無人機(jī)傾斜攝影測量在城市建筑物竣工測量中的應(yīng)用

盧海城

（龍巖市勘察測繪大隊(duì)， 福建 龍巖 364000）

0 引言

隨著城市經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展，城市規(guī)劃在城市建設(shè)中扮演的角色越來越重要。作為城市建筑工程監(jiān)督測量中必不可缺的環(huán)節(jié)，竣工驗(yàn)收測量能夠?yàn)橄嚓P(guān)規(guī)劃行政部門提供必要的依據(jù)，并具備法律意義與權(quán)威性。傾斜攝影測量技術(shù)通常是指借助相同飛行平臺(tái)來進(jìn)行傳感器搭載，同時(shí)從四個(gè)傾斜與一個(gè)垂直這五個(gè)角度來進(jìn)行圖像采集，該類技術(shù)結(jié)合低空多視鏡頭以完成高清立體影像數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)立體地理信息模型的自動(dòng)生成。本文所研項(xiàng)目是以傾斜攝影測量與實(shí)景建模技術(shù)融入到現(xiàn)有竣工測量技術(shù)的路線中，形成一種新的竣工測量作業(yè)方式，該作業(yè)方式可以降低相關(guān)人員的野外工作量，盡可能在室內(nèi)完成實(shí)景要素的采集。最后，技術(shù)人員必須要進(jìn)行科學(xué)的調(diào)繪與補(bǔ)測，最后得出適應(yīng)要求的竣工測量數(shù)據(jù)。

1 技術(shù)原理分析

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)是通過獲取地面目標(biāo)五個(gè)方向的信息，將這五個(gè)方面的信息進(jìn)行融合建模，和傳統(tǒng)攝影方法的只采集一個(gè)方面信息有著很大區(qū)別，同時(shí)結(jié)合了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，更加準(zhǔn)確地獲取無人機(jī)的位置和姿態(tài)信息，完成外業(yè)的無人機(jī)數(shù)據(jù)獲取。在內(nèi)業(yè)過程中，借助特定的三維建模軟件進(jìn)行內(nèi)定向、相對(duì)定向、絕對(duì)定向等數(shù)據(jù)處理，完成實(shí)景三維模型的建設(shè)。無人機(jī)攝影測量有許多優(yōu)點(diǎn)，大致可分為三類。

1.1 精度高

從無人機(jī)傾斜攝影測量的工作原理出發(fā)，從正攝、前、后、左、右五個(gè)方向進(jìn)行工作，它從不同角度對(duì)地物的特征進(jìn)行綜合測量，更真實(shí)地反映了地物的實(shí)際情況，使數(shù)據(jù)可用，結(jié)果與真實(shí)世界無限接近，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測量方法的不足。

1.2 可實(shí)現(xiàn)性

無人機(jī)傾斜攝影可采用支撐部件，所獲得的數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)測量地面物體的高度、長度、面積和角度。

1.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)越性

與傳統(tǒng)的無人機(jī)測量方法相比，無人機(jī)傾斜攝影測量有其獨(dú)特的優(yōu)勢，如獲取的建筑物標(biāo)高信息更為豐富；在獲取建筑立面信息時(shí)具有建筑表面的紋理信息，在三維模型的構(gòu)建中起著重要的作用。

2 測量技術(shù)流程

2.1 測量儀器與軟件

與傳統(tǒng)竣工測量不同的是，外業(yè)工作主要是借助無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)來獲取數(shù)據(jù)，同時(shí)會(huì)制作像控點(diǎn)來滿足無人機(jī)傾斜攝影測量的要求，無人機(jī)從建筑物的五個(gè)方位獲取目標(biāo)的詳細(xì)信息，滿足竣工測量的精度要求。然后，內(nèi)業(yè)處理也是與傳統(tǒng)竣工測量有責(zé)很大的區(qū)別，傳統(tǒng)竣工測量側(cè)重于在CAD 上面進(jìn)行竣工地形數(shù)據(jù)的采集，而采用傾斜攝影測量之后，側(cè)重于實(shí)景三維模型的搭建及基于實(shí)景三維模型的下的地形圖資料生產(chǎn)。它主要是以相關(guān)影像資料、定位信息與相機(jī)參數(shù)等數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)支撐，借助專業(yè)三維重建軟件在全數(shù)字測量工作站以實(shí)現(xiàn)空中的三角測量，接著完成實(shí)景三維模型的重建工作。

（1）無人機(jī)傾斜低空攝影技術(shù)

利用無人機(jī)的靈活性和可擴(kuò)展性，配置多個(gè)鏡頭完成拍攝并獲取地面數(shù)據(jù)，同時(shí)無人機(jī)應(yīng)具備定位及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，如果定位系統(tǒng)為后差分或?qū)崟r(shí)差分信息更好，能獲取更為精準(zhǔn)的無人機(jī)初始資料，為后續(xù)的內(nèi)業(yè)工作提高效率。

（2） GPS 虛擬基站技術(shù)

無人機(jī)航拍裝備后差分PPK 模塊，需要GPS 虛擬基站數(shù)據(jù)對(duì)POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行后差分校正。本項(xiàng)目的GPS 虛擬基站技術(shù)基于相關(guān)省份的CORS 系統(tǒng)，虛擬項(xiàng)目區(qū)域位置和飛行時(shí)間的靜態(tài)基站數(shù)據(jù)，目的是實(shí)現(xiàn)后差分姿態(tài)校正，提高衛(wèi)星定位精度初始POS 值，同時(shí)在像控點(diǎn)測量時(shí)主要也是基于該系統(tǒng)。

（3）實(shí)體三維模型重建技術(shù)

利用真實(shí)三維建模技術(shù)，建立各塊的真實(shí)三維模型，并將現(xiàn)場真實(shí)場景移入室內(nèi)進(jìn)行多角度顯示和映射。利用航拍結(jié)果匹配真實(shí)地表的DSM，在進(jìn)行三維建模的同時(shí)可以得到包括建筑物和其他高于地面的物體在內(nèi)的各個(gè)位置側(cè)面的真實(shí)紋理。通過該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，獲得了真實(shí)的三維場景，為繪制竣工圖元素的飛行映射創(chuàng)造了基本環(huán)境。

（4）三維模型測量與傳統(tǒng)測量相結(jié)合

傳統(tǒng)的三維模型測繪是利用航拍空間對(duì)低視角鏡頭進(jìn)行三維建模。在這種方法中，局部區(qū)域?qū)队安罘?，并進(jìn)入三維真實(shí)場景界面進(jìn)行三維真實(shí)場景模型映射。場景透視圖可以任意旋轉(zhuǎn)，消除投影差異，提高運(yùn)算速度并保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 應(yīng)用案例

3.1 工程概況

該測區(qū)位于龍巖市西片區(qū)，測區(qū)由36 棟中低層商品房構(gòu)成，周邊是其他住宅區(qū)，需要測繪的竣工面積約2.9 萬平方米 。采用大疆精靈4RTK 無人機(jī)實(shí)施航攝，深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司的DJI Terra 軟件進(jìn)行空中三角測量及全自動(dòng)三維建模，竣工地形圖使用航天遠(yuǎn)景的MapMatrix 5.0 平臺(tái)下的傾斜測圖模塊，在高精度三維模型的基礎(chǔ)上采集二維矢量信息。。

3.2 航線布設(shè)及數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)竣工測量要求的區(qū)域進(jìn)行以外擴(kuò)的方式確定飛行范圍，然后按照一定的參數(shù)進(jìn)行航線規(guī)劃設(shè)計(jì)，但是要保證航向重疊度保持在70%，旁向重疊度在60%。首先，航線布設(shè)采用攝影測量3D(井字飛行)，建筑物最高高度在30 米左右；其次，為了保證保證建筑物的邊緣能夠準(zhǔn)確的成實(shí)景三維模型，航線應(yīng)超出實(shí)際測區(qū)的邊界線至少一條基線。本項(xiàng)目共布設(shè)航線32 條，航向重疊度設(shè)置為75%，旁向重疊度設(shè)置為65%，飛行高度為60 m，計(jì)算的地面分辨率為1.50 厘米。。

本項(xiàng)目飛行5 個(gè)架次，共獲取5 組傾斜影像數(shù)據(jù)，共計(jì)990 張照片。

3.3 空三加密自動(dòng)建模

在DJI Terra 中新建工程，添加843 張影像數(shù)據(jù)，POS 信息自動(dòng)識(shí)別，建圖場景選擇普通場景，重建清晰度選擇高，模型選擇OSGB 格式，輸出坐標(biāo)系選擇CGCS2000-3-degree-Gauss-Kruger-CM-117E，像控點(diǎn)管理中導(dǎo)入像控點(diǎn)并進(jìn)行刺點(diǎn)，然后進(jìn)行空三計(jì)算，空三結(jié)算成功后開始自動(dòng)建模，最后重建三維傾斜模型

3.4 矢量測圖

采用航天遠(yuǎn)景的MapMatrix 5.0 平臺(tái)下的傾斜測圖模塊，它可以基于傾斜數(shù)據(jù)直接對(duì)建筑物矢量、點(diǎn)狀地物進(jìn)行測量。采集過程中按照地形圖規(guī)范，嚴(yán)格遵地物的不同編碼，以便更好的導(dǎo)入CASS 進(jìn)行成圖。

3.5 成果精度分析

嚴(yán)格按照《城市測量規(guī)范》中建筑竣工測量地形圖的測量精度要求可知，竣工測量的主要地物點(diǎn)相對(duì)于臨近圖根點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不大于50 mm，次要地物點(diǎn)相對(duì)于臨近圖根點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不大于70 mm，地物點(diǎn)間距中誤差不大于50 mm。高程點(diǎn)相對(duì)于臨近圖根點(diǎn)的高程中誤差不大于40 mm。

(1)實(shí)測小區(qū)內(nèi)分布均勻的建筑物拐角坐標(biāo)點(diǎn)29 個(gè)、高程點(diǎn)14 個(gè)，統(tǒng)計(jì)點(diǎn)位中誤差。

(2)實(shí)量小區(qū)內(nèi)分布均勻的建筑物、構(gòu)筑物邊長或間距25 條。

4 結(jié)論

在工程竣工測量中，采用無人機(jī)傾斜攝影測量可以滿足測繪精度要求，提高測繪效果和生產(chǎn)效率，豐富測繪成果。但它也有一些局限性。地面分辨率的缺乏將影響制圖的精度。在今后的研究工作中，需要充分結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際情況和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，完善無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)。