傾斜攝影測量在高速公路改擴建工程中的應用

張鴻飛

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引言

無人機傾斜攝影測量技術(shù)是目前全球測繪領(lǐng)域新興的一門技術(shù)手段。其原理是將多個傳感器搭載在同一架飛行平臺上，對地物從多個角度進行拍攝，獲取到更全面和完整的地物信息[1-2]。傾斜攝影測量中的三維數(shù)據(jù)可以真實地反映地物的具體位置、高度和外觀情況等屬性，很好地彌補了傳統(tǒng)測量手段的不足[3-4]。但是傾斜攝影測量技術(shù)也存在一些弊端，如非量測型數(shù)碼相機攝影物鏡存在光學畸變、機械畸變和電學畸變，缺少傾斜攝影測量像控點布設規(guī)范，機載POS精度不高等。本文結(jié)合高速公路改擴建項目，通過對航測相機進行檢校、航測參數(shù)調(diào)整、像控點布設方案優(yōu)化、數(shù)據(jù)嚴格檢核處理等，最終將該技術(shù)應用到實際工程當中，數(shù)據(jù)精度可靠，效果良好。

1 非量測相機檢較

非量測型數(shù)碼相機攝影物鏡存在光學畸變、機械畸變和電學畸變。其中，光學畸變是影響像點坐標的一個關(guān)鍵因素。光學畸變會使得物點、像點和投影中心點不共線，影像的形狀發(fā)生變形，同名光線不再相交，攝影影像精度降低。在獲取攝影影像之前，必須對非量測的數(shù)碼相機進行檢測。相機檢校參數(shù)包括內(nèi)方位元素和畸變參數(shù)。其中，內(nèi)方位元素包括主距、像主點在像片中心的位置。由于相機畸變的存在，攝影中心、像點、物方點之間不滿足共線條件方程，從而嚴重影響影像測量成果的精度。為了減小像片畸變，提高影像匹配，應當確定相機的內(nèi)參數(shù)與畸變參數(shù)。當考慮圖像畸變時，共線條件方程式表示為[5-6]：

式中：Δx，Δy是由圖像畸變引起的像點坐標的系統(tǒng)誤差；（x，y）是像點量測坐標。ai，bi，ci（i=1，2，3）為3個外方位角元素所組成的方向余弦。（X，Y，Z）是物方控制點坐標；（Xs，Ys，Zs）為攝影時像片的外方位線元素；（X0，Y0）為像主點在像片中心的位置；f為相機鏡頭焦距。綜合考慮徑向畸變與偏心畸變的畸變模型為：

2 像控點布設方案

像控點的布設方案和數(shù)量、平面和高程測量值會直接影響空中三角測量，從而影響模型精度。因此，像控點的布設在整個項目實施中尤為重要。根據(jù)每個項目的地形條件、攝影資料和信息處理方法，像控點布設的主要原則如下：

（1）像控點一般根據(jù)測區(qū)范圍統(tǒng)一布點，應均勻、立體地布設在測區(qū)范圍內(nèi)。

（2）點位的分布應避免形成近似直線。

（3）像控點需選擇較為尖銳的標志物，以提高內(nèi)業(yè)精度。

（4）像控點標志物應與地表顏色形成鮮明對比，如深色地標噴白色油器，白色地面噴紅色油漆。

（5）盡量選擇平坦地區(qū)，避免樹下、屋角等容易被遮擋的地方。

（6）像控點布設結(jié)束后，應盡量進行拍照記錄?，F(xiàn)場照片內(nèi)應同時包含像控點及其周圍地物特征，并在照片內(nèi)清晰指出像控點所在位置及編號（默認照片中對中桿所在位置即像控點位置）。

（7）若工作人員選擇地物特征點作為像控點，應選擇較大地物，且提供現(xiàn)場照片2～4張，輔助內(nèi)業(yè)人員尋找像控點。

（8）布設像控點的人員應提供像控點實際分布情況。圖1給出了像控點布設的實例。

圖1 像控點的布設

3 航測參數(shù)設定

在航測任務開始前，根據(jù)需求并結(jié)合現(xiàn)場情況綜合考慮設定航攝參數(shù)。參數(shù)包括航高、飛行速度、曝光間隔、像片重疊度、圖像分辨率、像幅范圍、航線間隔等。

3.1 航高

飛行高度又稱航高，是指無人機相對于攝影區(qū)域的平均平面的高度。根據(jù)不同的基準面，航高可以分為絕對航高、相對航高、真實航高和攝影航高。其中，絕對航高是指相對于平均海平面的航高，是攝影物鏡在攝影瞬間的真實海拔高度。相對航高是指攝影機物鏡相對于某一基準面的高度。真實航高是指飛機在攝影瞬間相對于實際地面的高度。攝影航高是指飛機相對于攝影分區(qū)的平均平面的高度。這里的航高指的是相對航高，即無人機相對于起航位置的航高。

3.2 飛行速度

飛行速度不僅直接影響飛行的平穩(wěn)性，而且與相片相移有關(guān)，影響著相片成像質(zhì)量。通常情況下，無人機傾斜攝影測量采用低速飛行模式，能夠保證飛行安全性，還能減少影像相移獲取符合質(zhì)量要求的像片。

3.3 曝光間隔

無人機在飛行過程中，采集影像數(shù)據(jù)相鄰兩次曝光時間之差為曝光間隔。它與基線長度和飛行速度有關(guān)。當飛行速度和航高已知的情況下，航向重疊度由曝光時間間隔決定，曝光間隔只需不小于相機最小曝光間隔即可。

3.4 像片重疊度

像片重疊度分為航向重疊度和旁向重疊度。航向重疊度又稱“縱向重疊”，在無人機攝影中沿同一航線上的相鄰像片間對應同一部分地面影像。通常情況下，前后兩張像片拍攝位置在空中各不相同，因此重疊部分對應同一地面，像片影像卻不完全相同。沿航向重疊部分與整個像片的長度之比，稱為航向重疊度，用百分數(shù)表示。同理，旁向重疊度又稱“橫向重疊”。旁向重疊部分的長度與整個像片長度之比，稱為“旁向重疊度”，用百分數(shù)表示。

3.5 圖像分辨率

圖像分辨率是指一個像元大小。像元又稱像素點，即影像單元（picture element），是組成數(shù)字影像的最小單元，即一個像元代表地面面積多少。根據(jù)攝影測量，航高、焦距和圖像分辨率存在相似三角形關(guān)系，如圖2所示。

圖2 圖像分辨率

3.6 像幅范圍

像幅范圍是指一張影像所展示的實地面積大小。對于低空無人機航攝系統(tǒng)來說，如果數(shù)碼相機一旦選定，所用的鏡頭也一定，那么地面分辨率與航高成正比。當航高越高時，地面分辨率的值越大，分辨率越低，像幅范圍越大。當航高越低時，地面分辨率的值越小，分辨率越高，像幅范圍越小。

4 數(shù)據(jù)檢查處理

第一步，檢查影像質(zhì)量，補飛不合格區(qū)域，直至滿足要求。檢查的內(nèi)容包括飛行質(zhì)量檢查和影像質(zhì)量檢查。飛行質(zhì)量檢查包括航向重疊度、旁向重疊度、像片傾角和旋角、航線彎曲度和航高差。影像質(zhì)量檢查包括：觀察影像是否清晰、色調(diào)是否一致、層次是否鮮明、反差是否合理；觀察影像是否有重影、不清晰和位置偏移等情況；觀察影像是否有陰影、大范圍反光、不清晰點等突出問題，是否影響模型的建立與測圖。

第二步，進行幾何校正，同名點匹配，區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差。

第三步，將平差后的數(shù)據(jù)賦予每張傾斜影像，使得它們具有空間位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)在三維空間中。

第四步，傾斜攝影進行實時測量，相片上的每個像素對應真實的地理坐標位置。

5 高速公路改擴建工程應用實例

5.1 測區(qū)概況

工程位于上海市寶山區(qū)中部，線路呈東西走向，全長3.86 km，寬300 m。工程范圍包含跨線橋、互通式立交、建筑、道路、市政設施、綠地、施工區(qū)域等，地物類型較多，地形較為復雜。項目情況如圖3所示。

圖3 項目概況

5.2 飛行參數(shù)

航飛任務采用六旋翼無人機、五鏡頭相機。無人機及相機各項參數(shù)均通過檢驗，符合航空攝影測量規(guī)范要求。表1給出了外業(yè)飛行參數(shù)。

表1 外業(yè)飛行參數(shù)

5.3 像控點的布設

在飛行作業(yè)前，對整個測區(qū)現(xiàn)場踏勘，結(jié)合現(xiàn)場具體情況選取路面上斑馬線、道路拐點、井蓋等明顯特征點作為像控點。像控點間距為200～300 m。像控點在航攝區(qū)域均勻分布，且覆蓋整個測區(qū)。像控點測量使用RTK測量方法。在測區(qū)內(nèi)均勻布設24個像控點和9個檢查點。像控點分布及布設如圖4、圖5所示。

圖4 像控點分布圖

圖5 像控點的布設

5.4 空三平差計算

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理采用機載POS數(shù)據(jù)和像控點數(shù)據(jù)進行空三計算。部分控制點計算精度如圖6所示。

圖6 空三計算精度

由上面結(jié)果可以看出，空中三角測量精度較好，結(jié)果符合要求?？罩腥菧y量完成后，開始生成OSGB三維模型、DOM、DSM等產(chǎn)品。

5.5 成果精度分析

在測圖軟件中利用三維測圖模塊進行OSGB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，生成DSM格式文件，然后加載本地傾斜模型。采用二維、三維模型聯(lián)動繪制的方式，根據(jù)地形圖繪制規(guī)范進行地形圖繪制。

三維實景模型測圖如圖7所示。

圖7 三維實景模型測圖

為了驗證該方法繪制地形圖的平面和高程精度，用RTK結(jié)合全站儀的方式在地面測量部分平高檢查點。平高檢查點包含斑馬線角點、道路拐點、井蓋等明顯特征點。檢查點在測區(qū)均勻分布。將外業(yè)實測檢查點與模型測量點做檢查分析，并根據(jù)點位中誤差公式計算出每個檢查點的平面中誤差。圖8為檢查點殘差圖。

圖8 檢查點殘差圖

通過對地面標志點進行誤差統(tǒng)計，X方向中誤差0.039 m，Y方向中誤差0.022 m，Z方向中誤差0.054 m?？傮w分析，在三維模型上采集的數(shù)據(jù)精度可以滿足工程測量規(guī)范（GB/50026—2007）1∶500地形圖要求。

為了驗證高速路面數(shù)據(jù)精度，使用RTK測量的方式，外業(yè)實測738個檢查點。然后將外業(yè)實測檢查點與模型測量點做檢查分析，并根據(jù)點位中誤差公式計算出每個檢查點的平面中誤差。殘差圖如圖9所示。

圖9 高速路面檢查點殘差圖

通過對高速路面、橋縫高程殘差進行誤差統(tǒng)計，Z方向中誤差為0.038 m，高程殘差值都在10 cm以內(nèi)，最大為6.4 cm。利用傾斜三維模型提取高速路面高程數(shù)據(jù)精度可以滿足高速公路地形和斷面測量要求。

6 結(jié)語

本文將傾斜攝影測量技術(shù)應用在高速公路改擴建工程中，并對成果進行了詳細的精度分析，效果良好。

（1）研究了傾斜攝影測量技術(shù)在高速公路改擴建項目中的應用流程，通過一系列方案優(yōu)化，最終獲取了可以滿足規(guī)范和項目要求的測繪成果。

（2）解決了傳統(tǒng)測量方式無法直接進行高速測量的問題，提高了工作效率，效果良好。

（3）在三維模型上采集的雨水箅子、雨污水井、路燈等道路附屬設施數(shù)據(jù)精度相對較高，可以直接進行測繪生產(chǎn)。