無人機攝影測量及其在BIM技術(shù)中的應用

徐 銳

（1.上海市政交通設計研究院有限公司，上海 200030）

攝影測量技術(shù)走過了模擬攝影測量階段和解析攝影測量階段[1]，現(xiàn)已全面步入數(shù)字攝影時代[2]。無人機攝影測量系統(tǒng)憑借其生產(chǎn)成本低、靈活性高等優(yōu)點，能更加快速直觀地得到測繪成果。專業(yè)測量型無人機配備的PPK、免相控技術(shù)、傾斜攝影技術(shù)極大提高影像的定位精度與高程精度[3]，使其測量成果滿足更高精度的測繪需求。通過無人機攝影測量系統(tǒng)得到的三維點云數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、DOM數(shù)據(jù)、DSM數(shù)據(jù)可滿足不同專業(yè)不同階段對基礎地理信息和數(shù)據(jù)的需求。BIM技術(shù)是全生命期工程項目或其組成部分物理特征、功能特性和管理要素的共享數(shù)字化表達[4]。在市政工程領(lǐng)域，BIM技術(shù)在全生命周期過程中始終需要基礎地理數(shù)據(jù)的支持和輔助。地理三維實景模型是BIM設計的基礎，攝影測量技術(shù)與BIM技術(shù)的融合將為BIM技術(shù)提速，擺脫傳統(tǒng)人工制作的漫長過程。

本文主要研究無人機攝影測量技術(shù)在市政公路設計中的應用。在攝影測量得到的數(shù)據(jù)的基礎上，結(jié)合BIM技術(shù)，進行攝影測量技術(shù)與BIM技術(shù)的融合，利用攝影測量建模速度快、信息精度高等優(yōu)勢，為BIM更好的提供基礎地理信息數(shù)據(jù)。

1 無人機攝影測量

本次攝影測量任務區(qū)位于內(nèi)蒙古赤峰市八里罕鎮(zhèn)，為一個狹長曲折帶狀區(qū)域，總長度約為20 km，總面積約為20.5 km2。測區(qū)西南部為山地，東北部為平原，地貌類型多樣。航測時間為冬季，地表植被覆蓋較少，有利于剔除點云噪聲，提高模型精度。本文采用拓普康天狼星無人機航測系統(tǒng)進行測量，主要包括無人機飛行平臺、數(shù)據(jù)通信平臺和數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)。其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 天狼星無人機航測系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

1.1 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，在飛行計劃軟件中對航線進行設計，設計航高為400 m，地面采樣距離為5 cm，航向重疊度≥80%，旁向重疊度≥60%。全區(qū)域共飛行5個架次，累計采集有效相片1 292張。

1.2 數(shù)據(jù)處理

外業(yè)作業(yè)完成后，檢查外業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，確認合格后進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。內(nèi)業(yè)首先利用自動化程度較高的后處理軟件Agisoft Photoscan Professional對相片數(shù)據(jù)進行處理；再結(jié)合自帶的高精度POS數(shù)據(jù)，通過空三解算生成密集點云數(shù)據(jù)（圖1）；然后建立DEM（圖2）；最后賦予高清紋理，建立DSM（圖3），也可得到常規(guī)二維DOM。在該過程中，也可將空三解算結(jié)果、點云等數(shù)據(jù)另行導出，作為其他用途使用。

圖1 測區(qū)三維密集點云模型

圖2測區(qū)DEM模型

1.3 數(shù)據(jù)分析

內(nèi)業(yè)處理完成后，通過人工目視檢查DEM、DSM等成果的質(zhì)量。本文初步目視檢查結(jié)果并未發(fā)現(xiàn)測區(qū)、數(shù)據(jù)遺漏，模型較完整平滑，成果無異常，內(nèi)業(yè)處理滿足初步要求。在整個項目中，為保證測量精度，不僅需要定性的目視檢查，還需定量的數(shù)據(jù)佐證。因此，本文在數(shù)據(jù)采集前在測區(qū)范圍內(nèi)較均勻地布設了18個控制點，以便檢查內(nèi)業(yè)成果的質(zhì)量，實地采用白色十字標靶標記，外業(yè)采用GNSS-RTK測量其三維坐標值（4次均值）。首先在內(nèi)業(yè)建立的三維實景模型上抓取對應點的三維坐標（4次均值）；然后對兩組數(shù)據(jù)作差，比較模型在各個方向上的誤差值；最后根據(jù)中誤差公式得到每個點的中誤差，中誤差即可定量反映本次建模的精度質(zhì)量。

圖3測區(qū)DSM模型

各控制點的GNSS-RTK坐標和模型坐標差值如表2所示，轉(zhuǎn)化為柱狀統(tǒng)計圖如圖4所示，可以看出，模型平面精度的最大較差為9.8 cm，均值為7.6 cm，中誤差為7.8 cm；高程精度的最大較差為15.2 cm，平均值為5.3 cm，中誤差為6.5 cm；模型的高程精度比平面精度波動大，較差之差也更大，說明衛(wèi)星自身定位在高程測量方面比平面弱。該模型精度符合1∶500比例尺測圖要求，可為后期的1∶500 DLG成圖提供合格的底圖數(shù)據(jù)，同時說明攝影測量得到的三維實景模型具有較高的精度。

圖4 模型坐標與RTK坐標的差值統(tǒng)計圖

由表2可知，相較于其他控制點，B13號點存在高程嚴重異?，F(xiàn)象，斷定存在一個較大的偶然誤差。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，B13號點的正上方存在高壓線，使得GNSS-RTK測量時接收的信號存在較大誤差，因此測得的坐標值較其他點有明顯異常，如圖5所示。這種測量條件在全球定位系統(tǒng)測量規(guī)范中有特別說明，是需要特別注意和避免的情況[5]。為保證數(shù)據(jù)的真實性，B13號點的數(shù)據(jù)暫不參與數(shù)據(jù)精度分析，其他17個點也足夠用來精度評定。

圖5 B13號點存在高壓線干擾

表2 控制點RTK坐標值與模型坐標值差值/m

2 三維實景模型與BIM技術(shù)的融合

無人機攝影測量得到的三維實景地理模型可在BIM技術(shù)中加以利用，彌補了BIM技術(shù)建立場地模型的短板[6]，使BIM技術(shù)在場地建模方面更加快速、精確。通過攝影測量技術(shù)建立的三維實景模型，可以很好地提供地表信息、高程信息、紋理信息等，也可以很輕松地得到長度、面積、體積、坡度等信息，這些信息也正是BIM技術(shù)中一些信息的基礎和組成。后期可利用BIM技術(shù)構(gòu)建目標建（構(gòu)）筑物，與三維實景模型進行融合疊加，得到一個完備的工程項目模型系統(tǒng)。本文利用三維實景模型疊加橋梁模型得到的一個BIM系統(tǒng)如圖6所示，可為后期BIM設計提供數(shù)據(jù)基礎和支撐。

圖6 三維實景模型+BIM效果

3 結(jié)語

無人機攝影測量系統(tǒng)在4D產(chǎn)品獲取和三維實景建模中具有高效高精度的優(yōu)勢，是未來快速成圖、建模的手段之一。本文通過實際工程案例驗證了無人機攝影測量系統(tǒng)所能達到的精度和效果，進一步印證了其優(yōu)勢。將攝影測量技術(shù)應用于BIM技術(shù)中，可發(fā)揮各自的優(yōu)點，為相關(guān)人員提供大場景的真實地理環(huán)境，為專業(yè)人員提供精準的地理信息數(shù)據(jù)。BIM技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)階段，三維實景模型與BIM建（構(gòu)）筑物模型的融合還存在轉(zhuǎn)換環(huán)境與轉(zhuǎn)換標準不協(xié)調(diào)的問題，將導致各自原有信息的遺漏或錯誤[7]，還達不到一種較理想的無損轉(zhuǎn)換和融合，這也是隨著BIM技術(shù)的飛速發(fā)展急需解決的問題。