傾斜攝影和機(jī)載Lidar 技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用研究

史豐博

（天水三和數(shù)碼測(cè)繪院有限公司，甘肅 天水 741000）

工程測(cè)量的任務(wù)分為2 個(gè)部分，一是研究幾何形狀，二是研究物體在空間的位置坐標(biāo)。傳統(tǒng)的工程測(cè)量采用水準(zhǔn)儀、全站儀等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這種作業(yè)方式效率低、成本高、風(fēng)險(xiǎn)性高、工作量大，對(duì)于部分地區(qū)作業(yè)難度也大。隨著導(dǎo)航定位精度的提高和GPS-RTK 技術(shù)的成熟，工程測(cè)量作業(yè)方式發(fā)生了改變，較以往的作業(yè)方式效率提升了不少，但是對(duì)于大型項(xiàng)目，仍然不能滿足項(xiàng)目工期的需求。這幾種作業(yè)方式獲取數(shù)據(jù)都是在地面上完成，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)成本的下降，以及小像幅影像解算技術(shù)的完善，讓傳統(tǒng)的工程測(cè)量作業(yè)方式從地面轉(zhuǎn)到空中成為可能。無(wú)人機(jī)垂直攝影是掛載垂直鏡頭，從空中對(duì)地面拍攝，依據(jù)共線方程和地面像控點(diǎn)，從而加密出像片上任何一點(diǎn)的三維坐標(biāo)，這較GPS-RTK 技術(shù)，提升了效率，有了很大的進(jìn)步，但是這種作業(yè)控制是利用GPSRTK 做的，加上無(wú)人機(jī)影像畸變等問(wèn)題，導(dǎo)致生產(chǎn)的數(shù)據(jù)成果精度較低，對(duì)于精度要求高的項(xiàng)目，很難滿足項(xiàng)目精度需求[1]。隨著傾斜攝影技術(shù)的出現(xiàn)和多視影像密集匹配算法的完善，利用多視影像進(jìn)行自動(dòng)化建模，可以獲取同一地物多個(gè)角度的數(shù)據(jù)，增加了冗余度，使匹配精度更加準(zhǔn)確，且生產(chǎn)的模型可以360°觀察與測(cè)量，對(duì)于垂直攝影難以解決的屋檐改正問(wèn)題，傾斜攝影完美解決了[2]。這種作業(yè)方式精度有較大提升，甚至可以達(dá)到地籍測(cè)繪精度的需求，但是建模效率低，對(duì)于部分項(xiàng)目該作業(yè)方式仍然有一定的局限性。隨著激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展與體積重量的減輕，無(wú)人機(jī)搭載Lidar 技術(shù)成了一種彌補(bǔ)傾斜攝影建模效率低的方式[3]。Lidar 技術(shù)可謂“所見(jiàn)即所得”，從空中對(duì)地面發(fā)射激光束，完成對(duì)地面的拍攝，就可以獲取地面任一點(diǎn)的三維坐標(biāo)，具有非常高的效率。本研究主要對(duì)傾斜攝影技術(shù)和機(jī)載Lidar 技術(shù)的原理和作業(yè)流程進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明，并對(duì)2種作業(yè)方式在工程測(cè)量中的多方面應(yīng)用進(jìn)行了分析，總結(jié)了兩種作業(yè)方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 傾斜攝影技術(shù)介紹

1.1 傾斜攝影原理

傾斜攝影測(cè)量是相對(duì)傳統(tǒng)攝影測(cè)量來(lái)說(shuō)的，是指在無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)上搭載傾斜攝影航攝儀，對(duì)地面數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位、多角度采集，然后利用傾斜攝影測(cè)量軟件產(chǎn)生測(cè)繪數(shù)據(jù)。常見(jiàn)的傾斜攝影航攝儀搭載五鏡頭相機(jī)，即一個(gè)下視和前、后、左、右4 個(gè)側(cè)視。下視相機(jī)主要從垂直角度獲取地面物體信息，側(cè)視鏡頭從側(cè)面對(duì)物體進(jìn)行拍攝，獲取地面物體側(cè)面信息。通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傾斜鏡頭與地面夾角為45°的時(shí)候，獲取的數(shù)據(jù)建模效果最好，采集的數(shù)據(jù)盲區(qū)少，影像邊緣畸變對(duì)建模影響可以降到最小，因此常見(jiàn)的五鏡頭側(cè)視相機(jī)夾角與垂直鏡頭夾角均為45°。

1.2 傾斜攝影建模流程

傾斜攝影建模首先要獲取影像數(shù)據(jù)，在獲取數(shù)據(jù)前，要對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行勘察，如是禁飛區(qū)，還要申請(qǐng)空域，然后進(jìn)行像控布設(shè)與航線規(guī)劃，外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，內(nèi)業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)解算與模型生產(chǎn)，具體流程如圖1 所示。

圖1 傾斜攝影建模流程圖

2 機(jī)載Lidar 技術(shù)介紹

2.1 機(jī)載Lidar 采集數(shù)據(jù)原理

機(jī)載Lidar 主要由激光發(fā)射裝備、全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）組成。是一種主動(dòng)式的探測(cè)技術(shù)，即激光發(fā)射器發(fā)射脈沖，脈沖碰到障礙物后返回，借助高精度的時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，可對(duì)地面物體進(jìn)行高精度測(cè)量。

2.2 機(jī)載Lidar 數(shù)據(jù)處理流程

具體流程如圖2 所示。

圖2 機(jī)載Lidar 數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用

3 傾斜攝影成果和機(jī)載Lidar 成果的應(yīng)用

基于傾斜攝影技術(shù)生產(chǎn)的成果主要有實(shí)景三維模型、高精度的數(shù)字正射影像圖和數(shù)字表面模型，基于機(jī)載Lidar 技術(shù)主要獲得的數(shù)據(jù)成果為點(diǎn)云數(shù)據(jù)。以下就對(duì)二者在工程測(cè)量中的多方面應(yīng)用進(jìn)行分析介紹。

3.1 在大比例尺地形圖測(cè)量中的應(yīng)用

實(shí)景三維模型符合人的視覺(jué)體驗(yàn)，且精度高，盲區(qū)少，用來(lái)生產(chǎn)大比例尺地形圖，是非常不錯(cuò)的一種作業(yè)方式，較傳統(tǒng)的立體虛擬像對(duì)測(cè)圖，該方式對(duì)作業(yè)員技術(shù)水平要求低，學(xué)習(xí)起來(lái)更容易掌握。由于在空中三角測(cè)量環(huán)節(jié)約束條件多，所以傾斜攝影生產(chǎn)的數(shù)據(jù)精度較垂直攝影精度更高。但是對(duì)于植被多的區(qū)域，傾斜攝影技術(shù)受到高程精度的局限，在大比例尺測(cè)圖中，高程精度不能滿足項(xiàng)目需求。鑒于此，可采用機(jī)載Lidar 技術(shù)，點(diǎn)云對(duì)植被具有一定的穿透作用，可直接穿透植被，獲取到高精度的地面點(diǎn)高程，從而彌補(bǔ)傾斜攝影技術(shù)的不足。目前常使用的基于實(shí)景三維模型測(cè)圖的軟件有北京清華三維的EPS，浙江迪澳普地理信息技術(shù)有限公司的SV365，武漢航天遠(yuǎn)景的MapMatrix3D，浙江泰樂(lè)的TSD 軟件、南方數(shù)碼的CASS3D 軟件和易繪軟件等，在支持模型測(cè)圖的同時(shí)，這些軟件也支持直接基于點(diǎn)云的測(cè)圖。軟件的完善，也為兩種技術(shù)在大比例尺地形圖測(cè)繪中提供了保障，讓兩種技術(shù)在大比例尺地形圖測(cè)繪中發(fā)揮更大的價(jià)值。

3.2 在農(nóng)村房地一體地籍測(cè)繪中的應(yīng)用

垂直攝影無(wú)法實(shí)現(xiàn)屋檐改正，且精度很難滿足地籍測(cè)繪精度需求。傾斜攝影獲取影像，生產(chǎn)實(shí)景三維模型，可直接在模型上進(jìn)行屋檐改正，且精度可以達(dá)到地籍測(cè)繪精度的需求，可在農(nóng)村房地一體地籍測(cè)繪中實(shí)施。由于機(jī)載Lidar 是垂直地面進(jìn)行作業(yè)，無(wú)法獲取屋檐下的數(shù)據(jù)，因此無(wú)法進(jìn)行屋檐改正，不可用于地籍測(cè)繪項(xiàng)目。

3.3 在土方量計(jì)算中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的土方量測(cè)量，利用GPS-RTK 進(jìn)行全野外采點(diǎn)，效率非常低，且效率和土方量估算的精度成反比，因此想要更精確的估算土方量，就必須采集更多的點(diǎn)，這樣效率太低，嚴(yán)重影響到后續(xù)工序的進(jìn)度。三維實(shí)景模型，可以通過(guò)設(shè)置高程點(diǎn)采樣密度，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)土方量的精準(zhǔn)估算，但是這種作業(yè)方式最大的缺點(diǎn)是建模效率太低，且對(duì)于非裸露的地方，高程不精準(zhǔn)，估算出來(lái)的土方量和實(shí)際的土方量差異大，不便于對(duì)工程的工作量進(jìn)行評(píng)估。機(jī)載Lidar 在土方量估算中就占據(jù)了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，利用其具有穿透植被的性能，可以直接獲取高精度地面高程，從而計(jì)算出精準(zhǔn)的土方量。對(duì)于激光雷達(dá)無(wú)法直接穿透獲取地面高程的物體，可借助點(diǎn)云濾波軟件，對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，得到準(zhǔn)確的地形數(shù)據(jù)，從而獲得高精度的土方量估算值，可為工程預(yù)算提供準(zhǔn)確的資料，對(duì)后續(xù)工序的正常開(kāi)展提供保障。

3.4 在道路工程測(cè)量中的應(yīng)用

實(shí)景三維模型是“一張皮”模型，可以獲取模型上任一點(diǎn)的三維坐標(biāo)。機(jī)載Lidar 獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)雖然是離散的點(diǎn)，但是也可以通過(guò)內(nèi)插的方式獲取任意點(diǎn)的三維坐標(biāo)，且兩種成果精度非常高，可以滿足絕大多數(shù)工程測(cè)量項(xiàng)目。在道路工程測(cè)量中，可利用兩種成果對(duì)道路進(jìn)行高程控制測(cè)量和平面控制測(cè)量，且根據(jù)項(xiàng)目需要，可基于兩種成果數(shù)據(jù)直接采集道路兩側(cè)帶狀區(qū)域的地形圖，并且將設(shè)計(jì)位置測(cè)設(shè)在實(shí)地?？芍苯踊趯?shí)景三維模型采集道路中心線方向以及垂直于中心線方向的高程起伏情況，并基于以上數(shù)據(jù)直接繪制橫縱斷面圖。并且可以定期進(jìn)行航攝，從而對(duì)道路施工進(jìn)度進(jìn)行控制。

3.5 在建筑立面圖中的測(cè)量

傳統(tǒng)的建筑物立面圖測(cè)量采用全站儀進(jìn)行全野外作業(yè)，效率低、風(fēng)險(xiǎn)高，成本高。鑒于此，可采用傾斜攝影技術(shù)來(lái)對(duì)立面圖進(jìn)行制作?；趯?shí)景三維模型，在EPS、SV365 等軟件中，將模型成果導(dǎo)入后，對(duì)模型成果進(jìn)行裁切，確保所采集的面不被其他地物所遮擋，調(diào)整要采集的面為正視圖，通過(guò)采集三個(gè)點(diǎn)作為立面圖的投影面，然后直接在模型上進(jìn)行立面圖的采集與輸出，較傳統(tǒng)利用全站儀進(jìn)行采集，在精度符合建筑物對(duì)立面圖精度要求的前提下，可以大大提升作業(yè)效率，節(jié)約成本，使利潤(rùn)達(dá)到最大化。機(jī)載Lidar 是垂直從空中對(duì)地發(fā)射激光點(diǎn)云，無(wú)法獲取建筑物側(cè)面信息，因此不能使用該成果進(jìn)行立面圖的采集，但可采用地面Lidar 對(duì)建筑物進(jìn)行360°的掃面，然后直接基于點(diǎn)云進(jìn)行立面圖的采集與編輯，得到建筑物立面圖，在老舊小區(qū)改造、美麗鄉(xiāng)村建設(shè)等項(xiàng)目中發(fā)揮著重要的作用。

3.6 在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

近年來(lái)，地質(zhì)災(zāi)害頻頻發(fā)生，給人的生命和財(cái)產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重威脅。傳統(tǒng)的作業(yè)方式，尋找災(zāi)害點(diǎn)效率低，不能很好地發(fā)現(xiàn)和監(jiān)測(cè)災(zāi)害點(diǎn)，讓災(zāi)害監(jiān)測(cè)難以真正實(shí)施開(kāi)來(lái)。傾斜攝影技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)近低空飛行，搭載的高分辨率相機(jī)，可以對(duì)地面大于2 cm的裂縫進(jìn)行辨識(shí)，使災(zāi)害監(jiān)測(cè)的手段有了提升。通過(guò)近低空飛行獲取數(shù)據(jù)，生產(chǎn)實(shí)景三維模型，然后對(duì)模型進(jìn)行查看，發(fā)現(xiàn)災(zāi)害點(diǎn)，并借助災(zāi)害模擬平臺(tái)，將實(shí)景三維模型導(dǎo)入，通過(guò)以往滑坡時(shí)裂分的寬度、水平位置、垂直位移等數(shù)據(jù)，結(jié)合降雨量，模擬災(zāi)害點(diǎn)可能發(fā)生滑坡的條件，對(duì)滑坡后可能帶來(lái)的災(zāi)害進(jìn)行模擬評(píng)估,并對(duì)滑坡后的救援方案進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，確保一旦發(fā)生滑坡，可以第一時(shí)間采取合理的救援方案實(shí)施救助，將損失降到最低。

3.7 在水利工程中的應(yīng)用

傾斜攝影直接獲取的成果是影像，在水利工程中，可基于影像為水利工程測(cè)量提供正射影像，也可基于多視影像密集匹配技術(shù)，生產(chǎn)實(shí)景三維模型，為水利工程設(shè)計(jì)方案提供依據(jù)?？梢曰谀Ｐ蜕伤畮?kù)周邊的地形圖，對(duì)水庫(kù)的水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也可監(jiān)測(cè)水庫(kù)周邊可能發(fā)生的滑坡災(zāi)害等。傾斜攝影只是獲取表面信息，并不能獲取水下的地形。Lidar具有穿透性強(qiáng)的特點(diǎn)，可對(duì)水域進(jìn)行穿透作業(yè)，直接獲取水下地形，為安全航海等提供保障。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)傾斜攝影和機(jī)載Lidar 技術(shù)進(jìn)行了說(shuō)明，并對(duì)2 種成果在工程測(cè)量中的多方面應(yīng)用進(jìn)行了分析，得出了2 種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，可為同行作業(yè)人員提供有效參考，具有一定的實(shí)用性和借鑒意義。