無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在道路工程測(cè)量中的應(yīng)用研究

石 磊

(上海新地海洋工程技術(shù)有限公司，上海 200083)

2021年國(guó)家發(fā)布了十四五規(guī)劃及2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要，將數(shù)字化建設(shè)作為推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展重要的戰(zhàn)略手段。由于傳統(tǒng)人工測(cè)繪生產(chǎn)方式產(chǎn)生的成果形式相對(duì)單一，難以滿(mǎn)足數(shù)字化應(yīng)用的廣泛需求，為迎接數(shù)字時(shí)代，提高測(cè)繪產(chǎn)品內(nèi)在價(jià)值，采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量方式可以獲取更多類(lèi)型的測(cè)繪成果，在數(shù)字化成果應(yīng)用方面具有較好的前景。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量相對(duì)傳統(tǒng)人工測(cè)量，外業(yè)采集效率高、作業(yè)成本低、作業(yè)靈活等優(yōu)點(diǎn)，以某道路工程測(cè)量項(xiàng)目為例，采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)道路地形地貌進(jìn)行修測(cè)，同時(shí)采集縱、橫斷面高程數(shù)據(jù)，根據(jù)人工測(cè)量成果與無(wú)人機(jī)傾斜測(cè)量成果較差計(jì)算無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量成果精度，旨在為類(lèi)似項(xiàng)目的實(shí)施提供參考數(shù)據(jù)。

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)即通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載五鏡頭相機(jī)或單鏡頭相機(jī)，同時(shí)從下視、前視、后視、左視、右視5個(gè)不同方向采集影像，結(jié)合影像照片POS數(shù)據(jù)，通過(guò)高效的數(shù)據(jù)采集及專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件生成傾斜三維模型。傾斜三維模型能讓用戶(hù)從多個(gè)角度觀察，更加真實(shí)再現(xiàn)地物的實(shí)景，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)正射影像及DLG線(xiàn)劃圖在三維空間屬性的不足；通過(guò)配套軟件的應(yīng)用，可以直接基于成果影像進(jìn)行高度、長(zhǎng)度、面積、角度的量測(cè)，實(shí)時(shí)獲取多維度數(shù)據(jù)。同時(shí)輸出DSM、DOM、DEM、DLG等多種成果。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影的飛行高度是航線(xiàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，航攝高度需要根據(jù)任務(wù)要求選擇合適的地面分辨率，然后結(jié)合傾斜相機(jī)的性能，按照下式計(jì)算：

H=f×GSD/α

式中，H—航攝高度，m；f—鏡頭焦距，mm；α—像元尺寸，mm；GSD—地面分辨率，m。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)采集(影像采集、像控點(diǎn)測(cè)量)、空中三角測(cè)量、多視影像密集點(diǎn)匹配、數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)生成、紋理貼合、實(shí)景三維建模、三維測(cè)圖及外業(yè)調(diào)繪與補(bǔ)測(cè)等步驟。其中，最關(guān)鍵步驟是通過(guò)空中三角測(cè)量解算出像片的外方位元素，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)多視影像密集匹配算法獲得點(diǎn)云，并紋理貼合生成三維模型。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量外業(yè)采集及內(nèi)業(yè)處理作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量作業(yè)流程

2 工程案例

2.1 工程概況

本項(xiàng)目測(cè)區(qū)位于上海市浦江鎮(zhèn)魯匯地塊，測(cè)區(qū)面積0.067Km2，其中包含4條馬路、一個(gè)6幢樓的小區(qū)，樓高在50～65m高多層建筑。道路綠化覆蓋有密有疏、瀝青路面是上海地區(qū)比較典型的路道狀況，基本代表多數(shù)道路測(cè)量項(xiàng)目概況。參照CHZ 3004—2010《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》對(duì)測(cè)區(qū)航線(xiàn)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，確保目標(biāo)攝區(qū)完全覆蓋。航高依據(jù)周邊建筑高度而定。

2.2 測(cè)量方法

傾斜攝影測(cè)量：外業(yè)采集采用大疆經(jīng)緯M300RTK搭載睿鉑D2- PSDK五鏡頭，內(nèi)業(yè)處理采用瞰景Smart3D三維建模軟件生成osgb格式的三維模型，DLG線(xiàn)劃圖生產(chǎn)采用南方測(cè)繪Cass3D專(zhuān)用三維測(cè)圖軟件。

傳統(tǒng)人工測(cè)量：采用索佳SET1X全站儀(測(cè)距2+2ppm 測(cè)角1″)采集道路上具有明顯特征的地形地物點(diǎn)平面及高程，如人行道橫線(xiàn)角點(diǎn)、車(chē)行道可變車(chē)道線(xiàn)角點(diǎn)、行駛方向指示線(xiàn)角點(diǎn)等。

通過(guò)Cass3D采集的特征點(diǎn)三維坐標(biāo)與全站儀人工采集的相同特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，獲取兩者成果較差，求出無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量特征點(diǎn)的片面與高程成果精度，對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜測(cè)量成果進(jìn)行評(píng)價(jià)。睿鉑D2- PSDK五鏡頭技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.3 控制測(cè)量

平面控制測(cè)量采用網(wǎng)絡(luò)RTK的方式進(jìn)行，利用上海CORS系統(tǒng)采集控制點(diǎn)的上海城市平面坐標(biāo)(x，y)，RTK平面控制點(diǎn)測(cè)量流動(dòng)站的技術(shù)要求滿(mǎn)足：①觀測(cè)開(kāi)始前應(yīng)對(duì)儀器進(jìn)行初始化，并得到固定解，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間不能獲得固定解時(shí)，斷開(kāi)通信鏈路，再次進(jìn)行初始化操作；②每次觀測(cè)之間流動(dòng)站重新初始化；③作業(yè)過(guò)程中，如出現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)失鎖，重新初始化，并經(jīng)重合點(diǎn)測(cè)量檢測(cè)合格后，方能繼續(xù)作業(yè)；④每次作業(yè)開(kāi)始前，均進(jìn)行至少1個(gè)同等級(jí)或高等級(jí)已知點(diǎn)的的檢核，平面坐標(biāo)較差不大于7cm；⑤數(shù)據(jù)采集器設(shè)置控制點(diǎn)的單次觀測(cè)的平面收斂精度應(yīng)≤±2cm；⑥RTK平面控制點(diǎn)測(cè)量流動(dòng)站觀測(cè)時(shí)采用三角架對(duì)中、整平，每次觀測(cè)歷元數(shù)不少于20個(gè)，采樣間隔2～5s，各次測(cè)量的平面坐標(biāo)較差不大于±4cm。

表1 睿鉑D2- PSDK五鏡頭參數(shù)

本項(xiàng)目為無(wú)人傾斜攝影測(cè)量與傳統(tǒng)人工測(cè)量2種作業(yè)模式的數(shù)據(jù)精度比對(duì)，故所用控制點(diǎn)、像控點(diǎn)及檢核點(diǎn)均用相同方法施測(cè)。傳統(tǒng)人工測(cè)量控制點(diǎn)布設(shè)4個(gè)，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量像控點(diǎn)間距為150米，共布設(shè)4個(gè)，像控檢查點(diǎn)6個(gè)，與像控點(diǎn)距離由近及遠(yuǎn)布設(shè)。

2.4 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量

首先根據(jù)測(cè)區(qū)范圍KML文件現(xiàn)場(chǎng)踏勘，布設(shè)像控點(diǎn)、檢查點(diǎn)；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境規(guī)劃航線(xiàn)、航高，設(shè)計(jì)航高100m，分辨率13.7208mm/pixel，航向和旁向重疊度分別為80%、75%，航線(xiàn)外擴(kuò)測(cè)區(qū)1倍的航高即外擴(kuò)100m，共計(jì)采集3345張影像。像控點(diǎn)布設(shè)4個(gè)，檢查點(diǎn)由近到遠(yuǎn)布設(shè)6個(gè)具體布設(shè)如圖2所示。

圖2 像控點(diǎn)布設(shè)示意圖及航線(xiàn)規(guī)劃圖

2.5 空三計(jì)算

無(wú)人機(jī)外業(yè)影像好后，利用SkyScanner導(dǎo)出傾斜相機(jī)數(shù)據(jù)同時(shí)寫(xiě)入位置信息、相機(jī)相關(guān)參數(shù)及姿態(tài)矯正等信息生成工程區(qū)塊索引、空三任務(wù)xml文件，一鍵導(dǎo)入瞰景 Smart 3D進(jìn)行空三計(jì)算?？杖?jì)算一般分為2次計(jì)算，第1次為姿態(tài)輔助平差模式，計(jì)算完成后導(dǎo)入自定義坐標(biāo)系文件prj，然后導(dǎo)入像控點(diǎn)、檢查點(diǎn)進(jìn)行刺點(diǎn)工作，完成后啟動(dòng)第2次空三計(jì)算，以控制點(diǎn)平差方式計(jì)算，控制點(diǎn)水平誤差中位數(shù)8.4mm、高程誤差中位數(shù)0.7mm，檢查點(diǎn)水平誤差中位數(shù)35mm，高程誤差0.3mm，模型相對(duì)精度滿(mǎn)足相關(guān)要求，空三計(jì)算成果見(jiàn)表2—3。

表2 像控點(diǎn)誤差匯總表

表3 檢查點(diǎn)誤差匯總表

2.6 三維建模成果及DLG線(xiàn)化圖生產(chǎn)

瞰景Smart 3D三維重建完成后生成三維傾斜模型OSGB成果如圖3所示，采用Cass3D三維測(cè)圖軟件進(jìn)行DLG線(xiàn)化圖生產(chǎn)任務(wù)，提取的道路特征點(diǎn)(如人行道橫線(xiàn)角點(diǎn)、車(chē)行道可變車(chē)道線(xiàn)角點(diǎn)、行駛方向指示線(xiàn)角點(diǎn)等)，本著均勻分布原則共計(jì)提取887個(gè)特征點(diǎn)。另安排傳統(tǒng)人工測(cè)量方式測(cè)量相應(yīng)點(diǎn)位坐標(biāo)進(jìn)行后期成果精度比對(duì)。

圖3 傾斜模型成果

2.7 精度分析

2.7.1特征點(diǎn)分析

對(duì)三維模型提取的特征點(diǎn)比對(duì)人工全站儀測(cè)量的相應(yīng)特征點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算分析，經(jīng)計(jì)算平面中誤差3.3cm，高程中誤差1.9cm。其中高程中誤差3cm以?xún)?nèi)檢查點(diǎn)占72%，5cm以?xún)?nèi)檢查點(diǎn)占93%。由于篇幅有限，在此就不列出對(duì)比詳表了，以下是特征點(diǎn)提取分布圖及誤差分布維度分析如圖4—5所示。

圖4 特征點(diǎn)提取分布及DLG成果圖

圖5 誤差分布維度分析圖

2.7.2道路斷面數(shù)據(jù)分析

根據(jù)模型中提取斷面對(duì)比人工全站儀實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比，斷面對(duì)比抽取2處，其中實(shí)測(cè)寬度分別為12.10m和14.00m，模型量測(cè)值分別為12.11m和14.01m，道路寬度差值、斷面高程差值均1cm左右，滿(mǎn)足相關(guān)要求，如圖6所示。圖7模型中道路路沿石上下高差、角點(diǎn)清晰可辨保證了斷面提取的精度。

圖6 道路斷面對(duì)比成果圖

圖7 三維模型中道路及路沿石

2.8 工作效率分析

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量：外業(yè)布設(shè)像控點(diǎn)及外業(yè)飛行2人組用時(shí)2h，內(nèi)業(yè)集群建模用時(shí)4.5h左右，三維測(cè)圖用時(shí)1.5h，共計(jì)8h左右完成全部作業(yè)，提交成果DLG線(xiàn)畫(huà)圖、三維模型、點(diǎn)云、正射影像等眾多成果。

傳統(tǒng)人工測(cè)量：外業(yè)控制點(diǎn)布設(shè)及地形測(cè)量3人組用時(shí)2個(gè)工作日15h左右，內(nèi)業(yè)地形圖繪制用時(shí)2h，提交DLG線(xiàn)畫(huà)圖成果。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量工作效率提升近3倍，大面積測(cè)繪效率提升更為明顯，且同時(shí)成果生成更為豐富，優(yōu)勢(shì)明顯高于傳統(tǒng)測(cè)量手段。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)采用人工測(cè)繪手段對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量大量特征點(diǎn)進(jìn)行了檢核，成果表明無(wú)人機(jī)飛行高度在80～100 m、像控點(diǎn)間距在150m以?xún)?nèi)、地面分辨率在1.5cm以?xún)?nèi)時(shí)，利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量進(jìn)行城市道路測(cè)繪可獲取±5cm的平面及高程精度。

(2)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量誤差除無(wú)人機(jī)飛控平臺(tái)、鏡頭及作業(yè)中的航高、重疊率等影響外，在三維測(cè)圖進(jìn)行DLG線(xiàn)劃圖生產(chǎn)時(shí)，不同技術(shù)人員在數(shù)據(jù)采編過(guò)程中對(duì)點(diǎn)、線(xiàn)、面的捕捉經(jīng)驗(yàn)不同對(duì)生產(chǎn)的線(xiàn)劃圖精度影響較為明顯，隨著無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量相關(guān)軟、硬件產(chǎn)品技術(shù)水平的提升，技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)水平成為DLG成果精度的主導(dǎo)因素。