傾斜攝影在城市道路竣工測(cè)量中的應(yīng)用分析

童楊津，丁進(jìn)選*，趙文峰，蔡 軍，李 廣，陳弘祖

（1.深圳市長(zhǎng)勘勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518003；2.賀州學(xué)院，廣西 賀州 542899；3.廣州天派空間科技有限公司，廣州 510055）

近年，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)測(cè)繪領(lǐng)域應(yīng)用研究的熱點(diǎn)，相較傳統(tǒng)測(cè)量方式，因其自動(dòng)化程度高、能大大縮短外業(yè)時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)在各類(lèi)測(cè)繪項(xiàng)目均有應(yīng)用研究[1-6]。城市道路竣工測(cè)量作為城市道路規(guī)劃監(jiān)督的重要環(huán)節(jié)，其結(jié)果是判定城市道路工程施工是否符合規(guī)劃設(shè)計(jì)要求及能否順利竣工驗(yàn)收的重要依據(jù)。因此，選擇合適的高精度、高效的測(cè)量方法實(shí)施是城市道路竣工測(cè)量項(xiàng)目首要考慮的問(wèn)題。徐寧等[7]利用車(chē)載三維激光測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行城市道路竣工測(cè)量，結(jié)果表明平面精度及高程精度分別可達(dá)11.0 cm、6.6 cm，同時(shí)能有效縮短作業(yè)時(shí)間。楊銘[8]從精度及內(nèi)外業(yè)作業(yè)效率等方面對(duì)比了地面三維激光掃描、背包式移動(dòng)掃描、無(wú)人機(jī)傾斜攝影等3種方法在城市道路竣工測(cè)量中的應(yīng)用表現(xiàn)，結(jié)果顯示平面及高程精度均優(yōu)于5 cm，滿(mǎn)足道路竣工測(cè)量的要求，作業(yè)效率較傳統(tǒng)方法優(yōu)勢(shì)明顯。然而影響傾斜攝影測(cè)量精度的因素較多，如相機(jī)鏡頭、飛行相對(duì)高度、刺點(diǎn)精度等，同時(shí)實(shí)測(cè)-設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)符合性比對(duì)也是竣工測(cè)量工作中的重要組成部分，其比對(duì)方法的簡(jiǎn)便性也是選擇竣工測(cè)量方法需考慮的因素之一。

為此，本文以深圳市某道路改造工程竣工測(cè)量為例，利用低空無(wú)人機(jī)對(duì)項(xiàng)目測(cè)區(qū)進(jìn)行傾斜攝影并生成實(shí)景三維模型，通過(guò)空三精度、模型精度、設(shè)計(jì)-實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)方法等方面分析傾斜攝影測(cè)量在城市道路竣工測(cè)量的普適性，同時(shí)嘗試采用傾斜攝影點(diǎn)云+三維激光點(diǎn)云融合建模，為后續(xù)道路竣工測(cè)量提供新的思路。

1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目位于深圳市龍崗區(qū)，道路呈東西走向，全長(zhǎng)約3.3 km。本次道路改造將原來(lái)的主線(xiàn)雙向四車(chē)道或六車(chē)道改造成雙向八車(chē)道，紅線(xiàn)規(guī)劃寬度為50～65 m，路幅實(shí)際控制寬度為50 m，整個(gè)標(biāo)段設(shè)有3座人行天橋。該項(xiàng)目于2017年2月開(kāi)工建設(shè)，2019年10月全線(xiàn)竣工。本次竣工測(cè)量的內(nèi)容主要包括道路部分、管線(xiàn)部分（管線(xiàn)部分不在本論文研究范圍內(nèi)）和橋梁部分的內(nèi)容。道路部分主要包括道路起、終點(diǎn)位置測(cè)繪，道路縱、橫斷面圖測(cè)繪及1∶500竣工現(xiàn)狀圖測(cè)繪，橋梁部分為人行天橋橋長(zhǎng)、橋?qū)?、橋高測(cè)量及橋墩、橋體平面位置測(cè)量等。三維模型俯視圖如圖1所示。

圖1 三維模型俯視圖

2 試驗(yàn)方案

2.1 控制測(cè)量

竣工測(cè)量前，沿道路兩側(cè)按折線(xiàn)形布測(cè)平高控制點(diǎn)26個(gè)，為盡量減少控制點(diǎn)間的誤差對(duì)模型精度的影響，控制點(diǎn)平面坐標(biāo)和高程分別按二級(jí)、四等水準(zhǔn)[9]要求進(jìn)行施測(cè)。

2.2 飛行方案

本項(xiàng)目采用致睿智控六旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行航測(cè)，該無(wú)人機(jī)搭載5鏡頭相機(jī)，相幅大小為15.6 mm×23.5 mm，傾斜相機(jī)鏡頭焦距均為35mm，下視相機(jī)鏡頭焦距為25mm，總像素達(dá)1.2億?？紤]項(xiàng)目周邊現(xiàn)場(chǎng)情況及檢驗(yàn)傾斜攝影在城市道路竣工測(cè)量的普適性，飛行高度設(shè)定為150m，其余參數(shù)如飛行速度設(shè)為10 m/s，飛行航向、旁向重疊率分別設(shè)置為85%和80%，共飛行4個(gè)架次，相片總數(shù)達(dá)11 664幅。航線(xiàn)示意圖如圖2所示。

圖2 航線(xiàn)示意圖

3 數(shù)據(jù)處理及分析

3.1 數(shù)據(jù)處理及精度分析

采用建模軟件進(jìn)行空三處理和三維建模，26個(gè)控制點(diǎn)中有9個(gè)控制點(diǎn)設(shè)置為檢查點(diǎn)，以重投影中誤差、光線(xiàn)距離中誤差、平面誤差及高程誤差等作為控制點(diǎn)、檢查點(diǎn)空三精度指標(biāo)，控制點(diǎn)、檢查點(diǎn)空三精度分別如圖3（a）、圖3（b）所示，結(jié)果表明控制點(diǎn)/檢查點(diǎn)的空三總體精度良好且高程誤差均優(yōu)于平面誤差，檢查點(diǎn)的各項(xiàng)精度指標(biāo)數(shù)值總體略高于控制點(diǎn)。

圖3 控制點(diǎn)/檢查點(diǎn)空三精度

利用iData 3D軟件直接在生成的實(shí)景三維模型上取點(diǎn)并繪制1∶500地形圖。為驗(yàn)證模型精度，利用全站儀在控制點(diǎn)架站，采用極坐標(biāo)法采集檢測(cè)坐標(biāo)點(diǎn)共90個(gè)，同時(shí)對(duì)選取的56條邊長(zhǎng)進(jìn)行檢測(cè)，其中檢測(cè)邊長(zhǎng)處于0.6～35.4 m，檢測(cè)點(diǎn)主要為路幅范圍內(nèi)有明顯標(biāo)識(shí)的點(diǎn)位，檢測(cè)邊為綠化帶、非機(jī)動(dòng)車(chē)道、機(jī)動(dòng)車(chē)道、人行道等寬度、人行天橋長(zhǎng)寬及其他易于比較的邊線(xiàn)等。

圖4分別顯示了檢測(cè)點(diǎn)與三維模型取點(diǎn)的點(diǎn)位較差、高程較差以及檢測(cè)邊的邊長(zhǎng)較差，較差總體分布于區(qū)間（-5 cm，5 cm）內(nèi)，采用下列公式[10]分別計(jì)算點(diǎn)位中誤差、高程中誤差及邊長(zhǎng)中誤差

圖4 檢測(cè)點(diǎn)（邊）較差

式中：M為成果中誤差；n為檢測(cè)點(diǎn)（邊）總數(shù)；Δi為較差。經(jīng)計(jì)算，檢測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位中誤差、高程中誤差及檢測(cè)邊邊長(zhǎng)中誤差分別為±3.8 cm、±2.7 cm、±3.6 cm，結(jié)果表明本次路幅范圍內(nèi)構(gòu)建的三維模型精度良好，且高程精度優(yōu)于平面精度，滿(mǎn)足本工程道路部分及橋梁部分（橋墩平面位置、天橋橋下凈空高除外）竣工測(cè)量要求。

3.2 設(shè)計(jì)-實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合性比對(duì)方法

設(shè)計(jì)值與實(shí)測(cè)值符合性的比對(duì)工作，一般以當(dāng)?shù)匾?guī)劃主管部門(mén)存檔蓋章的設(shè)計(jì)圖紙作為設(shè)計(jì)依據(jù)，通過(guò)實(shí)測(cè)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)比對(duì)確定道路施工是否滿(mǎn)足規(guī)劃設(shè)計(jì)要求，是竣工測(cè)量中最耗時(shí)、最重要的工作之一。而通過(guò)傾斜攝影測(cè)量生成實(shí)景三維模型，借助iData 3D等三維立體數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)電子圖（確保與存檔蓋章圖紙相一致）與實(shí)測(cè)電子圖在二維窗口疊加比對(duì)分析，同時(shí)與三維模型窗口聯(lián)動(dòng)，能夠直觀地對(duì)比出設(shè)計(jì)圖與實(shí)測(cè)圖的差異性，相比傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)對(duì)應(yīng)的比對(duì)手段，更加直觀、便捷與高效。設(shè)計(jì)-實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)疊加比對(duì)如圖5所示。

圖5 設(shè)計(jì)-實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)疊加比對(duì)

4 點(diǎn)云融合建模

受無(wú)人機(jī)飛行路徑規(guī)劃方法影響，傾斜相機(jī)存在視線(xiàn)遮擋區(qū)域，導(dǎo)致模型存在誤差大或局部變形等問(wèn)題[11]，如橋墩模型變形及破洞，導(dǎo)致從橋墩模型上不能準(zhǔn)確測(cè)量其平面位置，因此在含有人行天橋或高架橋的部分道路竣工測(cè)量項(xiàng)目中難以運(yùn)用單一傾斜攝影測(cè)量法完成，需通過(guò)全站儀或三維激光掃描儀進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。針對(duì)上述問(wèn)題，選取了一段200 m左右的路段（含人行天橋）作為試驗(yàn)，利用GeoSLAM（ZEB-HORIZON）移動(dòng)掃描儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)掃描，嘗試采用傾斜攝影點(diǎn)云與三維激光點(diǎn)云融合建模，點(diǎn)云融合如圖6所示。

圖6 點(diǎn)云融合

圖7分別列舉了點(diǎn)云融合所建模型與傾斜攝影模型在人行天橋橋墩橋體、護(hù)欄及路牙等地物模型上的對(duì)比圖，其中圖7（a）、7（c）、7（e）為傾斜攝影模型，圖7（b）、7（d）、7（f）為點(diǎn)云融合后生成的模型，可以看出點(diǎn)云融合所建三維模型在模型結(jié)構(gòu)表達(dá)上優(yōu)于傾斜攝影模型。至于點(diǎn)云融合所生成的模型絕對(duì)精度，在傾斜攝影點(diǎn)云精度一定的情況下，主要與三維激光點(diǎn)云配準(zhǔn)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度具有很大關(guān)系，在后續(xù)工作中需做進(jìn)一步研究。

圖7 模型對(duì)比圖

5 結(jié)論

本文以深圳市某道路改造工程竣工測(cè)量為例，運(yùn)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行城市道路竣工測(cè)量，通過(guò)對(duì)空三精度、模型精度及設(shè)計(jì)-實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合性比對(duì)方法等分析，表明傾斜攝影測(cè)量滿(mǎn)足道路竣工測(cè)量的要求，且具有高效性、直觀性和易于對(duì)比施工設(shè)計(jì)圖等優(yōu)點(diǎn)。為解決模型缺陷問(wèn)題，嘗試傾斜攝影點(diǎn)云+三維激光點(diǎn)云融合建模，結(jié)果顯示點(diǎn)云融合所建模型在道路及其附屬設(shè)施結(jié)構(gòu)表達(dá)上優(yōu)于傾斜攝影模型，為后續(xù)道路竣工測(cè)量項(xiàng)目的實(shí)施提供了新的思路。