無人機和地面三維激光掃描儀在1:500 城市基本地形圖測繪中的應用

常志喜

（中國電建華東勘測設計研究院浙江華東建設工程有限公司,浙江 杭州 310030）

引言

隨著城市的不斷擴張,城市基礎(chǔ)設施建設日新月異,地理空間信息也變得異常復雜[1]。為了更好地滿足城市的規(guī)劃、建設,管理城市的地理信息,需要不斷地更新城市地形圖,這離不開大量的基礎(chǔ)測繪工作[2],特別是大比例尺的測圖工作中,對測繪的精度和周期要求較高。在傳統(tǒng)的測繪方法中,大量的測繪方法應用的測試設備主要集中在水準儀、經(jīng)緯儀、移動基站RTK 和傳統(tǒng)的航空攝影,這些測試方法和測試手段往往需要耗費大量的勞動力進行數(shù)據(jù)的采集和處理,導致生產(chǎn)效率低下,成果產(chǎn)出周期較長,也顯得尤為不經(jīng)濟。近年來,消費級無人機傾斜攝影設備的快速發(fā)展,搭載的攝像頭分辨率越來越高,測試功能也日益豐富,使得無人機傾斜攝影技術(shù)能夠廣泛地應用于地形測量、工程測繪、房地一體化測量、農(nóng)村土地確權(quán)等領(lǐng)域,具有高效率、重量輕、低成本、操作靈活、數(shù)據(jù)精準等諸多優(yōu)點[3]。地面三維激光掃描作為無接觸的大比例尺測圖方法,本文選擇其作為無人機傾斜攝影成果的對比方法,以驗證無人機傾斜攝影在大比例城市基本地圖測繪中的可行性。

1 無人機傾斜攝影和地面三維激光掃描的測繪原理

1.1 無人機傾斜攝影的測繪原理 傳統(tǒng)的航空攝影技術(shù)是以正射影像為理論基礎(chǔ)的地理信息測繪方法,而無人機傾斜攝影技術(shù)則是伴隨著遙感技術(shù)的演變以及消費級無人機設備的廣泛應用而發(fā)展起來的一項新興技術(shù)[4],它通過在飛行平臺上搭載多個攝影傳感器設備,從多個角度對地形地物進行影像采集,結(jié)合了正攝影像處理技術(shù)和傾斜影像處理技術(shù),以高斯卷積運算實現(xiàn)了影響的尺度變換,如公式（1）所示,依賴三維實景建模處理軟件對采集的三維影像數(shù)據(jù)以及像控點數(shù)據(jù)進行人工輔助的空三加密處理,以完全準確地重新構(gòu)建地形地物的三維影像。利用無人機傾斜攝影在城市大比例基本地形圖測繪中的應用流程如圖1 所示。

圖1 無人機攝影技術(shù)的地物圖像處理結(jié)果

式中：G（x,y,σ）為高斯函數(shù)；x、y 為平面坐標；σ 為卷積變換尺度；L（x,y,σ）為尺度空間；I（x,y）為二維圖像。

1.2 地面三維激光掃描的測繪原理 地面三維激光掃描技術(shù)也是一種高新測繪技術(shù),能夠通過配備的LIDAR激光雷達掃描系統(tǒng)實現(xiàn)非接觸的全景化高清三維彩色散點掃描[5]。掃描時,三維激光掃描儀器發(fā)射激光脈沖,測量光源與待測物體之間的垂直距離L,并旋轉(zhuǎn)水平馬達轉(zhuǎn)動裝置獲取各激光水平掃描角度α,另外,三維激光掃描儀器也可以旋轉(zhuǎn)垂直馬達轉(zhuǎn)動裝置獲得各激光垂直掃描角度β,依據(jù)幾何換算關(guān)系可以獲得待測物體任意點的三維坐標值,換算方法如公式（2）所示[6]。

式中：x、y、z 為待測物體的三維空間坐標值,m；α 為激光雷達水平掃描角度,°；β 為激光雷達垂直掃描角度,°；L 為激光雷達發(fā)射儀至待測物體表面點的直線距離。

2 工程測區(qū)基本情況

浙江省WZ 市某工業(yè)園區(qū)位于城市東北角,受到工廠生產(chǎn)以及封閉式管理模式的影響,工業(yè)園區(qū)四周修筑有花壇隔離帶、圍墻以及大門,測繪人員無法對園區(qū)內(nèi)部進行訪問。因此,傳統(tǒng)的水準儀、經(jīng)緯儀和移動基站GNSS-RTK 測繪方法的作業(yè)難度較大,不能夠達到測繪目的。測區(qū)范圍內(nèi)的地形相對平緩,道路和場地已硬化,整個園區(qū)呈規(guī)則的矩形,南北向長度約650 m,東西向?qū)挾燃s420 m,面積約273 000 m2。園區(qū)內(nèi)分布的地物主要有工業(yè)廠房、道路、花壇、大門、停車場和井蓋等,而園區(qū)外分布的地物主要有道路、建筑物等,成果需提供1:500 大比例尺地形圖。本文嘗試采用無人機傾斜攝影技術(shù)和地面三維激光掃描技術(shù)進行測量成果的綜合對比分析。

無人機攝影測量設備為大疆精靈4RTK 智能航測無人機,圖像三維處理軟件為Context Capture Master 三維智能地理信息處理軟件。無人機具備旋翼數(shù)量為6翅,槳葉類型為全碳纖折疊槳,起飛和降落方式為垂直起降,能夠?qū)崿F(xiàn)POS 輔助自動導航,搭載5 個傳感器鏡頭,鏡頭垂直焦距為20 mm,傾斜焦距為30 mm,無人機設備的軸距為1 200 mm,典型的飛行高度達到60 m～750 m,最大飛行高度為4 500 m,典型的巡航速度不超過10s-1,最大旋轉(zhuǎn)角度為250°/s,最大續(xù)航時間為30 min,衛(wèi)星定位模塊為GPS/GLONASS,影響位置精度≤±5 m,水平懸停精度為±1.5 m,可遙控距離為5km,遙控器工作頻率為2.4 GHz～2.483 GHz。由無人機相機配備的傳感器元件配置情況,可以計算得到攝影航高為750 m 時,對應的的地面分辨率為0.2 m,攝影航高為560 m時,對應的的地面分辨率為0.15 m,攝影航高為300 m 時,對應的地面分辨率為0.08 m,攝影航高為185 m 時,對應的的地面分辨率為0.05 m[7]。測繪時,無人機對園區(qū)的飛行時間約30 min,采集了正射影像350 張,傾斜影像620 張。

地面三維激光掃描測繪采用的是美國天寶公式（Trimble Inc.）高速三維激光掃描儀器Trimble X7,處理軟件為Trimble Perspective。掃描儀器置伺服驅(qū)動EDM,集多鏡頭影像、自動校準、自動配準技術(shù)和測繪級自動整平多項技術(shù)融于一體,激光波長為1 550 mm,激光轉(zhuǎn)速為200 線/s,視場為360°×282°,掃碼時間為2′34″,最大掃描速度為500 kHz,測距進度為2 mm,單張照片的分辨率為3 840×2 746 像素,相機曝光間距15m[8]。測繪時,三維激光掃描對園區(qū)的掃描時長為1d,采集照片2 300 張。

3 無人機傾斜攝影和地面三維激光掃描的測繪結(jié)果分析

3.1 無人機傾斜攝影和地面三維激光掃描的圖像處理對比 基于無人機傾斜攝影采集的影像,利用Context Capture Master 三維智能地理信息處理軟件讀取圖像的可交換圖像文件格式（EXIF 格式）和POS 數(shù)據(jù)（BLH 格式）,人工設置坐標系,將BLH 格式轉(zhuǎn)換成目標坐標系的坐標值x、y、z。依賴Context Capture Master 三維智能地理信息處理軟件的空三加密解算功能,對影像圖片進行三維模型的重建,實現(xiàn)圖像從二維DOM域轉(zhuǎn)變?yōu)槿S模型,如圖1 所示。從圖中可以看出,構(gòu)建的地形圖平整度好,能清晰直觀地反映地形地物的紋理和色彩,解算的三維模型具有高分辨率,通過軟件能夠任意獲取地形地物點的空間坐標值,甚至可以提供TIF 格式的影像圖切片,為地形圖的利用提供良好的基礎(chǔ)。

地面三維激光掃描通過發(fā)射激光無接觸地獲取海量的點云數(shù)據(jù),如圖2a 所示,隨后利用Trimble Perspective 軟件對數(shù)據(jù)的完整性、點云的質(zhì)量進行檢查,對不同測站不同方向掃描的數(shù)據(jù),軟件能夠?qū)崿F(xiàn)點源配準,將點云數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標系下,通過點云拼接和點云數(shù)據(jù)濾波后,重構(gòu)三維影像,如圖2b 所示。從圖中可以看出,地面三維激光掃描得到圖片質(zhì)量與無人機傾斜攝影得到的圖片質(zhì)量一致,表明采用這兩種方法都應用于大比例尺城市基本地形圖的測繪中,但是地面三維激光掃描技術(shù)需要耗費更多的外業(yè)時間,同時得到的云點數(shù)據(jù)量大,對設備內(nèi)存配置、運行速率和存儲空間等要求較高,內(nèi)業(yè)編輯工作量略大,在時效性上無明顯優(yōu)勢。

圖2 地面三維激光掃描技術(shù)的地物圖像處理結(jié)果

3.2 無人機傾斜攝影和地面三維激光掃描的精度對比 表1為無人機攝影技術(shù)和地面三維激光掃描技術(shù)的地物測繪精度成果對比。從表中可以看出,兩種測繪方法得到的地物坐標結(jié)果十分相近,坐標x的誤差△x 最大值為0.076 5 m,最小值為0.014 5 m,平均值為0.042 8 m；坐標y 的誤差△y 最大值為0.079 8 m,最小值為0.008 3 m,平均值為0.051 2 m。坐標點的平面誤差△xy（計算公式如公式（3）所示）

表1 無人機攝影技術(shù)和地面三維激光掃描技術(shù)的地物測繪成果對比

坐標點的平面誤差△xy 的最大值為0.105 6 m,最小值為0.023 3 m,平均值為0.070 4 m。

由以上分析表明,無論是坐標x 的誤差△x 還是坐標y 的誤差△y 還是坐標點的平面誤差△xy,其最大值均遠遠小于0.5 m,因此滿足測繪成果規(guī)范的要求,無人機傾斜攝影在大比例尺城市基本地形圖測繪中具有適用性,解譯精度高。

4 結(jié)論

以浙江省WZ 市某工業(yè)園區(qū)地形圖測繪為研究對象,采用無人機傾斜攝影和地面三維激光掃描技術(shù)相結(jié)合的方式對園區(qū)地形圖數(shù)據(jù)進行采集,分別采用專用軟件對采集數(shù)據(jù)進行三維模型構(gòu)件,并對比兩者的解譯精度,得到以下幾個結(jié)論：（1） 無人機傾斜攝影可實現(xiàn)二維和三維模型的相互轉(zhuǎn)換,構(gòu)建的地形圖平整度好,能清晰直觀地反映地形地物的紋理和色彩,解算的三維模型具有高分辨率,通過軟件能夠任意獲取地形地物點的空間坐標值。（2） 地面三維激光掃描技術(shù)得到的云點數(shù)據(jù)量大,對設備內(nèi)存配置、運行速率和存儲空間等要求較高,內(nèi)業(yè)編輯工作量略大,在時效性上無明顯優(yōu)勢。（3） 無人機傾斜攝影得到的平面誤差遠小于0.5 m,滿足測繪成果規(guī)范的要求,在大比例尺城市基本地形圖測繪中具有適用性,解譯精度高。