無人機攝影測量技術在峽谷地形橋隧施工中應用研究

張軍 高月波 付紹強

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南昆明 650041）

1 無人機傾斜攝影測量概述

攝影測量技術是指將具有一定重疊度的照片經(jīng)過數(shù)字解析與處理后，使照片具有空間尺度度量的能力。在無人機上搭載云臺和相機，按攝影測量解算對照片重疊度的要求對被測區(qū)域進行多方向拍照。經(jīng)過攝影測量處理后，可以逆向構建出地形的三維模型，該方法被稱為傾斜攝影測量[1-2]。傾斜攝測量影的原理如圖1 所示。傾斜攝影按主光軸傾斜角可分為：①垂直影像：t<5°；②輕度傾斜影像：5°30°；④水平視角影像：t+α>90°。影像匹配是傾斜攝影測量基本問題，目前，隨著消費級無人機的發(fā)展，無人機可自帶RTK（Real-time kinematic）載波相位差分器，可以實現(xiàn)相機位置達到厘米級的定位精度，這將極大降低影響匹配的誤差，并得到全局高精度地理坐標系下的實景模型。

2 施工現(xiàn)場傾斜攝影測量

2.1 工程概況

宜賓至昭通高速公路彝良（海子）至昭通段，路線起于昭通市彝良縣海子鎮(zhèn)K144+910，止于昭通市昭陽區(qū)北閘鎮(zhèn)K237+600，全長93Km。全線按雙向四車道高速公路標準設計，設計時速80Km/h，路基寬度24.5m。

橋址區(qū)海拔高程介于975～1640m（次級分水嶺）之間，相對高差達665m，橋位處微地貌屬于窄路溝河谷、右岸I 級階地及左岸斜坡，地形起伏較大，右岸地形較陡為巖質(zhì)陡崖，橋位跨越窄路溝右岸I 級階地并順河床右岸而行。

2.2 設備選取

為滿足施工現(xiàn)場峽谷區(qū)域地形拍攝及橋隧結構全方位數(shù)據(jù)采集的要求，選取具有仿地拍攝功能的大疆精靈Phantom 4 RTK設備，實時動態(tài)差分法（Real-time kinematic，RTK）能夠在野外實時得到厘米級定位精度的測量方法，它能實時提供觀測點的三維坐標，并達到厘米級的高精度,可以滿足多種條件下航測拍攝，對于高差懸殊，環(huán)境惡劣的地區(qū)具有較好的航拍效果。（圖1）

圖1 精靈4RTK 無人機

2.3 無人機現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

兼顧數(shù)據(jù)采集效率和數(shù)據(jù)生產(chǎn)效率兩個方面，在影像重疊度設計時，一般航向重疊度為70%，旁向重疊度為70%[3]。具體飛行步驟如下：

（1）飛行前應向有關航空部門申請飛行區(qū)域的許可。

（2）結合測區(qū)地形以及影像用途，設置航線高度、像片重疊度、曝光時間間隔以及飛行區(qū)域等參數(shù)。

（3）數(shù)據(jù)檢查工作，對采集到的影像應進行以下檢查：影像的清晰度、色調(diào)是否一致；影像是否有陰影以及反光，是否有漏拍情況等。

（4）對于質(zhì)量不滿足要求的區(qū)域進行補測，保證初始數(shù)據(jù)滿足后期建模要求。

3 峽谷橋隧施工現(xiàn)場三維模型建立

對采集到的影像數(shù)據(jù)采用ContextCapture 建模，建模流程如下所示：

（1）工程準備，在ContextCapture 中創(chuàng)建工程文件，對導入的影像數(shù)據(jù)進行完整性及一致性檢查，包括影像的排序以及相機的姿態(tài)等進行檢查。

（2）在測區(qū)內(nèi)設置5 個像控點，使用油漆噴涂在墻體、石頭、馬路等不易損壞的硬質(zhì)對象上。采用手持RTK 獲取像控點的精確坐標。像控點用于提高影像的配準精度和檢驗最終模型的測量誤差。

（3）空中三角測量采用Photoscan 軟件進行，Photoscan 相對于ContextCapture 具有更強的穩(wěn)定性。將配準后的相機文件導入到ContextCapture 中，進行像控點的設置。在ContextCapture 中再次提交影像配準計算。該方法尤其適用于高山峽谷地形等復雜場景下的的影像配準。

（4）影像配準完成后，可進行密集點云的計算。該步驟是精細解算重疊照片中的同名點，獲得構建3D 精細幾何模型的海量點坐標。對點云進行三角網(wǎng)格封裝，即可獲得實景模型的曲面幾何模型（白模）。進一步，將照片的紋理映射在白模上，得到了與現(xiàn)場高度一致的實景模型。

（5）在建成實景模型中，提取出像控點，并與實測點坐標進行對比，獲得該實景模型的在地理坐標系下的絕對誤差。

4 傾斜攝影測量技術在橋隧施工中的應用

4.1 橋隧連接區(qū)域地形的精準測繪

通過采用前文所述的無人機傾斜攝影建模方法，可以得到1:500 的精細地形模型。將該模型生成地表曲面點云。點云中包含4000 萬個坐標點，每個點具有準確的地理坐標，如圖2 所示。

圖2 橋隧連接區(qū)域點云模型

在點云模型中，可以按照任意的剖切線進行2D 地形曲線的繪制，如圖3 所示。在橋隧連接區(qū)域，沿垂直于道路軸線的方向在不同的位置進行剖切，得到的精確的地形曲線如圖4 所示?；谶@些精確的地形曲線，可實現(xiàn)精準的施工便道設計、施工臨時措施設計。這在傳統(tǒng)的技術中是難以實現(xiàn)的。

圖3 剖切線

圖4 地形剖面圖

4.2 構件尺寸校核

在實景模型基礎上，對構件幾何尺寸信息進行量測，同時與現(xiàn)場數(shù)據(jù)實測結果對比，如表1 所示，其中D 表示現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與實景模型量測值誤差對比結果，從表中計算結果可知，對于構件的尺寸測量，實景模型量測誤差在1cm 左右；對于構件的定位量測誤差也能控制在4cm 以內(nèi)，量測結果可作為參考數(shù)據(jù)提供給施工方。

圖5 構件尺寸量測

4.3 施工方案超前預演及比選優(yōu)化

通過由實景模型生成的地形曲線與設計地形曲線對比，發(fā)現(xiàn)橋隧連接處設計圖紙地形與實景地形存在顯著的差異，這是在高山峽谷區(qū)域橋隧施工中普遍面臨的難題。這將導致橋隧連接處橋梁設計跨徑小于實際跨徑，從圖6 中可明顯看出，橋臺無法搭接到邊坡處。

圖6 施工方案預演及分析

通過所提出的方法獲得精確的地形3D 模型和地形曲線后，及時反饋到設計單位，經(jīng)設計單位調(diào)整后，滿足現(xiàn)場實際地形需要，調(diào)整后效果如圖7 所示。該應用成果表明，無人機傾斜攝影及地形生成技術，可以快速發(fā)現(xiàn)設計中存在的問題，并加快了設計變更進程，避免了材料的浪費和返工。僅該項，為項目節(jié)省綜合成本約300 萬。

圖7 施工方案優(yōu)化

5 結論

本文以宜賓至昭通高速公路某段橋隧施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)為依托，探討了無人機攝影測量技術在峽谷地形橋隧施工中應用，同時對無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)采集的原理以及模型建立的流程進行了詳細論述，基于此，總結出以下幾點應用優(yōu)勢：

（1）現(xiàn)場全要素信息的可視化，為制定施工計劃提供了直觀的數(shù)據(jù)支持。

（2）實景模型具有較高量測精度，同時支持三維空間量測及分析，為現(xiàn)場測繪人員提供制圖及測繪依據(jù)。

（3）對于人員不便前往的區(qū)域，如橋底以及陡坡地段，為現(xiàn)場提供較高時效性的環(huán)境及工程情況信息。

（4）施工方案的超前預演及對比優(yōu)化，及時發(fā)現(xiàn)不合理之處，提前調(diào)整方案減少不必要損失。