無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在橋墩護(hù)坡測(cè)量中的應(yīng)用研究

李永澤

（中建路橋集團(tuán)有限公司，河北石家莊 050000）

0 引言

在橋梁工程建設(shè)中，為防止橋墩受到嚴(yán)重的沖刷，時(shí)常需要設(shè)置橋墩護(hù)坡，而護(hù)坡的設(shè)置是否會(huì)對(duì)其他部位施工及使用造成影響，往往需要通過(guò)測(cè)量來(lái)確定。但由于場(chǎng)地狹窄、地勢(shì)陡峭等因素，橋墩護(hù)坡現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量難度較大，即便采用人力可以完成測(cè)量，測(cè)量成果的精度也不高，難以達(dá)到工程要求。針對(duì)這種情況，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用提供了一種新型解決方案。

1 傾斜攝影

1.1 數(shù)據(jù)獲取

對(duì)傾斜攝影而言，其數(shù)據(jù)獲取依托于搭載在飛行平臺(tái)的傳感器實(shí)現(xiàn)，能從不同角度進(jìn)行信息獲取，當(dāng)垂直地面進(jìn)行拍攝時(shí)，獲得的影像一般稱作正片，而與地面不垂直進(jìn)行拍攝時(shí)，獲得的影像一般稱作斜片。

1.2 數(shù)據(jù)處理

傾斜攝影過(guò)程中的數(shù)據(jù)處理主要是指對(duì)正片或斜片實(shí)施聯(lián)合平差或密集匹配等處理，由此生成以傾斜影像紋理為基礎(chǔ)的三維模型，進(jìn)而達(dá)到三維可量測(cè)目標(biāo)。相較于傳統(tǒng)的人工建模方式，由于傾斜攝影可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化建模，因此往往有更高的效率、精度及真實(shí)感，且能顯著降低成本。就當(dāng)前的三維模型來(lái)看，主要具有以下幾方面特點(diǎn)：①三維模型是將傾斜影像匹配作為依據(jù)確定具體體塊建立而成的，不論建筑物或地物，均為一體化表示；②模型的完整度很高，且位置準(zhǔn)確，有良好的現(xiàn)勢(shì)性，和航空影像表現(xiàn)完全一致；③三維模型能準(zhǔn)確地反映出地物外部輪廓具有的基本特征，當(dāng)視點(diǎn)高度為200m時(shí)對(duì)模型進(jìn)行瀏覽，基本沒(méi)有拉伸變形[1]。

2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量

2.1 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)

在航測(cè)遙感領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)作為最基本的飛行平臺(tái)，在進(jìn)行選型設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①設(shè)備的各項(xiàng)性能指標(biāo)，設(shè)備必須有良好安全性及可靠性；②充分考慮無(wú)人機(jī)的任務(wù)載荷水平，應(yīng)能符合任務(wù)設(shè)備搭載要求；③應(yīng)能實(shí)現(xiàn)精度控制，不論飛行軌跡或高度的控制，其精度都應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范提出的要求；④對(duì)不同環(huán)境有良好的適應(yīng)能力；⑤其他方面的技術(shù)指標(biāo)，如續(xù)航、航速、可控距離及操作便捷性[2]。

無(wú)人機(jī)具體可以分成以下幾類：固定翼、旋翼、垂直起降（一般為固定翼）和無(wú)人飛艇。不同類型無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)及不足均不相同。旋翼無(wú)人機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)包括：操作相對(duì)簡(jiǎn)單，起飛與降落靈活，有較高安全性；可實(shí)現(xiàn)低空飛行與空中懸停，能提高影像分辨率；其缺點(diǎn)為：大多搭配電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，續(xù)航不足，航速慢，航距限制大，不得不頻繁起飛與降落，影響作業(yè)效率；容易受到氣流的影響，難以對(duì)飛行姿態(tài)予以有效控制。固定翼無(wú)人機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)包括：可搭配燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，續(xù)航足，航速快；有很高控制精度，對(duì)保持分辨率的一致性有利；其缺點(diǎn)為：對(duì)起飛與降落的場(chǎng)地有很高要求，難以在人口較為密集的情況下使用；由于航速快，因此飛行高度一般不能太低，導(dǎo)致影像的清晰度和分辨率受到一定程度的影響。垂直起降無(wú)人機(jī)將前兩種無(wú)人機(jī)各自的優(yōu)勢(shì)充分結(jié)合，保留旋翼無(wú)人機(jī)的起飛與降落方式，而采用固定翼無(wú)人機(jī)的巡航方式，能在簡(jiǎn)化操作的同時(shí)保證航速，是現(xiàn)階段最重要的一種機(jī)型，但仍然存在續(xù)航方面的不足[3]。

2.2 任務(wù)載荷系統(tǒng)

作為無(wú)人機(jī)傾斜攝影的核心，任務(wù)載荷系統(tǒng)由以下幾部分構(gòu)成：①傾斜攝影相機(jī)，支持多鏡頭和多角度拍攝；②同步控制裝置，用于對(duì)多臺(tái)相機(jī)進(jìn)行同步控制；③穩(wěn)定云臺(tái)；④無(wú)人機(jī)位置及飛行姿態(tài)的動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)。在以上組成部分中，①、②屬于必備件，對(duì)地物不同方位的影像予以同步獲??；而③、④則屬于可選件，配置后能提高精度，并能為數(shù)據(jù)處理及三維建模提供幫助，保證最終的建模效果[4]。

傾斜攝影相機(jī)通常包含五個(gè)鏡頭，其中一個(gè)垂直向下，其他則按不同角度進(jìn)行設(shè)置。通過(guò)該設(shè)置，可同時(shí)對(duì)一個(gè)曝光點(diǎn)進(jìn)行正射與四個(gè)不同方向的影像進(jìn)行獲取，能顯著提高作業(yè)效率，而且對(duì)飛行航線無(wú)要求，按照常規(guī)航線進(jìn)行布置即可。當(dāng)然在某些特殊情況下可對(duì)鏡頭組合方案進(jìn)行調(diào)整，比如當(dāng)所用無(wú)人機(jī)自身任務(wù)載荷不支持搭載五個(gè)鏡頭時(shí)；相機(jī)重量較大普通小型無(wú)人機(jī)難以搭載時(shí)等。

三維建模最終效果及測(cè)圖精度會(huì)受到很多因素的影響，如設(shè)備的品質(zhì)，包括相機(jī)、像元及傳感器等；影像質(zhì)量，包括傾斜度、分辨率和重疊度等，此外，光照與地物遮擋也會(huì)影響到影像的質(zhì)量；數(shù)據(jù)處理，包括處理軟件、像控點(diǎn)精度及人員自身技術(shù)水平等?？梢?jiàn)，為保證質(zhì)量，需要從以上對(duì)三維建模有直接影響的各方面入手進(jìn)行嚴(yán)格的控制，最終達(dá)到理想效果。

2.3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

作為系統(tǒng)重要組成部分之一，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要依靠數(shù)據(jù)處理軟件為三維建模提供可靠的數(shù)據(jù)支持。通過(guò)對(duì)空三分布式計(jì)算機(jī)制的引入，能大幅加快計(jì)算速度，并能對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)空三解算、點(diǎn)云匹配及融合，對(duì)三維模型進(jìn)行自動(dòng)構(gòu)建。此外，根據(jù)二維圖像還能對(duì)實(shí)景三維模型進(jìn)行還原，在無(wú)需人工干預(yù)的情況下即可對(duì)海量模型予以批量處理。

3 基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的橋墩護(hù)坡測(cè)量

3.1 航線設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)獲取

對(duì)橋墩進(jìn)行護(hù)坡測(cè)量時(shí)，需在測(cè)量開始前做好航線規(guī)劃與設(shè)計(jì)，此時(shí)要保證航向重疊度不低于80%，且旁向重疊度不低于60%。航線布設(shè)過(guò)程中，相關(guān)工作人員需根據(jù)測(cè)區(qū)具體走向，優(yōu)先考慮直線的方法，保證首末航線與邊界線保持平行，如此，在指定測(cè)量范圍內(nèi)即可采用鏡頭進(jìn)行影像獲取。為使物體邊緣達(dá)到立體成像效果，需對(duì)無(wú)人機(jī)具體航線范圍予以嚴(yán)格控制。一般而言，航線范圍應(yīng)比測(cè)量范圍邊界線大至少200m，且最終航線路徑應(yīng)有14條以上，航向及旁向的重疊度均須達(dá)到要求，飛行點(diǎn)高度按150m控制，航向與旁向的間隔距離分別按照25m、38m嚴(yán)格控制。拍攝時(shí)，應(yīng)用五個(gè)鏡頭實(shí)施傾斜攝影，以獲得五份數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)均為POS格式。

3.2 空三加密

根據(jù)空三加密成果可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)建模，增加護(hù)坡測(cè)量方面的信息，并添加影像數(shù)據(jù)，然后針對(duì)特征點(diǎn)及連接處等開展相互匹配，以逐步形成測(cè)量區(qū)域內(nèi)三角式結(jié)果。對(duì)結(jié)果特征點(diǎn)必須認(rèn)真提取，將其作為依據(jù)建成傾斜模型，包括三角網(wǎng)、紋理映射及密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.3 矢量繪圖

在DP-Modeler的支持下根據(jù)傾斜攝影成果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，以點(diǎn)狀地物及建筑物矢量作為測(cè)量對(duì)象。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)工作人員需對(duì)不同地物實(shí)施標(biāo)記，確保矢量繪圖達(dá)到質(zhì)量要求。

3.4 成果精度及誤差分析

成果精度方面，結(jié)合規(guī)范提出的橋墩護(hù)坡測(cè)量要求，位置偏差應(yīng)能達(dá)到1∶500的繪圖要求。通過(guò)分析與研究現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，經(jīng)傾斜攝影獲取的所有矢量數(shù)據(jù)均能滿足工程測(cè)量基本要求，且在測(cè)量中還能發(fā)揮出重要的作用及價(jià)值。誤差分析時(shí)，相關(guān)工作人員應(yīng)先保證影像分辨率與精度標(biāo)準(zhǔn)到達(dá)完全一致。在攝影測(cè)量過(guò)程中，攝影照片作為一種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型，其質(zhì)量會(huì)對(duì)空三測(cè)量結(jié)果的精度及最終的三維模型構(gòu)建效果造成直接影響。

基于此，相關(guān)工作人員必須確保攝影照片達(dá)到精度要求，并應(yīng)對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)及其任務(wù)載荷系統(tǒng)進(jìn)行必要的完善與優(yōu)化。如對(duì)飛行高度進(jìn)行全過(guò)程嚴(yán)格控制，根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整長(zhǎng)焦鏡頭，以提高影像成果分辨率。在達(dá)到以上基本要求后，可以使最終得到的影像數(shù)據(jù)符合精準(zhǔn)度要求。對(duì)于空三加密產(chǎn)生的誤差，目前常用的Smart3D可能產(chǎn)生匹配及飛點(diǎn)數(shù)據(jù)等誤差，給空三精準(zhǔn)度帶來(lái)不利影響。針對(duì)這一實(shí)際問(wèn)題，應(yīng)通過(guò)適當(dāng)?shù)娜斯じ深A(yù)解決，保證空三精準(zhǔn)度，最終使測(cè)量成果達(dá)到理想精度。但人工干預(yù)要有一定限度，如果完全采用人工進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，不僅操作難度大，且極易產(chǎn)生誤差，并會(huì)受到很多客觀因素的限制及影響。若不同高程面均有相同的物體，則會(huì)在視覺(jué)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)獲取過(guò)程中對(duì)矢量精度造成影響。針對(duì)這種情況，在實(shí)際的測(cè)量工作中應(yīng)根據(jù)角度，采用適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)上述分析可知，對(duì)三維建模數(shù)據(jù)實(shí)施矢量化操作時(shí)，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)具備扎實(shí)的基本功和豐富的工作經(jīng)驗(yàn)，這是保證測(cè)量精準(zhǔn)度的基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，橋墩護(hù)坡測(cè)量作為橋梁工程建設(shè)中的重要工作，對(duì)保證橋梁質(zhì)量有重要影響。在橋墩護(hù)坡測(cè)量過(guò)程中，通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，能在提高測(cè)量效率的同時(shí)更好地保證測(cè)量質(zhì)量與準(zhǔn)確性，為后續(xù)的施工建設(shè)奠定良好基礎(chǔ)。