無人機傾斜攝影測量在城市竣工測量中的應(yīng)用研究

李威

北京帝測科技股份有限公司 北京 102200

社會經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的不斷加快，測繪行業(yè)也迎來了巨大的發(fā)展機遇。在城市建設(shè)中，測繪技術(shù)作為一項基礎(chǔ)性工作，對保障工程建設(shè)順利實施、保證工程質(zhì)量有著重要意義。因此，測繪工作要緊跟時代發(fā)展趨勢，不斷創(chuàng)新與發(fā)展[1]。

1 數(shù)據(jù)獲取

傳統(tǒng)的三維模型生產(chǎn)需要利用專業(yè)的攝影設(shè)備，而傾斜攝影測量技術(shù)不需要專業(yè)設(shè)備，僅需要一臺相機即可完成數(shù)據(jù)采集。在數(shù)據(jù)采集的過程中，無人機搭載的相機會按照預(yù)設(shè)好的角度進行拍攝，無需人工干預(yù)。在拍攝完成后，無人機會將影像傳輸?shù)接嬎銠C中進行后期處理，得到最終的三維模型。因此，在傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用于城市竣工測量中時，不需要專業(yè)設(shè)備，只需一臺相機就可以完成數(shù)據(jù)采集[2]。相對于傳統(tǒng)的三維模型生產(chǎn)來說，傾斜攝影測量技術(shù)可以極大地減少外業(yè)工作量、提高工作效率。

傾斜攝影測量技術(shù)生產(chǎn)三維模型需要通過外業(yè)數(shù)據(jù)采集來實現(xiàn)，而外業(yè)數(shù)據(jù)采集則主要分為地面控制點數(shù)據(jù)和無人機影像數(shù)據(jù)采集兩個方面。地面控制點數(shù)據(jù)獲取是指將相機架設(shè)在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，利用控制點數(shù)據(jù)來確定目標(biāo)區(qū)域中的建筑物等地物的平面位置、高程位置等[3]。當(dāng)相機架設(shè)在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)時，就可以進行傾斜攝影測量。地面控制點數(shù)據(jù)獲取的精度將直接影響到最終模型生產(chǎn)的精度。根據(jù)相關(guān)研究表明，地面控制點數(shù)據(jù)獲取的精度與無人機影像數(shù)據(jù)采集的精度存在一定差異。因此，在使用傾斜攝影測量技術(shù)進行三維模型生產(chǎn)時，必須對兩種數(shù)據(jù)采集方式進行對比分析。

在進行地面控制點數(shù)據(jù)采集時，一般是利用全站儀或者RTK等設(shè)備來完成，但是由于這些設(shè)備都需要人工干預(yù)來完成測量工作，因此需要耗費大量時間和人力物力。而利用無人機影像采集技術(shù)進行三維模型生產(chǎn)時則不需要人工干預(yù)，只需一臺無人機就可以完成測量工作。因此在城市竣工測量中使用傾斜攝影測量技術(shù)可以大大減少外業(yè)工作量、提高工作效率。

1.1 模型生產(chǎn)

傳統(tǒng)的航測技術(shù)在模型生產(chǎn)時，一般是采用人工貼圖的方式制作模型。在人工貼圖時，需要根據(jù)人工經(jīng)驗和專業(yè)知識，選擇合適的貼圖方案和貼圖位置，因此工作量較大[4]。在傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用下，通過采集多個相機的數(shù)據(jù)，再通過軟件對多張影像進行拼接處理，最后就可以得到準(zhǔn)確的模型?；谠摷夹g(shù)生產(chǎn)模型時，只需要對模型進行拼接即可，大大降低了建模難度和工作量。

1.2 數(shù)據(jù)采集

在城市竣工測量中，需要利用無人機搭載高分辨率相機來獲取影像數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)采集。具體流程如下：（1）準(zhǔn)備工作。首先，準(zhǔn)備好無人機和相機，并檢查飛行設(shè)備的安全性能和電池性能；其次，將無人機掛載在旋翼無人機上，并安裝相機，然后將相機固定到旋翼無人機上，再連接電源；最后，將旋翼無人機掛載在固定翼無人機上。首先，打開計算機控制軟件，設(shè)置好參數(shù)，并對相機進行標(biāo)定；然后，連接相機電源和計算機控制軟件；最后，啟動攝影測量系統(tǒng)。（2）數(shù)據(jù)采集。首先對無人機進行檢查和調(diào)試，確保無人機可以正常工作；然后對地面進行準(zhǔn)備工作。在地面準(zhǔn)備工作完成后，利用計算機控制軟件對相機進行標(biāo)定。在此過程中需要注意的是：標(biāo)定過程中要保證相機位置的準(zhǔn)確性；數(shù)據(jù)采集過程中要確保數(shù)據(jù)采集的完整性和準(zhǔn)確性。

2 傳統(tǒng)測繪方式和傾斜攝影測量方式的優(yōu)缺點

傾斜攝影測量技術(shù)是一種新型的三維建模技術(shù)，主要是采用航空傾斜攝影的方式，獲取被測物體的傾斜影像，利用其數(shù)據(jù)處理軟件獲取地物三維模型，并通過將地物和建筑模型進行疊加分析，從而完成對地物的信息采集。與傳統(tǒng)測量方式相比，傾斜攝影測量具有以下優(yōu)點。

2.1 數(shù)據(jù)獲取的時效性高

傳統(tǒng)的測繪方式，主要是通過人力或者是儀器設(shè)備的方式進行測量，雖然能夠較好地完成對建筑物的測量工作，但是其存在著較大的誤差，特別是在城市發(fā)展迅速的今天，很多建筑物都處于不斷變化中，因此很難對這些建筑物進行準(zhǔn)確的測量，往往需要多次測量才能得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。而在傾斜攝影測量方式中，通過傾斜攝影設(shè)備對建筑物進行拍攝，能夠獲得地物的三維模型，這就有效地解決了傳統(tǒng)測量方式所存在的誤差問題。同時通過傾斜攝影設(shè)備拍攝的地物模型具有較高的準(zhǔn)確性，不需要對建筑物進行反復(fù)測量和修正，這樣就可以提高數(shù)據(jù)獲取的時效性。

2.2 操作簡單，方便快捷

傳統(tǒng)測繪方式需要專業(yè)的測繪人員進行測繪工作，而當(dāng)前社會的不斷發(fā)展，人們對測繪人員的要求越來越高，不僅需要具備一定的專業(yè)知識，而且還需要具備較強的動手能力和實踐能力。但是對于傳統(tǒng)測繪方式來說，這兩種能力都不能很好地滿足人們對測繪工作的需求。而傾斜攝影測量技術(shù)在一定程度上解決了這一問題，只需要在電腦上安裝相應(yīng)的軟件就可以完成對地形數(shù)據(jù)的獲取工作，而且操作起來非常簡單。相比于傳統(tǒng)的測繪方式來說，傾斜攝影測量技術(shù)具有更好地可實踐性和可操作性，能夠讓我們在短時間內(nèi)掌握這一技術(shù)。而且對于一些大型建筑物而言，傾斜攝影測量技術(shù)能夠滿足其對地理數(shù)據(jù)的精確采集要求。

2.3 外業(yè)工作量少，成本低

傳統(tǒng)測量方式需要外業(yè)人員到實地進行測量，這種工作量較大的測量方式，不僅需要投入大量的人力、物力和財力，而且還會產(chǎn)生較大的成本。而無人機傾斜攝影測量技術(shù)所采用的是遙感技術(shù)，通過遙感技術(shù)對被測物體進行測繪，在外業(yè)工作中只需少量人員就可以完成外業(yè)工作，并不需要投入大量人力。并且，傾斜攝影測量所獲取的數(shù)據(jù)也不需要進行實地采集，因此不需要耗費大量人力物力財力去進行數(shù)據(jù)采集。

2.4 實景建模，直觀形象

傳統(tǒng)測繪方式主要是采用二維的影像數(shù)據(jù)，無法滿足三維信息的要求。而傾斜攝影測量方式，不僅可以將三維信息準(zhǔn)確地表現(xiàn)出來，還能讓被測物體的外觀變得更加直觀。而且，利用傾斜攝影測量方式能夠?qū)Φ匚镞M行多角度的拍攝，并且能將所拍攝到的數(shù)據(jù)信息進行充分地利用，并能通過建模對地物進行直觀的展示，讓人更加容易理解地物的特點。但同時，傾斜攝影測量也存在一定的不足之處，如受天氣因素影響較大，且測量精度不高。所以在應(yīng)用傾斜攝影測量技術(shù)時，應(yīng)加強對天氣因素以及測量精度方面的控制，并及時采取措施進行完善。

3 工程概況

某小區(qū)是一個老舊小區(qū)，內(nèi)部設(shè)施不完善，停車位不足，公共區(qū)域缺少綠化等。為改善該小區(qū)居民的生活環(huán)境，提高居住質(zhì)量，項目方?jīng)Q定在該小區(qū)建設(shè)一個地下車庫。由于該小區(qū)內(nèi)部地形較為復(fù)雜，建筑材料和施工工藝較為特殊，對地面竣工測量工作造成了很大的困難。同時，該小區(qū)內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，項目方選擇使用傳統(tǒng)測繪方式進行竣工測量。但傳統(tǒng)測繪方式存在耗時長、成本高等問題。鑒于此，項目方?jīng)Q定使用無人機傾斜攝影測量技術(shù)進行竣工測量。無人機傾斜攝影測量技術(shù)具有成本低、操作簡單、效率高的特點，能有效解決傳統(tǒng)測繪方式存在的問題。

3.1 技術(shù)方案

該項目的無人機傾斜攝影測量技術(shù)方案中，航向和旁向重疊度均為75%，縱向重疊度為50%。通過搭載不同的飛行平臺，可以獲取不同角度的影像數(shù)據(jù)。在實際測量中，由于受到自然因素的影響，各個方向的影像數(shù)據(jù)都存在一定的差異，因此需要在控制點之間進行接邊處理，然后再進行三維建模。

通過對無人機傾斜攝影測量技術(shù)方案的應(yīng)用可以發(fā)現(xiàn)，其不僅可以獲取真實可靠的地物信息，還可以采集到較為真實的地形地貌信息。由于該項目存在大量建筑物，因此在進行測繪工作時需要對建筑物的三維模型進行制作。利用無人機傾斜攝影測量技術(shù)所獲取到的影像數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)可以清晰地展現(xiàn)出建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，包括墻體、柱子等。通過對建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析和處理，可以得到相應(yīng)建筑物的三維模型和實景照片。其具體方案如下：

3.2 應(yīng)用效果分析

首先，使用無人機進行數(shù)據(jù)采集，獲取項目建設(shè)的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括建筑物的高精度坐標(biāo)、地物的高精度坐標(biāo)和三維模型等。然后，利用無人機傾斜攝影測量技術(shù)對該小區(qū)的地物和建筑物進行三維重建，將三維模型與真實模型進行對比分析，并結(jié)合 DEM生成 DEM。最后，使用無人機傾斜攝影測量技術(shù)對該小區(qū)的地物和建筑物進行了平面和高程數(shù)據(jù)采集[5]。

通過將無人機傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用到城市竣工測量中，項目方對該小區(qū)的地物和建筑物進行了快速、準(zhǔn)確的測繪，減少了人工測繪的誤差；同時，無人機傾斜攝影測量技術(shù)能快速、準(zhǔn)確地獲取地物和建筑物的三維模型數(shù)據(jù)，對小區(qū)內(nèi)地形和地物進行了全面細致地觀測；還能通過無人機傾斜攝影測量技術(shù)獲取小區(qū)內(nèi)部空間信息。

4 具體作業(yè)流程

4.1 無人機航攝規(guī)劃

在航線規(guī)劃時，要嚴(yán)格按照航線規(guī)劃執(zhí)行。由于無人機具有飛行高度低、飛行范圍大、可從不同角度拍攝等特點，因此可利用傾斜攝影技術(shù)進行規(guī)劃。在航線規(guī)劃時，要從不同角度對無人機進行拍攝，獲取高質(zhì)量的影像。由于無人機航攝系統(tǒng)具有飛行高度低、成本低等特點，因此可以快速獲取數(shù)據(jù)，大大降低了航攝時間與成本。

4.2 攝影前準(zhǔn)備

在進行攝影前，首先要進行航線規(guī)劃。在航線規(guī)劃時，要根據(jù)測區(qū)面積大小，合理安排航線數(shù)量、飛行高度、航向重疊度等參數(shù)。在航線規(guī)劃時，要嚴(yán)格按照設(shè)計要求進行規(guī)劃。在無人機飛行前，要進行必要的準(zhǔn)備工作，包括航空測量設(shè)備的調(diào)試、無人機飛行參數(shù)設(shè)置、航飛計劃制定等。

4.3 航空攝影

在進行航空攝影時，需要對影像進行適當(dāng)處理。首先要對影像進行預(yù)處理和空三加密處理；其次要對影像進行空中三角測量，對航線中存在的重疊度誤差和角度誤差進行糾正；最后要對影像的質(zhì)量和精度進行檢查。

4.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

在完成航空攝影后，要及時將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到三維軟件中進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理包括影像預(yù)處理、空三加密、三維建模等步驟。其中影像預(yù)處理主要是利用空三加密的方法對航攝影像進行質(zhì)量檢查?？杖用苤饕峭ㄟ^控制點和 GPS來完成的。對于較遠距離的攝影，可以使用GPS RTK測量方法完成空三加密工作；對于近景攝影，可以使用無人機自動采集方法完成空三加密工作；在三維建模時，要按照設(shè)計要求對模型進行檢查和優(yōu)化。

4.5 成果輸出

在完成數(shù)據(jù)處理后，需要將其導(dǎo)出到專業(yè)軟件中。主要包括格式轉(zhuǎn)換、模型編輯以及影像輸出等步驟。其中在影像輸出中，需要對原始數(shù)據(jù)進行處理并導(dǎo)出到專業(yè)軟件中。

4.6 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集主要包括實地勘測和航空攝影兩種方式。在實地勘測時，要選擇合適的測繪區(qū)域并做好相應(yīng)的保護措施；在航空攝影時，要根據(jù)航向重疊度和旁瓣重疊度選擇合適的拍攝角度和高度。

4.7 數(shù)據(jù)處理

在完成數(shù)據(jù)處理后，需要對處理結(jié)果進行質(zhì)量檢查，并利用軟件對獲取的數(shù)據(jù)進行編輯和優(yōu)化。首先要檢查處理結(jié)果是否符合設(shè)計要求；然后要根據(jù)模型特點對其進行優(yōu)化；最后要對處理結(jié)果進行檢查和驗證。

4.8 精度評定

在完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集后，需要對成果質(zhì)量進行評定。首先要檢查航攝影像是否存在變形現(xiàn)象；然后要檢查點云數(shù)據(jù)是否存在誤差；最后還要通過外業(yè)檢驗來驗證外業(yè)測量結(jié)果是否符合要求。

5 應(yīng)用效果分析

5.1 提高成果精度

傳統(tǒng)竣工測量主要是通過人工實地測量的方式獲取測繪成果，受到人為因素影響較大，結(jié)果不夠準(zhǔn)確，而通過傾斜攝影測量技術(shù)獲取的成果具有真實、全面、直觀等優(yōu)點，能較好地滿足竣工測量精度要求。

5.2 提高工作效率

由于無人機傾斜攝影測量技術(shù)在城市竣工測量中應(yīng)用，簡化傳統(tǒng)的竣工測量工作流程，不僅縮短了工作時間，而且降低人員成本和物資成本。

5.3 節(jié)約作業(yè)成本

利用無人機傾斜攝影測量技術(shù)可以采集到豐富的地物信息，通過軟件處理，生成精度高、實用性強的專題圖、矢量數(shù)據(jù)等成果，同時還可以利用這些成果進行三維建模及規(guī)劃設(shè)計，對建筑規(guī)劃設(shè)計的合理性起到重要作用。

5.4 提高城市建設(shè)管理水平

通過無人機傾斜攝影測量技術(shù)，可以對城市的每一個角落進行精細化測繪，不僅可以準(zhǔn)確獲取建筑物的位置、高度、大小等數(shù)據(jù)，還可以結(jié)合實景三維模型、矢量圖等，全面展示城市面貌。此外，還可以有效發(fā)現(xiàn)城市規(guī)劃過程中存在的問題，及時反饋給相關(guān)部門進行整改。

6 結(jié)語

綜上所述，本文通過對基于無人機傾斜攝影測量技術(shù)的城市竣工測量進行研究，證明了該技術(shù)在城市竣工測量中具有非常重要的應(yīng)用價值，為城市竣工測量提供了一種新的測量手段。