應(yīng)用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的規(guī)劃竣工測(cè)量流程和精度分析

王永辰

摘要：傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是近年來(lái)測(cè)繪領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)之一。本文結(jié)合低空無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，進(jìn)行北京房山某小區(qū)竣工測(cè)量測(cè)繪，獲取了高精度三維模型，并對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量成果進(jìn)行平面測(cè)量誤差、高程測(cè)量誤差和間距測(cè)量誤差精度驗(yàn)證，結(jié)果表明，測(cè)繪精度達(dá)到了竣工測(cè)量的主要技術(shù)指標(biāo)要求，為建設(shè)項(xiàng)目驗(yàn)收“最多跑一次”提供了先進(jìn)的技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影測(cè)量 規(guī)劃竣工測(cè)量 精度 誤差

Process and Accuracy Analysis of Planning Completion Survey Based on Tilt Photogrammetry

WANG Yongchen

（State Owned Land Secondary Market Transaction Service Center of Fangshan District， Beijing， 102488 China）

Abstract： Tilt photogrammetry is one of the high and new technologies in the field of surveying and mapping in recent years. In this paper， combined with the low altitude UAV tilt photogrammetry technology， the completion survey of a residential area in Fangshan， Beijing is carried out， and the high-precision three-dimensional model is obtained. The plane measurement error， elevation measurement error and spacing measurement error accuracy of the UAV tilt photogrammetry results are verified. The results show that the mapping accuracy meets the main technical index requirements of the completion survey. It has provided advanced technical means for "run at most once" of construction project acceptance.

Key Words： Tilt photogrammetry; Planning completion survey， Accuracy; Error

隨著低空無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的測(cè)繪地理信息工程采用無(wú)人機(jī)測(cè)繪，大大提高了測(cè)圖效率，節(jié)省了大量的人力物力。作為一種新的測(cè)繪技術(shù)手段，無(wú)人機(jī)測(cè)繪在傳統(tǒng)測(cè)繪領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用，其精度基本滿足規(guī)范要求，尤其是在大面積困難復(fù)雜地區(qū)地形圖測(cè)繪中，能充分發(fā)揮其快速高效的測(cè)圖優(yōu)勢(shì)，因此成為測(cè)繪領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)之一[1]。近年來(lái)隨著技術(shù)研究的進(jìn)展，出現(xiàn)了低空無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)（ UAV Oblique Photography Technique，UAVOPT） ，它是利用低空無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載 5 組傳感器鏡頭，分別從一個(gè)垂直、4 個(gè)傾斜角度同時(shí)獲取高分辨率影像的一種測(cè)量方法，其優(yōu)點(diǎn)是具有快速成像和數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理能力，可實(shí)現(xiàn)單張影像量測(cè)。由于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量具有超高數(shù)據(jù)處理效率和紋理信息，目前在測(cè)繪各領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，如常規(guī)地形測(cè)量、不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量、數(shù)字三維校園、規(guī)劃竣工測(cè)量等[2]。本文結(jié)合低空無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，進(jìn)行北京房山某小區(qū)竣工測(cè)量測(cè)繪，獲取了高精度三維模型，為建設(shè)項(xiàng)目驗(yàn)收“最多跑一次”提供了先進(jìn)的技術(shù)手段。

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是一項(xiàng)發(fā)展較快的新興技術(shù)。通過(guò)在無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)上攜帶一組多個(gè)傳感器，可以從五個(gè)不同的角度獲取地面圖像，包括垂直和傾斜。其中，垂直于地面一組以一定角度拍攝的照片為正片，另外4組與地面成一定角度拍攝的照片為斜片。來(lái)自不同攝影站的正片和斜片疊加在一起，形成覆蓋測(cè)區(qū)的傾斜攝影測(cè)量圖像。利用內(nèi)外方位元素還原正片和斜片的幾何空間姿態(tài)，進(jìn)行地物的3D建模和制圖。

與傳統(tǒng)的正射影像不同，傾斜攝影測(cè)量影像可以從多個(gè)角度捕捉地物，充分反映地物的真實(shí)情況，增加信息量[3]。通過(guò)應(yīng)用軟件，可以進(jìn)行基于傾斜圖像的單幅圖像測(cè)量，也可以根據(jù)測(cè)量結(jié)果直接測(cè)量長(zhǎng)度、高度、角度、面積、坡度等參數(shù)。傾斜攝影實(shí)現(xiàn)了模型紋理采集的一體化，有效降低了數(shù)字3D城市建模的成本。此外，基于應(yīng)用軟件的傾斜圖像易于在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布，可以實(shí)現(xiàn)模型的訪問(wèn)和交換。

2 規(guī)劃竣工測(cè)量

2.1 竣工實(shí)驗(yàn)工程

完成的調(diào)查項(xiàng)目是北京房山的一個(gè)住宅小區(qū)。社區(qū)總規(guī)劃面積0.023km2（以建設(shè)項(xiàng)目規(guī)劃許可證圖中所示總面積計(jì)算），其中建筑面積4833.24m2。根據(jù)竣工測(cè)量要求，對(duì)GNNS-RTK地圖的3個(gè)圖根控制點(diǎn)進(jìn)行放置和測(cè)量;進(jìn)行0.037 km2的數(shù)字地形竣工測(cè)量和2.99 平方公里的四級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量;確定建筑物（構(gòu)筑物）特征點(diǎn)1879個(gè)點(diǎn)，地形測(cè)量平面坐標(biāo)系采用北京2000坐標(biāo)系，高程基準(zhǔn)采用1985年國(guó)家高程基準(zhǔn)，測(cè)繪比例為1：500，測(cè)繪軟件采用南方CASS 9.1地形地籍測(cè)繪軟件。通過(guò)對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)量、建筑物標(biāo)高測(cè)量和規(guī)劃建設(shè)面積計(jì)算，將社區(qū)竣工測(cè)量結(jié)果與規(guī)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析其等級(jí)是否符合終止條件。

竣工測(cè)量實(shí)施時(shí)，利用低空無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)小區(qū)已建成項(xiàng)目進(jìn)行航拍和內(nèi)部數(shù)據(jù)處理，獲得小區(qū)高精度三維可測(cè)模型，協(xié)助完成小區(qū)規(guī)劃竣工測(cè)量。

2.2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影平臺(tái)

竣工工程傾斜攝影測(cè)量采用的是飛馬 D200 高精度測(cè)無(wú)人機(jī)，機(jī)身重7.5 kg，單架次海平面懸停時(shí)間48min，巡航速度13.5m/s，飛馬D200水平精度為1cm+1×10-6mm，垂直精度為2cm+1×10-6mm，支持PPK、RTK及其融合作業(yè)模式，在地物特征豐富的條件下可實(shí)現(xiàn)1∶500免控測(cè)圖。D200搭載D-OP300傾斜模塊，該模塊配備5組SONY ILCE-6000相機(jī)，每個(gè)傳感器尺寸為23.5mm×15.6mm，有效像素2400萬(wàn)，傾斜角度45°，其中下視鏡頭焦距25mm，斜視鏡頭焦距35mm[4]。D200配備無(wú)人機(jī)管家專(zhuān)業(yè)軟件，可實(shí)現(xiàn)航線規(guī)劃、空三解算、DOM、DEM、DSM、TDOM和真三維模型獲取。

2.3 像控點(diǎn)布設(shè)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量采用的平面、高程基準(zhǔn)與竣工測(cè)量測(cè)圖基準(zhǔn)一致，為了提高三維建模精度，將航高設(shè)計(jì)為允許最低值，有利于像控點(diǎn)的識(shí)別和高精度紋理獲取[5]。測(cè)區(qū)內(nèi)較為平坦，因此選擇成像清晰的塊狀地物拐角點(diǎn)作為像控點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)工程選取地面角點(diǎn)清晰處為像控點(diǎn)，地面角點(diǎn)不明顯處和樓頂面采用油漆噴涂的方式繪制人工角點(diǎn)，測(cè)區(qū)內(nèi)總計(jì)布設(shè)25個(gè)像控點(diǎn)，其中19個(gè)為控制點(diǎn)，6個(gè)為檢查點(diǎn)。像控點(diǎn)選定后，利用GPS-RTK進(jìn)行平面高程控制測(cè)量，觀測(cè)時(shí)始終保持同步鎖定6顆以上衛(wèi)星，PDOP值小于6，流動(dòng)站距離參考站平均距離800m，經(jīng)精度評(píng)定，觀測(cè)成果的平面、高程點(diǎn)位中誤差分別為±3cm、±4.5cm，滿足精度要求。

2.4 外業(yè)航空攝影

外業(yè)航攝主要進(jìn)行飛行控制系統(tǒng)檢查和航線設(shè)計(jì)。飛行前，對(duì)飛行控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件進(jìn)行檢查，如舵機(jī)、空速和風(fēng)門(mén)，以及系統(tǒng)供電模塊、GPS和遙控器等配件進(jìn)行全檢，并在檢測(cè)后進(jìn)行路線參數(shù)設(shè)計(jì)。使用搭載飛馬D200的專(zhuān)業(yè)無(wú)人機(jī)管理軟件，項(xiàng)目使用的飛行參數(shù)為：航向重疊80%，旁向重疊65%，傾角小于12°，旋偏角小于15°，航線彎曲度小于1.5 %。為了獲得更精確的低空數(shù)據(jù)，飛行高度設(shè)計(jì)為135 m，基高比為0.36，地面分辨率為0.04 m。無(wú)人機(jī)在野外飛行了15條帶，每個(gè)鏡頭組拍攝了278幅圖像，共拍攝了1390張正斜面航拍照片。實(shí)地飛行結(jié)束后進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢查，結(jié)果表明航拍質(zhì)量高，無(wú)需額外飛行。

2.5 三維建模

基于現(xiàn)場(chǎng)獲得的POS數(shù)據(jù)、傾斜影像數(shù)據(jù)和地形影像控制數(shù)據(jù)，在ContextCapture軟件中構(gòu)建新項(xiàng)目進(jìn)行三維建模。實(shí)驗(yàn)中采用多基線特征匹配技術(shù)，結(jié)合POS數(shù)據(jù)生成連接點(diǎn)，使用25個(gè)像控點(diǎn)。執(zhí)行區(qū)域網(wǎng)平差以完成空中三角測(cè)量并計(jì)算每個(gè)圖像的外方位元素。軟件提供的并行算法用于像素級(jí)特征匹配，生成DSM點(diǎn)云。為了減少數(shù)據(jù)冗余，在DSM 點(diǎn)云中構(gòu)建了一個(gè)TIN，并根據(jù)圖像數(shù)據(jù)修改了TIN的內(nèi)部規(guī)格，生成了一個(gè)TIN矢量模型。使用ContextCapture將模型區(qū)域劃分為多個(gè)tile，合成一個(gè)任務(wù)分配給每個(gè)節(jié)點(diǎn)，將TIN模型和圖像紋理無(wú)縫結(jié)合，建立具有多個(gè)細(xì)節(jié)的真實(shí)3D LOD場(chǎng)景模型。經(jīng)過(guò)以上處理后，住宅區(qū)三維模型如圖1（a）所示。從圖中不難發(fā)現(xiàn)，住宅區(qū)三維模型沒(méi)有歪懸、破洞，也不缺乏質(zhì)感，建模精度高。

為了優(yōu)化模型，提高精度，將模型導(dǎo)入DP-Modeler進(jìn)行房檐校正等優(yōu)化過(guò)程，以達(dá)到最佳精度和逼真效果。細(xì)化后的模型在ContextCapture中導(dǎo)出為ESRI I3S格式，實(shí)現(xiàn)社區(qū)三維模型的模型探索、建筑選擇、距離測(cè)量、面積測(cè)量、坐標(biāo)測(cè)量、三角測(cè)量等功能。圖1（b）為平臺(tái)環(huán)境下居住區(qū)的建筑選擇和坐標(biāo)測(cè)量功能。突出顯示的建筑物為選定的完工建筑物，圓環(huán)上的點(diǎn)為建筑物拐角處特征點(diǎn)的平面坐標(biāo)。由以上分析可知，基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)該住宅區(qū)進(jìn)行3D建模，可以完成竣工測(cè)量，其模型精度滿足建設(shè)工程竣工試驗(yàn)的建模要求，是傳統(tǒng)規(guī)劃竣工測(cè)量的有效手段。

3精度分析

所構(gòu)建的測(cè)量精度包括3個(gè)要求：特征點(diǎn)相對(duì)于相鄰平面控制點(diǎn)的位置誤差、特征點(diǎn)與相鄰特征點(diǎn)之間的距離誤差、高程中誤差。為驗(yàn)證無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量得到的平面精度、高程精度和特征點(diǎn)間距精度，在試驗(yàn)中測(cè)試了105個(gè)平面特征點(diǎn)、52個(gè)高程點(diǎn)和36個(gè)點(diǎn)距。實(shí)驗(yàn)。天宇府住宅區(qū)的特色。經(jīng)驗(yàn)證，105個(gè)平面特征點(diǎn)中58個(gè)為主特征點(diǎn)，47個(gè)為次特征點(diǎn); 52個(gè)高程點(diǎn)中，17個(gè)位于小區(qū)外層，19個(gè)位于樓頂，16個(gè)位于護(hù)墻;主要從拐角特征點(diǎn)、道路兩側(cè)明顯的特征點(diǎn)、紅線界址點(diǎn)之間的距離選取36個(gè)間距。通過(guò)將無(wú)人機(jī)獲取的平面和高程點(diǎn)與全站儀的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，比較地物間的距離和現(xiàn)場(chǎng)鋼尺測(cè)量距離，計(jì)算精度。

平面測(cè)量誤差為0.039m，小于±0.05m。高程誤差為±0.117m，小于±0.15m。距離誤差與高程誤差計(jì)算類(lèi)似，0.043m≤0.05m。因此，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量應(yīng)用，其平面測(cè)量、高程測(cè)量和測(cè)距精度滿足竣工測(cè)量要求。但由于無(wú)人機(jī)只能在露天進(jìn)行航測(cè)，部分已完成的勘測(cè)項(xiàng)目，如施工區(qū)核查、綜合管線勘察等無(wú)法實(shí)測(cè)，復(fù)雜測(cè)區(qū)無(wú)人機(jī)測(cè)繪存在盲區(qū)。因此，因此，無(wú)人機(jī)竣工測(cè)量只能作為竣工測(cè)量輔助手段，不能獨(dú)立完成竣工測(cè)量[6]。

4結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，對(duì)該住宅小區(qū)規(guī)劃竣工測(cè)量進(jìn)行了竣工輔助測(cè)繪。利用ContextCapture軟件建立了小區(qū)高精度實(shí)景三維模型并完成網(wǎng)頁(yè)上載，實(shí)現(xiàn)了小區(qū)三維可視化量測(cè)。本文對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量成果進(jìn)行平面測(cè)量誤差、高程測(cè)量誤差和間距測(cè)量誤差精度驗(yàn)證，結(jié)果表明，測(cè)繪精度達(dá)到了竣工測(cè)量的主要技術(shù)指標(biāo)要求，為建設(shè)項(xiàng)目驗(yàn)收“最多跑一次”提供了先進(jìn)的技術(shù)手段。然而，對(duì)于無(wú)人機(jī)難以到達(dá)地區(qū)或攝影存在死角的情形，無(wú)人機(jī)傾斜攝影竣工測(cè)量受到限制，因此，目前無(wú)人機(jī)竣工測(cè)量只能完成部分項(xiàng)目，而不能完成所有竣工測(cè)量任務(wù)，因此，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量可作為規(guī)劃竣工測(cè)量的一種有效輔助手段，無(wú)法完全替代常規(guī)竣工測(cè)量方法。

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