地面三維激光掃描與無人機傾斜攝影高壓鐵塔精度比較*

郭凱寧，彭 雄，萬程輝

（1.江西省鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架質(zhì)量檢驗中心，江西 撫州 344000；2.南昌工程學院 水利與生態(tài)工程學院，江西 南昌 330099）

1 引言

地面三維激光掃描技術(shù)能夠快速獲取高壓鐵塔表面的三維坐標數(shù)據(jù)，具有精度高、數(shù)字化、高效率、適用性廣等特點。然而，由于地形的限制，盲區(qū)往往難以收集數(shù)據(jù)。無人機傾斜攝影測量具有高機動性、靈活性和安全性的優(yōu)點，低空作業(yè)可以獲得高分辨率圖像，并且周期短、效率高，其可以快速方便地獲取各種高壓鐵塔與地形數(shù)據(jù)，但由于控制點和航高等因素的影響，得到的鐵塔數(shù)據(jù)精度較低。通過將上述兩種技術(shù)優(yōu)勢互補，形成了一種高效率、高精度、全方位的高壓鐵塔測量與三維建模的方案。

由于高壓鐵塔表面形狀不完整，需激光掃描點云數(shù)據(jù)與無人機影像數(shù)據(jù)融合匹配。文章通過在高壓鐵塔掃描區(qū)域中設(shè)置同名標志點，重新校正無人機影像數(shù)據(jù)同名點坐標，采用不同位置和不同數(shù)量的控制點，對無人機傾斜攝影高壓鐵塔三維模型與地面三維激光掃描三維高壓鐵塔模型，采用垂向偏差對點云精度進行對比，并分析垂向方向偏差量的大小區(qū)間分布，確定無人機影像點云的拼接精度。

2 三維激光掃描與無人機影像點云精度比較

通過在掃描區(qū)域設(shè)置3個以上同名標志控制點及地面三維激光掃描測站，采集無人機傾斜影像和三維激光掃描點云數(shù)據(jù)，使掃描點云與無人機影像數(shù)據(jù)統(tǒng)一在同一坐標系中。由于三維掃描數(shù)據(jù)與無人機影像數(shù)據(jù)對控制點精度要求較高，采用了高精度全站儀TCA2003進行地面標志點坐標測量，作為無人機影像空三控制點與激光掃描測站點坐標。

2.1 地面三維掃描點云數(shù)據(jù)處理

利用RIEGL VZ1000地面三維掃描儀和RiSCAN PRO掃描軟件，地面三維激光掃描儀采用儀器內(nèi)部坐標系，坐標原點為儀器中心，每次掃描數(shù)據(jù)由于儀器的架設(shè)位置不同因而坐標系不同，故要將不同測站的影像統(tǒng)一到相同的坐標系下。以第一站影像為基準，進行影像拼接。完成掃描數(shù)據(jù)的加載、掃描站坐標的導入、數(shù)據(jù)粗拼和精拼、點云數(shù)據(jù)的過濾和導出，點云鐵塔效果如圖1所示。

圖1 鐵塔點云數(shù)據(jù)

2.2 無人機影像點云數(shù)據(jù)處理

無人機影像由Context Capture軟件處理，通過幾何校正、空三加密、圖像匹配等處理，計算出高密度像素點云。通過導出LAS點云數(shù)據(jù)，導入Geomagic Qualify軟件，建立像素點云數(shù)據(jù)的測試對比網(wǎng)格模型。

2.3 無人機影像網(wǎng)格模型與全站儀坐標比較

采用大疆精靈4 Pro無人機與Altizure操控APP進行傾斜攝影測量，飛行設(shè)置航高為50m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%，相機傾斜角為45°，對斜坡進行了正射與傾斜5個方向的航帶攝影。在平地和坡度上設(shè)置10個標記控制點，選取其中6個作為空三控制點。激光掃描與無人機高壓鐵塔點云融合數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 激光掃描與無人機高壓鐵塔點云融合數(shù)據(jù)

無人機影像網(wǎng)格模型與全站儀坐標比較如表1所示。由表1可以看出，位于平地上的標志點誤差小于高壓鐵塔上的標志點誤差，且空三控制點的誤差小于非空三控制點的誤差。X和Y的中誤差分別為0.011m和0.011m。XY平面誤差為0.016m，高程Z的中誤差為0.020m，k7控制點Z值的最大誤差為0.031m，表明模型對高程誤差影響更大。

表1 無人機影像網(wǎng)格模型與全站儀坐標比較 單位：m

2.4 三維掃描數(shù)據(jù)與無人機影像網(wǎng)格模型比較

將地面三維激光掃描數(shù)據(jù)和無人機點云鐵塔數(shù)據(jù)分別導入Geomagic Qualify軟件。以三維激光掃描數(shù)據(jù)為參考，無人機影像數(shù)據(jù)為比較對象，對模型表面進行三維精度對比。

兩組數(shù)據(jù)垂向方向的剖面對比如圖3所示。三維激光點云與影像點云的垂向偏差量分布較為均勻，且差值在同一個方向上，但兩種模型存在一定的傾斜量。具體偏差區(qū)間分布規(guī)律如表2所示。由表2可知，在中間區(qū)域的-0.02與+0.02的偏差值占43%，最大區(qū)間的偏差不超過±0.052m，并且分布數(shù)量較少。通過截面點云區(qū)間分布的垂向偏差比較，地面三維激光掃描數(shù)據(jù)和無人機點云數(shù)據(jù)主要點云偏差在±0.02左右，說明通過標志控制點的校正，無人機影像點云數(shù)據(jù)精度可以接近三維掃描點云精度。

圖3 激光掃描與無人機點云鐵塔模型垂向偏差比較

表2 垂向分布點云的偏差區(qū)間分布

3 結(jié)束語

三維網(wǎng)格模型與傳統(tǒng)單點相比具有更全面的對比效果，由于三維激光掃描建立網(wǎng)格模型精度更高，以掃描點云構(gòu)建網(wǎng)格模型為參考模型，對比無人機影像網(wǎng)格模型位置，三維對比顯示兩種網(wǎng)格模型具有一定偏差。標志控制點的布局對網(wǎng)格模型的精度有很大的影響，標志控制點應盡量分布在測試區(qū)域周圍，按一定的密度均勻分布，覆蓋整個高壓鐵塔區(qū)域。無人機低空傾斜攝影數(shù)據(jù)在平地上的精度要高于在鐵塔上的精度。空三控制點的測站，附近分布的點云數(shù)據(jù)精度較高，最高可達1cm，能滿足三維激光掃描與無人機影像數(shù)據(jù)的融合要求。