免像控?zé)o人機在竣工測量中的輔助應(yīng)用

譚忻康，魏 帆，朱雅雯

（1.武漢市測繪研究院，武漢 430021；2.中國航海圖書出版社，天津 300450）

城市發(fā)展的日新月異與井然有序離不開規(guī)劃監(jiān)督測量，竣工測量屬于規(guī)劃監(jiān)督測量的最后一個環(huán)節(jié)，其核心內(nèi)容為完成《建設(shè)工程規(guī)劃許可證》審批的各樓棟測量工作，并計算出建筑物的占地面積、主建筑面積及地下室面積，提供規(guī)劃管理部門審核；完成紅線范圍內(nèi)綠地審核測量，計算出各項綠化面積，提供綠化管理部門進(jìn)行審核；完成紅線范圍內(nèi)海綿城市規(guī)劃條件核實測量，并計算出下墊面分類面積和各項海綿設(shè)施面積，提供海綿城市管理辦公室審核；完成紅線范圍內(nèi)及周邊道路的地形測量，編繪成果圖。早在十年前，大多數(shù)測量單位的野外作業(yè)方式還停留在傳統(tǒng)的全野外解析測量階段。隨著時代的快速發(fā)展，特別是“十三五”期間我國科技力量的騰飛，產(chǎn)生了許多測量新方法新技術(shù)，特別是無人機測繪技術(shù)的出現(xiàn)，極大提高了測圖效率，但因其空中三角測量需借助已有的地面控制點，所以仍要進(jìn)行大量的野外布設(shè)和測量像控點的工作，在項目工期緊、任務(wù)重的情況下，免除野外像控點測量工作顯得無比迫切和需要。本文采用大疆精靈4 PRO RTK 無人機免像控對測區(qū)進(jìn)行航空攝影測量，獲取航攝像片，在大疆智圖數(shù)據(jù)處理軟件中進(jìn)行空中三角測量，利用地面布設(shè)的航測標(biāo)志作為檢查點評定其精度，并生成可量測三維立體模型，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集使用iData 數(shù)據(jù)工廠進(jìn)行3D 立采，對內(nèi)業(yè)無法判繪處進(jìn)行野外補調(diào)與補測，將補調(diào)補測數(shù)據(jù)和3D 立采數(shù)據(jù)經(jīng)內(nèi)業(yè)編輯成圖，并用實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)（RTK）與全站儀對測量精度進(jìn)行檢測與評定，結(jié)果顯示精度良好，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

1 作業(yè)環(huán)節(jié)

1.1 控制測量

1.1.1 RTK 控制測量

采用武漢市連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)（WHCORS）對本測區(qū)內(nèi)的RTK 三級點進(jìn)行觀測，每個控制點觀測3 個測回，每測回的自動觀測數(shù)不少于10 個觀測值。經(jīng)定邊定角檢查發(fā)現(xiàn)測區(qū)內(nèi)RTK 三級點的平面與高程精度全部滿足且優(yōu)于規(guī)范要求。測區(qū)內(nèi)共布設(shè)了10 個RTK 三級點。（因采用武漢2000 坐標(biāo)系，其與CGCS2000坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)屬保密內(nèi)容，故本文中不含坐標(biāo)信息。）

1.1.2 像控檢查點外業(yè)測量

測區(qū)內(nèi)布設(shè)了5 個像控點，均勻分布在測區(qū)四周，雖然免像控?zé)o人機航攝測量空三加密不需要地面控制點，但仍可實地布設(shè)與測量并作為內(nèi)業(yè)檢查點使用，評定其精度。地面航攝標(biāo)志臨時固定在地面上。采用WHCORS 對像控點進(jìn)行觀測，各個像控點觀測3 個測回，獲取平面坐標(biāo)及高程。像控檢查點分布圖如圖1 所示。

圖1 像控檢查點分布圖

1.2 無人機攝影測量

1.2.1 航攝設(shè)備

采用免像控大疆精靈4 PRO RTK 無人機作為航攝平臺，此無人機是一款小型四旋翼高精度航測無人機，具備厘米級導(dǎo)航定位系統(tǒng)，無人機搭載相機傳感器為一英寸，有效像素為2000 萬，焦距為24 mm。

1.2.2 航攝準(zhǔn)備與航線設(shè)計

航攝實施前，首先應(yīng)對測區(qū)周圍的權(quán)屬與單位進(jìn)行摸底和走訪，查明是否有敏感或者禁飛區(qū)域，避免造成不必要的麻煩；其次應(yīng)對測區(qū)內(nèi)建筑物信息進(jìn)行搜集，特別是建筑物高度，盡管現(xiàn)階段國產(chǎn)無人機大多都具有防碰撞雷達(dá)預(yù)警剎停等功能，但其可靠性還有待商榷，況且利用無人機測繪最重要的是要保證作業(yè)安全，故飛行高度的設(shè)置尤為重要；最后應(yīng)合理選擇起降場地和備用場地。

測區(qū)內(nèi)有眾多超高層建筑，若在日出后或日落前不久進(jìn)行飛行作業(yè)，那么其太陽高度角會偏小，相對應(yīng)的陰影倍數(shù)會過大，航攝成果建模后會出現(xiàn)局部黑團(tuán)現(xiàn)象，對于內(nèi)業(yè)三維立體模型要素采集工作是相當(dāng)不利的。因此需要選擇有利的時間進(jìn)行航攝作業(yè)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，本測區(qū)屬于“高層建筑物密集的大城市”，應(yīng)在正午前后各1 h內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，此時的太陽高度角足夠大，相對應(yīng)的陰影倍數(shù)足夠低，這樣航攝成果建模后出現(xiàn)黑團(tuán)現(xiàn)象的概率才能降到最低，更有利于工程的實施。

根據(jù)測區(qū)地形特點及相關(guān)規(guī)范要求，進(jìn)行航線設(shè)計，航線規(guī)劃為五向飛行模式，由于本測區(qū)東西方向長于南北方向，故設(shè)置為東西向飛行，且東西向飛行和地球自轉(zhuǎn)的方向一致，有利于無人機本身抵消地球自轉(zhuǎn)的影響，相對航高設(shè)置為115 m，起算點為地面，航線覆蓋整個測區(qū)，航線規(guī)劃示意圖如圖2 所示。

圖2 攝影測量3D 五向航線圖

1.2.3 漏洞補攝

因測區(qū)內(nèi)超高層建筑物居多，而航線設(shè)計的重疊度計算時相對航高的起算點為地面，故建筑上層部位航攝重疊度過低，達(dá)不到精細(xì)紋理建模要求。在五向飛行完成后，手動操控?zé)o人機進(jìn)行各建筑上層部位的補攝工作，使其重疊度滿足精細(xì)紋理建模要求。

1.3 無人機攝影測量內(nèi)業(yè)

1.3.1 基于POS 系統(tǒng)的解析空中三角測量

帶有POS 系統(tǒng)的無人機可在航攝瞬間得到每張像片的6 個外方位元素，區(qū)域網(wǎng)平差需帶入攝站點坐標(biāo)，從而無需大量的外業(yè)測量地面控制點的工作。

采用大疆智圖數(shù)據(jù)處理軟件對測區(qū)進(jìn)行基于POS系統(tǒng)的光束法區(qū)域網(wǎng)平差，為建立測區(qū)模型及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集提供準(zhǔn)確數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

全數(shù)字空中三角測量（空三加密）采用大疆智圖軟件進(jìn)行空三加密和平差解算。

1.3.2 像控檢查點內(nèi)業(yè)精度評定

航攝前于地面布設(shè)并測量的像控點可作為檢查點評定精度，在可量測三維立體模型建模前應(yīng)進(jìn)行像控檢查點的刺點工作，刺點后點云圖如圖3 所示。

圖3 點云圖

像控檢查點精度較好，殘差數(shù)值見表1。

表1 像控檢查點殘差

1.4 數(shù)據(jù)采集

1.4.1 基于可量測三維立體模型的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集

利用大疆智圖數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行三維建模后，內(nèi)業(yè)使用iData 數(shù)據(jù)工廠對測區(qū)內(nèi)的各地物、地形要素等竣工信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。測區(qū)可量測三維立體模型如圖4所示。

圖4 可量測三維立體模型

1.4.2 外業(yè)調(diào)繪與補測

由于無人機航測不可避免存在死角，且建筑內(nèi)部區(qū)域仍需測量員人工進(jìn)入測量，所以對于可量測三維立體模型無法判繪處需進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪與補測。外業(yè)補測方法有多種：綜合利用全站儀+PDA 采集法、全站儀測記法、皮尺量距法和網(wǎng)絡(luò)RTK 采集法等。

1.5 傾斜攝影測量模型精度檢測

本文為檢查可量測三維立體模型上采集的碎部點精度，在測區(qū)內(nèi)布設(shè)10 個RTK 三級點。

RTK 三級點經(jīng)4 組定邊定角檢查，最大角度較差為30"，最大距離較差為0.014 m，均小于限差，符合相關(guān)規(guī)范要求。

以RTK 三級點為起算點分別布設(shè)2 條圖根導(dǎo)線貫穿測區(qū)，包含11 個一次圖根導(dǎo)線點位，用于檢查房角點及碎部點坐標(biāo)。導(dǎo)線主要精度見表2。

表2 一次圖根導(dǎo)線精度統(tǒng)計表

將全站儀架設(shè)在圖根點上對各房角點及碎部點的距離和方位角進(jìn)行量測，由此計算各房角點及碎部點的坐標(biāo)，并與在可量測三維立體模型上采集的相對應(yīng)的點位坐標(biāo)進(jìn)行比對，評定傾斜攝影測量模型精度，結(jié)果顯示精度良好，滿足竣工測量需求。

1.6 成果圖繪制

本項目內(nèi)業(yè)使用iData 數(shù)據(jù)工廠對測區(qū)內(nèi)的各地物、地形要素等竣工信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并內(nèi)業(yè)編輯成圖。利用維思數(shù)據(jù)編輯處理系統(tǒng)平臺進(jìn)行圖形處理，編輯竣工測量信息數(shù)據(jù)，完成竣工測量成圖全數(shù)字化。綠地審核測量成果圖以規(guī)劃條件核實測量成果圖的地形部分為底圖，疊加專題要素，壓蓋部分綜合取舍，以專題要素為主成圖。海綿城市規(guī)劃條件核實測量成果圖以規(guī)劃條件核實測量成果圖的地形部分為底圖，疊加專題要素，壓蓋部分綜合取舍，以專題要素為主成圖。

1.7 質(zhì)量評價

本項目野外檢查了50 個碎部點，其點位中誤差為±2.9 cm，檢查了27 個地坪及硬化地面高程點，中誤差為±2.0 cm；檢查了26 條地物間間距，中誤差為圖上±0.18 mm。經(jīng)部門檢審，發(fā)現(xiàn)此項目的各項精度指標(biāo)均優(yōu)于《測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》的要求。由此可以證明免像控?zé)o人機對竣工測量的輔助應(yīng)用是可行的、可靠的。

2 傳統(tǒng)測繪與新型測繪技術(shù)的優(yōu)劣對比

長久以來，傳統(tǒng)測繪技術(shù)對城市的建設(shè)和社會的發(fā)展作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)，其技術(shù)的足夠成熟和高可靠性使其直到現(xiàn)在還是眾人最信賴的作業(yè)模式。在現(xiàn)代的傳統(tǒng)測量作業(yè)中，常常會用到皮尺、電子全站儀和RTK等裝備，這些測繪裝備以及使用方法其實已經(jīng)能滿足工程測量作業(yè)中對數(shù)據(jù)精度的要求。但隨著時代的快速發(fā)展，傳統(tǒng)測繪技術(shù)已開始漸漸暴露出它的不足，例如人力資源和時間的投入就是之一，測量工作最重要的是團(tuán)隊協(xié)作，所以過去經(jīng)常能看到三五名測量員一起協(xié)同作業(yè)，但其本質(zhì)原因還是因為傳統(tǒng)測繪裝備本身過度依賴于“人”。在這個“人”的價值與重要程度不斷增長的時代，自然而然會誕生出各種新裝備新技術(shù)，而免像控?zé)o人機測繪技術(shù)就是之一，其優(yōu)點不僅可大大減少人力資源和時間的投入，在某些時間緊任務(wù)重的工作要求背景下更能凸顯其效率高的優(yōu)勢，而且測量成果的豐富與多樣性也是傳統(tǒng)測繪技術(shù)所不能比擬的。但是免像控?zé)o人機測繪也有其劣勢，如易受天氣、太陽高度角的影響，且建筑物內(nèi)部仍然需要人工作業(yè)。所以可以看出，在傳統(tǒng)測繪技術(shù)與新型測繪技術(shù)的比較中，只能在某一方面有優(yōu)勢。任何一個項目的技術(shù)選擇，都要分析其工作內(nèi)容與側(cè)重點，在某些大型工程中，經(jīng)常是包含二者，正是傳統(tǒng)測繪技術(shù)的某些不足才推動了新型測繪技術(shù)的研發(fā)，而新型測繪技術(shù)同樣不是完美無缺的，在很多方面仍需要二者互補。

3 結(jié)束語

免像控?zé)o人機在竣工測量中的應(yīng)用，不但能很好地滿足相關(guān)規(guī)范對竣工測量的各項精度要求，還能極大減少人力物力投入，提高工作效率。利用無人機傾斜攝影測量構(gòu)建可量測三維立體模型豐富了測量成果的多樣性，在城市推廣“多測合一”的大背景下有著極為重要的戰(zhàn)略意義。值得注意的是，盡管無人機測量技術(shù)相比傳統(tǒng)測量模式有著得天獨厚的優(yōu)勢，但其仍然不是萬能的，在許多方面仍需測量人員采用傳統(tǒng)測量模式進(jìn)行野外補調(diào)與補測，所以新型測繪技術(shù)與傳統(tǒng)測量模式從來都不是對立面，將免像控?zé)o人機測量技術(shù)與傳統(tǒng)測量模式融合在一起，相輔相成才能為我國測繪事業(yè)作出更大的貢獻(xiàn)。