傾斜攝影測量技術在高速公路建設中的應用

王 旭, 陶 鵬

(安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

傾斜攝影測量技術是國際測繪遙感領域近幾年發(fā)展起來的一項高新技術[1]，它打破了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，可同時從垂直、傾斜等不同角度對地進行影像采集，不僅能夠真實的反映建筑物頂部的信息，同時也能從側面角度觀測到地物的立面信息，獲取更為完整的地物對象紋理信息。通過三維重建技術，精確還原影像獲取時刻地物的三維實景模型，受到各單位廣泛歡迎和大量應用[2-4]。

與此同時，高速公路沿線區(qū)域高程起伏大且呈帶狀分布，為發(fā)揮現(xiàn)代測繪遙感和空間信息技術在工程管理中的作用[5]，我省合肥至樅陽高速公路建設將傾斜攝影測量技術引入該項目，要求在公路初步設計階段統(tǒng)籌應用BIM技術和GIS技術進行方案研究和論證，提高方案比選的全面性和針對性，旨在通過跟蹤BIM技術應用，把握推進過程中的難點和關鍵環(huán)節(jié)，總結和提煉示范工程經驗，優(yōu)化建設管理組織流程。

1 總體技術思路

通過無人機搭載傾斜攝影設備，獲取工程范圍內的道路、構筑物等高精度影像數(shù)據(jù)。同時，對沿線內進行高精度的控制信息采集，將影像數(shù)據(jù)和控制點信息導入自動建模軟件，構建具有準確地物地理位置信息的真實三維空間場景?；趯嵕叭S模型表達的測區(qū)內地形地貌與建筑詳細細節(jié)特征，直觀、準確地輔助公路高速勘察設計。

2 基于帶狀工程的數(shù)據(jù)采集、處理關鍵技術

合樅高速全長約134 km,項目區(qū)域走勢總體特征是兩端低，中間高，地形地貌條件復雜。針對本項目特點，本文進行了嚴密、細致的技術分析和部署。本項目無人機數(shù)據(jù)采集與處理流程總體分為航測前準備工作、地面控制點測量、數(shù)據(jù)采集、三維重建、精度驗證等步驟，如圖1所示。

圖1 關鍵技術流程

2.1 像控點采集

針對帶狀區(qū)域特點、本次像控布設一方面需保證整體數(shù)據(jù)成果精度、另一方面需保證不同架次或相鄰內業(yè)處理區(qū)域之間不出現(xiàn)模型二義性現(xiàn)象(分層、錯位)。基于以上兩點考慮，在無人機架次規(guī)劃的基礎上，將控制點位均勻地布設至架次接邊處，如圖2所示。

圖2 像控點布設示意圖

2.2 影像數(shù)據(jù)采集

本項目飛行平臺采用了大疆M600pro旋翼無人機，相機采用了兩鏡頭傾斜相機[6]。兩鏡頭傾斜相機的雙相機搖擺工作模式，能夠大大減輕重量，提高續(xù)航時間，從而提高數(shù)據(jù)采集的效率。

根據(jù)地面分辨率5 cm以內的要求，綜合研究后采用像片重疊度航向為85%，旁向為70%；航線彎曲度不大于5%；同一航線上相鄰像片的航高高差不應大于20 m；最大航高與最小航高之差不應大于50 m。航攝分區(qū)內實際航高與設計航高不應大于300 m。

2.3 數(shù)據(jù)處理

由于本項目是帶狀測區(qū)，以30 km為單元進行整體重建，其中每一個架次的數(shù)據(jù)必須進行無縫連接。按照既有項目經驗，空三采用四架次為一個處理單元進行計算。由于測區(qū)內存在大面積的連續(xù)森林區(qū)域，在光照、拍攝角度變化的情況下，空三中特征提取與匹配環(huán)節(jié)容易出錯，導致空三失敗，嚴重影響工期。Hartmann等[7]提出在不影響匹配精度的條件下，對提取的特征點進行分類，僅將穩(wěn)健的特征點進行匹配，極大地提高了空三成功率，在大面積森林區(qū)域尤其顯著。

同時通過自動化軟件重建的模型由于地形條件和軟件算法本身的問題，原始模型會出現(xiàn)不完整懸浮和少量連接的破碎面，同時水域處會出現(xiàn)大量空洞，這給對模型的可視化和后續(xù)的帶來了很大的不利。本項目采用了國產自主研發(fā)軟件進行碎片和空洞進行處理，取得了顯著的效果,如圖3、圖4所示。

圖3 底部碎片去除

圖4 水域空洞處理

由于本項目途徑多個縣市，采集時間跨度大，周期長，所以模型重建過程中色差明顯，反差較大，在最終交付時不利于地物解譯和可視化效果。經過研究，創(chuàng)新性地提出了一套勻光勻色處理方法。首先通過實景三維模型生產低分辨率正射影像；其次，利用PhotoShop軟件手動對正射影像進行勻色勻光處理；最后，利用調整后的低分辨率正射影像作為參照，通過模型紋理UV值與正射影像的建立對應關系，對三維模型紋理進行勻色勻光處理。

3 傾斜攝影測量工程應用

本項目所獲取的傾斜攝影測量數(shù)據(jù)是具有測繪級的高分辨率三維模型，模型可應用于公路工程建設的各個方面。結合合樅高速的實際需求，我們開展了以下幾種應用。

3.1 方案比選

在工可建設。方案比選階段，傳統(tǒng)方式是在谷歌影像和1∶10000地形圖進行設計，實地踏勘不全面，往往不能充分考慮設計中所要獲取的控制因素。傾斜攝影測量模型具有分辨率高，現(xiàn)勢性高的優(yōu)點，在傾斜模型上進行方案設計，可以直觀地掌握方案與周邊環(huán)境的相關關系，快速響應方案優(yōu)化。

3.2 輔助外勘

利用傾斜攝影測量模型的直觀性、現(xiàn)勢性和精確性，設計階段可以利用模型進行輔助外勘。遇到雨雪不利天氣，或者人員不易到達地區(qū)，利用傾斜模型可以在室內進行判讀，展開對房屋征拆、被交道路溝渠和桿線等工程范圍內的調查，提高了工作效率，減小了野外工作風險。經過測算，利用傾斜模型輔助外勘(圖5),縮短外勘周期40%，外業(yè)人員減少了50%，在保證外業(yè)質量和精度的前提下，延長了內業(yè)設計的時間，為精細化設計提供了保障。

圖5 輔助設計外勘

3.3 設計環(huán)境校核

公路工程建設與周邊地形地貌、環(huán)境和經濟社會等多種因素息息相關，借助傾斜模型我們可以高效準確地還原工程范圍內的場景。將工程模型與傾斜模型融合，借助BIM+GIS平臺系統(tǒng)，可對公路建設中的改路改溝、桿線遷移、放坡條件和通道涵洞的限界復核等進行設計校核(圖6)。在合樅高速施工圖上設計中，配合專業(yè)分院完成了各類設計校核工作，提高了精細化設計水平，減少了外業(yè)復核。

圖6 設計校核

3.4 工程模擬

CAD二維方式往BIM三維協(xié)同方式轉變是三維成果的展現(xiàn)，傳統(tǒng)設計成果往往都是各種平面圖或者渲染效果圖，表現(xiàn)方式依靠設計說明或者設計交底，直觀性不強，表現(xiàn)力不足，非專業(yè)人員不能第一時間領會設計意圖。合樅高速項目完成并固化了行車線形模擬、施工組織模擬、中央分隔帶防眩模擬、標志標牌設計模擬和隧道安全模擬五大類工程模擬，將建成后的工程實體模型化，內嵌到真實場景傾斜模型中，實現(xiàn)了真正意義上的仿真模擬(圖7)。

圖7 行車仿真模擬

4 結束語

合樅高速作為交通部首批BIM示范工程項目，傾斜攝影測量技術的應用作為技術創(chuàng)新點之一尤為的重要，同時對于該技術在后續(xù)項目的深入應用也起到了很好的探索作用。本文介紹了適合于帶狀公路工程的傾斜攝影測量外業(yè)采集和內業(yè)數(shù)據(jù)處理的方式，同時闡述了該技術在設計階段的實際應用。