語

　　(1)采用人工測(cè)繪手段對(duì)無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量大量特征點(diǎn)進(jìn)行了檢核，成果表明無人機(jī)飛行高度在80～100m、像控點(diǎn)間距在150m以內(nèi)、地面分辨率在1.5cm以內(nèi)時(shí)，利用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量進(jìn)行城市道路測(cè)繪可獲取±5cm的平面及高程精度。(2)無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量誤差除無人機(jī)飛控平臺(tái)、鏡頭及作業(yè)中的航高、重疊率等影響外，在三維測(cè)圖進(jìn)行DLG線劃圖生產(chǎn)時(shí)，不同技術(shù)人員在數(shù)據(jù)采編過程中對(duì)點(diǎn)、線、面的捕捉經(jīng)驗(yàn)不同對(duì)生產(chǎn)的線劃圖精度影響較為明顯，隨著無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量相關(guān)軟、硬件產(chǎn)品技術(shù)水平的提升，技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)水平成為DLG成果精度的主導(dǎo)因素。

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　　作者：石磊

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