無(wú)人機(jī)傾斜攝影在道路工程中的應(yīng)用與分析

潘成軍

(重慶市勘測(cè)院，重慶 401121)

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展促進(jìn)城市化建設(shè)進(jìn)程，人們生產(chǎn)生活依附于城市網(wǎng)絡(luò)化格局的路網(wǎng)交通，測(cè)繪空間地理信息為道路建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、管理提供強(qiáng)有力支撐。在道路的現(xiàn)狀測(cè)繪中具有以下特點(diǎn)和局限：①運(yùn)營(yíng)飽和、車(chē)流大，測(cè)繪生產(chǎn)作業(yè)存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)；②城市道路兩旁建筑密集，路標(biāo)、路牌、攝像頭、交通信號(hào)燈等附屬設(shè)施分布廣泛，測(cè)繪要素多；③普通大眾對(duì)道路實(shí)時(shí)性的需求，期盼新建道路早日通車(chē)，改建道路盡快通行，需要縮短道路建設(shè)與運(yùn)營(yíng)的時(shí)間間歇，對(duì)測(cè)量時(shí)限提出了更高要求；④社會(huì)管理對(duì)數(shù)據(jù)形式和精細(xì)化程度的要求不斷提升，已不再局限于對(duì)道路及附屬設(shè)施的矢量表達(dá)，對(duì)實(shí)景模型、街景影像、高清圖像都有了新的需求，對(duì)車(chē)道線(xiàn)、路向標(biāo)志、路面材質(zhì)、平整度等等都需要精細(xì)化表達(dá)?；谶@些綜合需求，傳統(tǒng)測(cè)繪中的平板測(cè)圖、全站儀測(cè)量，效率低、時(shí)間長(zhǎng)、成本高，對(duì)大比例尺道路現(xiàn)狀地形圖的快速獲取和更新已受到局限。

近年來(lái)，天、空、地一體化測(cè)繪技術(shù)飛速發(fā)展，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的誕生，顛覆傳統(tǒng)測(cè)繪的作業(yè)方式，推動(dòng)地形測(cè)繪向高科技、立體圖形、內(nèi)業(yè)測(cè)繪方向革命性的變化，解決由于天氣等外因造成的工作延誤，把原本大量的外業(yè)工作轉(zhuǎn)變成內(nèi)業(yè)工作，極大地減少測(cè)繪人的勞動(dòng)時(shí)間和勞動(dòng)強(qiáng)度。傾斜攝影技術(shù)在數(shù)字城市建設(shè)、應(yīng)急救災(zāi)及文物保護(hù)等方面得到應(yīng)用，但無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在城市道路現(xiàn)狀大比例地形圖測(cè)繪的應(yīng)用研究具有價(jià)值。

1 傾斜攝影原理及特點(diǎn)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是通過(guò)在無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)數(shù)碼相機(jī)，同時(shí)從垂直和傾斜多個(gè)不同的角度采集高分辨率影像，一般常用的是五鏡頭傾斜攝影系統(tǒng)，結(jié)合無(wú)人飛行平臺(tái)搭載的GPS/IMU系統(tǒng)獲取POS數(shù)據(jù)和像控點(diǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)相關(guān)軟件處理數(shù)字表面模型、數(shù)字正攝影像和三維模型。

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)[1]具有多種特點(diǎn)：①立體成果真實(shí)，對(duì)于地面周?chē)姆从撤先祟?lèi)感知[2]；②為建模提供真實(shí)、豐富的紋理信息；③可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。同時(shí)，無(wú)人機(jī)作為一種新型的低空遙感對(duì)地觀(guān)測(cè)手段，具有易于操控、獲取影像周期短、作業(yè)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等特性[3]?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取實(shí)景三維模型，用矢量繪圖平臺(tái)基于模型提取地形圖要素，有效避免傳統(tǒng)作業(yè)方式強(qiáng)度大、效率低、周期長(zhǎng)和重復(fù)測(cè)量等弊端，極大提升了生產(chǎn)效率，滿(mǎn)足工程建設(shè)、項(xiàng)目管理、規(guī)劃設(shè)計(jì)等對(duì)地形圖的需要，應(yīng)用前景廣泛。

2 設(shè)備選擇及技術(shù)路線(xiàn)

2.1 設(shè)備選擇

傾斜攝影技術(shù)具有“效率高、成本低、數(shù)據(jù)精確、操作靈活”等優(yōu)勢(shì)，受到很多單位的青睞，但根據(jù)設(shè)備的價(jià)格差異和工程需求不同可選用不同的設(shè)備，本文采用大疆八旋翼無(wú)人機(jī)搭載五拼傾斜相機(jī)進(jìn)行航攝，五拼傾斜相機(jī)“睿眼”云臺(tái)系統(tǒng)能同時(shí)獲取1個(gè)垂直和4個(gè)傾斜角度的高清影像，每個(gè)相機(jī)的像幅大小為5 456像素×3 632像素，像幅大、像素高。數(shù)據(jù)處理軟件的選擇主要包括兩種，一種是圖像的處理、一種是圖形的處理，圖像處理采用Smart3D軟件進(jìn)行空三加密、全自動(dòng)三維建模生成DSM模型，圖形繪制采用EPS地理信息工作站進(jìn)行矢量地形要素提取及圖形編輯。

2.2 技術(shù)路線(xiàn)

根據(jù)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的技術(shù)特點(diǎn)及相關(guān)要求制定作業(yè)流程，如圖1所示。

圖1 傾斜攝影技術(shù)路線(xiàn)

3 工程應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

本文以?xún)蓚€(gè)生產(chǎn)項(xiàng)目為例研究?jī)A斜攝影測(cè)量技術(shù)在道路現(xiàn)狀測(cè)繪中的應(yīng)用及精度分析，圖2為重慶市陳家橋公租房周邊道路工程包括縱、橫7條道路，總長(zhǎng)12 km，圖3為重慶大學(xué)城賴(lài)家橋立交項(xiàng)目，包括西雙大道、渝遂高速2條主線(xiàn)和8條匝道及斜跨地鐵一號(hào)線(xiàn)，航飛面積約2.5 km2，全要素采集地表實(shí)景地形圖基本要素和交通標(biāo)志信息，對(duì)采集的無(wú)人機(jī)傾斜影像、POS數(shù)據(jù)及空三成果，采用Smart3D自動(dòng)三維建模，輸出的模型如圖2和圖3所示。

圖2 陳家橋公租房道路工程實(shí)景模型

圖3 賴(lài)家橋立交實(shí)景模型

傾斜攝影實(shí)景模型影像質(zhì)量良好、分辨率高、紋理清晰、無(wú)大面積噪聲、條紋，依據(jù)模型可多角度、多尺度瀏覽和量測(cè)。

3.2 技術(shù)步驟

以EPS地理信息工作站為矢量繪圖平臺(tái)，通過(guò)底層開(kāi)發(fā)在繪圖平臺(tái)中內(nèi)置測(cè)圖模塊，利用傾斜攝影模型進(jìn)行高精度大比例尺地形數(shù)據(jù)的矢量采集工作，無(wú)需佩戴立體眼鏡，根據(jù)影像及自動(dòng)空三生成的三維模型直接定位地物要素的三維信息。軟件內(nèi)置地類(lèi)地物屬性模塊實(shí)現(xiàn)要素編碼分類(lèi)，經(jīng)整理形成1∶500現(xiàn)狀地形圖。

3.2.1 模型一鍵承載

基于矢量繪圖平臺(tái)底層結(jié)構(gòu)優(yōu)化和算法研究，采用四叉樹(shù)組織結(jié)構(gòu)，“金字塔模型”自主實(shí)現(xiàn)模型一鍵承載、快速瀏覽，解決海量?jī)A斜數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求高的瓶頸問(wèn)題，為后續(xù)模型快速瀏覽、數(shù)據(jù)制作奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

金字塔層次模型表示多分辨率級(jí)別的分層模型，采用縱向分層，橫向分塊的策略來(lái)構(gòu)建。金字塔每一層代表一個(gè)分辨率級(jí)別，從上往下分辨率越來(lái)越高(數(shù)值越來(lái)越小)，但每一層表示的范圍都是整個(gè)原始地形的范圍。金字塔各層的分辨率之間存在一個(gè)倍率關(guān)系，通常取倍率取為2(便于采用四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)組織數(shù)據(jù))。各級(jí)層次模型的分辨率計(jì)算可用公式來(lái)表示。設(shè)原始地形的分辨率為r，原始地形高程文件大小為n×n，塊邊長(zhǎng)為m，則第0層的分辨率r0為

(1)

對(duì)于多級(jí)分辨率層次來(lái)說(shuō)，分層數(shù)越多，就越逼近原始地形的精度，在構(gòu)建過(guò)程中，需要注意最高級(jí)別不要超過(guò)原始分辨率層次，以免在地形構(gòu)建時(shí)出現(xiàn)擠壓變形現(xiàn)象。金字塔層次模型最大的分層數(shù)L可計(jì)算：

L=[log2(n-1)/m]+1.

(2)

3.2.2 模型切割顯示

航飛過(guò)程中，由于飛行因素影響、數(shù)據(jù)采集質(zhì)量、現(xiàn)場(chǎng)條件限制、建模選擇等原因，傾斜模型常常出現(xiàn)空洞、懸掛、扭曲等，因此需要對(duì)模型進(jìn)行切割處理，避免對(duì)后續(xù)數(shù)據(jù)提取存在影響。

3.2.3 道路邊線(xiàn)等線(xiàn)型地物特征提取

通過(guò)矢量繪圖環(huán)境對(duì)傾斜模型三維瀏覽，結(jié)合模型豐富的紋理信息，能夠有效識(shí)別路沿邊線(xiàn)、隔離帶等主要線(xiàn)性地物的類(lèi)型及走向，實(shí)現(xiàn)快速提取道路、花圃、斜坡、陡坎等線(xiàn)性地物的平面位置、高程及屬性特征，見(jiàn)圖4。

圖4 基于矢量繪圖平臺(tái)的道路邊線(xiàn)提取

3.2.4 建筑輪廓特征提取

建筑輪廓特征提取時(shí)，充分利用傾斜模型中建筑物側(cè)面數(shù)據(jù)量大、精度高的特點(diǎn)，通過(guò)給定建筑物側(cè)面基點(diǎn)自動(dòng)生成輪廓點(diǎn)功能，解決建筑物外輪廓點(diǎn)部位分辨率不高、特征提取定位不準(zhǔn)、精度不足等問(wèn)題。該功能不受同一高程平面限制，任意選取建筑物側(cè)面數(shù)據(jù)精度最佳位置作為給定基點(diǎn)，使建筑輪廓特征提取精度得到顯著提高，見(jiàn)圖5。

3.2.5 高程提取

實(shí)景模型以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復(fù)雜場(chǎng)景，通過(guò)高效的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程生成的模型成果能直觀(guān)反映地物外觀(guān)、位置、高程等屬性信息，所以通過(guò)實(shí)景影像可以快速提取斜坡地貌邊界及地面點(diǎn)高程，見(jiàn)圖6。

圖5 建筑外輪廓提取

圖6 高程提取

3.2.6 現(xiàn)狀地形圖編輯

基于傾斜攝影實(shí)景模型進(jìn)行現(xiàn)狀地形圖室內(nèi)生產(chǎn)，同樣遵循“先整體后局部”的作業(yè)原則，以測(cè)圖模塊自動(dòng)提取的建筑輪廓、線(xiàn)化地物為基礎(chǔ)，輔助人工識(shí)別進(jìn)行要素清繪，在EPS地理信息工作站繪圖環(huán)境中，能實(shí)現(xiàn)二維矢量平面圖與三維模型場(chǎng)景分屏顯示，模型、矢量、影像同步聯(lián)動(dòng)，點(diǎn)、線(xiàn)、面隨心編輯，達(dá)到了二、三維顯示一體化、符號(hào)一體化、編輯一體化，實(shí)現(xiàn)1∶500數(shù)字地形圖室內(nèi)交互式測(cè)繪。

地形圖編輯檢查環(huán)節(jié)，需對(duì)點(diǎn)地物遺漏、線(xiàn)地物缺失、面地物不全等進(jìn)行地毯式搜索、逐步清理完善，依據(jù)相關(guān)規(guī)范在精度允許范圍內(nèi)進(jìn)行適宜的綜合取舍，正確處理各要素表述及邏輯關(guān)系，各種注記位置正確，字體規(guī)格符合圖式和設(shè)計(jì)要求，使其地物形象逼真、地貌自然真實(shí)，能正確反映測(cè)區(qū)的人文、地理景觀(guān)生成地形圖，見(jiàn)圖7和圖8。

4 基于傾斜攝影測(cè)量三維模型現(xiàn)狀地形圖的精度分析

4.1 測(cè)量精度要求

大比例尺地形圖質(zhì)量檢查主要包括數(shù)學(xué)精度、屬性精度、數(shù)據(jù)正確性及要素完備性、整飾質(zhì)量及附件質(zhì)量檢查，依據(jù)《城市測(cè)量規(guī)范》(CJJ/T8-2011)相關(guān)要求：平地、丘陵地帶地物點(diǎn)相對(duì)于鄰近平面控制點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不超過(guò)圖上0.5 mm(1∶500地形圖則為0.25 m)，城市建筑區(qū)基本等高距為0.5 m的平坦地區(qū)，1∶500地形圖高程注記點(diǎn)相對(duì)于鄰近圖根點(diǎn)的高程中誤差不應(yīng)大于0.15 m。

4.2 成果精度檢測(cè)

項(xiàng)目成果檢測(cè)采用全野外數(shù)字化實(shí)測(cè)成果與傾斜攝影內(nèi)業(yè)提取成果比對(duì)的方法進(jìn)行精度評(píng)定，檢查要素包含房屋、圍墻、燈桿、道路、花圃、溝渠、陡坎和地形高程點(diǎn)等。成果精度檢查內(nèi)容包括平面精度、高程精度及邊長(zhǎng)精度。項(xiàng)目共設(shè)站檢查979點(diǎn)，其中平面檢查點(diǎn)598點(diǎn)，高程檢查381點(diǎn)，邊長(zhǎng)檢查68條邊。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與傾斜模型提取數(shù)據(jù)相比較，誤差分布及精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示，數(shù)據(jù)較差見(jiàn)圖9。

圖7 基于模型生成陳家橋公租房道路現(xiàn)狀地形

圖9 檢測(cè)數(shù)據(jù)較差分布

通過(guò)誤差分布得出：檢查點(diǎn)平面中誤差為0.13 m，高程點(diǎn)中誤差0.14 m，邊長(zhǎng)中誤差0.15 m，基于傾斜模型提取數(shù)據(jù)中誤差小于相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)限差，檢查點(diǎn)分布均勻，密度合理，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，能夠反映地形圖精度情況。

表1 道路地形圖精度檢測(cè)統(tǒng)計(jì)表

4.3 誤差分析

1)原始像片分辨率不足的航攝誤差。由于無(wú)人機(jī)傾斜攝影受地理?xiàng)l件局限、安全飛行高度影響以及設(shè)備精度、航攝參數(shù)設(shè)置等綜合因素制約，可能造成原始像片分辨率不足，因此，根據(jù)方案設(shè)計(jì)對(duì)地形圖精度的要求，通過(guò)優(yōu)化航飛參數(shù)( 降低航高、換長(zhǎng)焦鏡頭等)[4]，可以提高獲取影像的地面分辨率，從而進(jìn)一步提高相關(guān)數(shù)據(jù)成果精度。

2)空三加密匹配引起的模型誤差。傾斜航空攝影后期數(shù)據(jù)影像匹配時(shí)，因傾斜影像的攝影比例尺不一致、分辨率差異、地物遮擋等因素導(dǎo)致獲取的數(shù)據(jù)中含有較多的粗差，嚴(yán)重影響后續(xù)影像空三精度[5]。然而，如何利用傾斜攝影測(cè)量中包含的大量冗余信息進(jìn)行數(shù)據(jù)的高精度匹配是提高傾斜攝影技術(shù)實(shí)用性的關(guān)鍵，可通過(guò)人工干預(yù)方式將空三成果精度優(yōu)化到最佳[6]。

3)人工采集操作產(chǎn)生的成圖誤差?；趦A斜模型的地形要素人工采集產(chǎn)生的誤差是一個(gè)比較重要的成圖誤差來(lái)源，采集時(shí)影像圖上1個(gè)像素的誤差，實(shí)地距離就是3～5 cm，另一方面，當(dāng)某一地物不在同一高程面時(shí)，會(huì)因?yàn)橐暡钤斐墒噶坎杉牟粶?zhǔn)確，此時(shí)需要作業(yè)員根據(jù)不同角度的影像圖進(jìn)行局部調(diào)整。因此，提高作業(yè)員作業(yè)經(jīng)驗(yàn)和操作熟練度，可提升矢量采集成果的精度。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影獲取影像數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)，通過(guò)Smart3D軟件生成實(shí)景三維模型，在EPS矢量繪圖平臺(tái)中，開(kāi)發(fā)定制測(cè)圖功能模塊，實(shí)現(xiàn)道路現(xiàn)狀地形圖室內(nèi)繪制，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的影像快速拼接、模型制作、地形要素提取等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行了算法研究和程序結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提升了作業(yè)效率，形成了一套利用多旋翼無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)測(cè)繪道路現(xiàn)狀地形圖的作業(yè)體系。工程應(yīng)用案例中的道路1∶500現(xiàn)狀地形圖滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范精度要求，測(cè)繪成果科技含量高、產(chǎn)品附加值大。項(xiàng)目實(shí)踐對(duì)擁堵的城市道路現(xiàn)狀地形圖測(cè)繪提供了一種新的技術(shù)方案，也可對(duì)日后無(wú)人機(jī)傾斜攝影生產(chǎn)應(yīng)用提供一定的參考價(jià)值，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)這種“大范圍、全要素、高精度、全紋理”的空間表達(dá)方式未來(lái)將在智慧城市、規(guī)劃、國(guó)土、交通等多個(gè)行業(yè)得到充分應(yīng)用。