無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)繪技術(shù)在聯(lián)合測(cè)繪中的應(yīng)用研究

翁達(dá)權(quán)

摘要：利用無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量已經(jīng)成為測(cè)繪工程中較為普遍的一種方式。通過(guò)合理運(yùn)用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)，可以顯著提高測(cè)繪的精度和效率，降低工作難度，縮短工作周期，在實(shí)踐應(yīng)用中獲得廣泛好評(píng)。以汕頭市萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)為例，重點(diǎn)分析無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合使用傾斜攝影視角和垂直傾角進(jìn)行測(cè)繪采集，收集到的資料信號(hào)更為全面和精確。通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜測(cè)繪和像片控制測(cè)量的數(shù)據(jù)成果進(jìn)行聯(lián)合測(cè)繪，獲得了汕頭金平萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)的測(cè)繪成果更加直觀、全面，更具有說(shuō)服力。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合測(cè)繪 ??工程測(cè)繪 ??測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用 ??無(wú)人機(jī)航空攝影

Research on the Application of UAV Tilt Photogrammetry Technology in Joint Surveying and Mapping

—Taking the Wanda Plaza Projectin Jinping，Shantou as an Example

WENG Daquan

（Shantou Surveying and Mapping Institute of Natural Resources， Shantou，Guangdong Province， 515000 China）

Abstract： The use of drone aerial photogrammetry has become a more common method in surveying and mapping engineering. The rational use of drone remote sensing technology can significantly improve the accuracy and efficiency of surveying and mapping， reduce the difficulty of work and shorten the work cycle， and it has been widely praised in practical applications. Taking the Wanda Plaza in Shantou City as an example， this paper focuses on analyzing the advantages of UAV tilt photogrammetry technology， and combines the use of the tilt photographic perspective and the vertical tilting angle for surveying and mapping acquisition， and the collected data signals are more comprehensive and accurate. This paper conducts joint surveying and mapping through the data results of UAV tilt surveying and photo control survey， and the obtained surveying and mapping results of Wanda Plaza in Jinping， Shantou are more intuitive， comprehensive and convincing.

Key Words： Joint surveying and mapping; Engineering surveying and mapping; Application of surveying and mapping technology; Drone aerial photography

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各類先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域在不斷的擴(kuò)大。各個(gè)行業(yè)的發(fā)展與科學(xué)結(jié)合更加緊密，而且各個(gè)行業(yè)在發(fā)展的過(guò)程中與科學(xué)技術(shù)的充分結(jié)合，不僅推動(dòng)了行業(yè)的發(fā)展進(jìn)步，也為其他行業(yè)的發(fā)展提供了新的方向，科學(xué)技術(shù)與測(cè)繪工程的結(jié)合成為時(shí)代發(fā)展的必然趨勢(shì)。無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)在工程測(cè)量測(cè)繪工作中，可以獲取相對(duì)完整的圖像及被測(cè)目標(biāo)的實(shí)際信息，為工程測(cè)量測(cè)繪提供更穩(wěn)定、更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)中融合了多項(xiàng)技術(shù)手段，能夠完成工程信息測(cè)量、采集、傳遞及相關(guān)的數(shù)據(jù)處理工作，能夠以圖文并茂的形式，將測(cè)繪結(jié)果呈現(xiàn)在測(cè)繪軟件中，具有極高的靈活性。該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛，優(yōu)勢(shì)極高，在業(yè)內(nèi)贏得了一致好評(píng)，是當(dāng)前我國(guó)工程測(cè)量測(cè)繪行業(yè)的應(yīng)用重要技術(shù)之一^[1-2]。

1 無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)及其應(yīng)用

1.1 無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)

無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)是指利用無(wú)人機(jī)的高空飛行能力和自身搭載的攝像設(shè)備，在航行過(guò)程中對(duì)被測(cè)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)際情況的拍攝和測(cè)量，然后通過(guò)自身傳感器設(shè)備完成圖像拍攝和采集，并借助圖像處理技術(shù)對(duì)獲取的圖像信息進(jìn)行分析和處理，最終將結(jié)果傳遞至終端。目前，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于多種測(cè)繪領(lǐng)域，能夠高效地處理高空?qǐng)D像信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)地測(cè)量。無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)由無(wú)人機(jī)航拍系統(tǒng)和無(wú)人機(jī)航拍操作結(jié)構(gòu)兩部分組成。其中，無(wú)人機(jī)航拍系統(tǒng)包含無(wú)人機(jī)飛行器、導(dǎo)航飛控系統(tǒng)、動(dòng)力裝置、電氣系統(tǒng)和云臺(tái)等組件。在應(yīng)用時(shí)，無(wú)人飛行器作為主要載體，選擇全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）導(dǎo)航和MU定資模塊后，使用高分辨率的數(shù)字相機(jī)進(jìn)行高空拍攝。

1.2 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)流程主要分為外業(yè)過(guò)程、內(nèi)業(yè)整理和繪制成果3個(gè)部分。如圖1所示，無(wú)人機(jī)傾斜測(cè)量技術(shù)的外業(yè)過(guò)程包括了無(wú)人機(jī)的飛行和拍攝、地面控制點(diǎn)布設(shè)和GPS數(shù)據(jù)采集。內(nèi)業(yè)整理則是將外業(yè)拍攝的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、傳感器精度校正、點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取和三維模型構(gòu)建等處理。最后，繪制成果則是將三維模型導(dǎo)出，生成制圖、量算、分析和應(yīng)用。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，為工程測(cè)繪提供了更加高效、準(zhǔn)確和可靠的測(cè)繪方法。

2萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)工程測(cè)繪中無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用

為了滿足汕頭萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)項(xiàng)目規(guī)劃竣工驗(yàn)收和不動(dòng)產(chǎn)登記的需求，為相關(guān)部門實(shí)施規(guī)劃竣工驗(yàn)收和不動(dòng)產(chǎn)登記以及人防驗(yàn)收提供可靠的地理信息數(shù)據(jù)支持，同時(shí)為委托方提供全方位展示項(xiàng)目建設(shè)成果、后期物業(yè)和室外空間安全管理、消防管控等服務(wù)。根據(jù)作業(yè)區(qū)域位置、規(guī)則及建筑物特征，無(wú)人機(jī)獲取地面影像數(shù)據(jù)，分辨率不低于0.015m，并生成傾斜的實(shí)景三維模型。結(jié)合傳統(tǒng)測(cè)量手段，采集建筑物特征點(diǎn)，繪制建筑物分層平面圖、宗地圖、竣工規(guī)劃測(cè)繪總平面圖等圖件，最終得到萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)的精確測(cè)繪結(jié)果。采用技術(shù)路線“先控制后測(cè)圖、前后工序交疊進(jìn)行、測(cè)繪過(guò)程步步檢核、確保質(zhì)量的基礎(chǔ)上保證進(jìn)度”的聯(lián)合測(cè)繪方式，確保測(cè)繪工作的高質(zhì)量和進(jìn)度。

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)項(xiàng)目測(cè)繪中的應(yīng)用，大大提高了工作效率，能夠快速監(jiān)測(cè)大面積待測(cè)區(qū)域。同時(shí)，無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的數(shù)據(jù)全面性和高分辨率也為精確地繪制實(shí)景三維模型和其他測(cè)繪圖件提供了有力的支持，這種聯(lián)合測(cè)繪的方法，不僅使測(cè)繪數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確和可靠，而且能夠提高工作效率，從而節(jié)約人力和成本，具有很高的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景^[3-4]。

2. 1劃定航線與測(cè)量范圍

在運(yùn)用無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)進(jìn)行測(cè)繪時(shí)，首先需要確定目標(biāo)點(diǎn)位的測(cè)量范圍。接著根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)位的實(shí)際情況，規(guī)劃無(wú)人機(jī)的飛行路線。在實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)人機(jī)的飛行時(shí)間一般約為一個(gè)小時(shí)，但并不包括無(wú)人機(jī)的起降時(shí)間。為避免在航拍作業(yè)過(guò)程中發(fā)生能源耗盡導(dǎo)致墜機(jī)等事故，操作人員必須提前規(guī)劃好無(wú)人機(jī)的飛行路線和航拍時(shí)間，并做好充分的準(zhǔn)備工作。為了確保在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成高效、精準(zhǔn)的測(cè)量以及測(cè)繪工作，保證無(wú)人機(jī)航攝的完整性和全面性，還需要提前確定測(cè)量區(qū)域及逆行情況。確定了無(wú)人機(jī)航線并劃定了范圍后，才能使用無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)，在空中俯瞰觀測(cè)并拍攝被測(cè)量物體。在規(guī)劃航線和測(cè)量范圍時(shí)，應(yīng)充分考慮被測(cè)量區(qū)域的實(shí)際情況，將其劃分為等距離的長(zhǎng)條形狀，以便更好地進(jìn)行測(cè)量。然后，查看長(zhǎng)條區(qū)域?qū)?yīng)的四角標(biāo)志位置，并合理設(shè)置飛行時(shí)間、飛行速度和航拍距離，才能開展完整、全面的測(cè)量測(cè)繪工作。

本次測(cè)繪任務(wù)的區(qū)域位于汕頭市金平區(qū)潮汕路61號(hào)，東鄰潮州路，西鄰潮汕路，南鄰竹堤路，北鄰金鳳路，總面積約為64 016.00 m²，規(guī)劃許可總建筑面積為141 919.76 m²。該區(qū)域人口密集，交通流量大，屬于亞熱帶氣候，位于赤道低氣壓帶和副熱帶高壓帶之間，在東北信風(fēng)帶的南緣，氣候溫和，冬季偶有短時(shí)霜凍。周圍環(huán)繞著低層住宅樓，地形平坦，通視良好，交通便利，日照充足，風(fēng)力較小，非常適合使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行航拍測(cè)繪。

在設(shè)計(jì)航線時(shí)，首先需要考慮測(cè)區(qū)建筑的高度和建筑之間的間距，確定航線的旁向重疊率。已有資料顯示，該區(qū)域主要是由多層建筑和平房組成，因此我們將旁向重疊率設(shè)計(jì)為65%，航向重疊率為75%。如果測(cè)區(qū)邊緣是建筑物，我們需要根據(jù)視高度情況外擴(kuò)1～2條航線。本次作業(yè)的飛行高度為150 m，個(gè)別困難地區(qū)可適當(dāng)增加航高，航高差為20 m。在地面站確認(rèn)飛行區(qū)域后，輸入飛行高度、旁向重疊率等參數(shù)，進(jìn)行航線規(guī)劃。預(yù)計(jì)需要5～6次航行，才能在1個(gè)有效工作日內(nèi)完成任務(wù)。同時(shí)，相鄰航線間的相鄰架次的下視重疊率不得低于70%。

因此，在無(wú)人機(jī)航拍測(cè)繪的過(guò)程中，需要仔細(xì)考慮航線的設(shè)計(jì)和規(guī)劃，以確保任務(wù)的高效和準(zhǔn)確完成。

2.2建立目標(biāo)區(qū)域控制網(wǎng)

在進(jìn)行無(wú)人機(jī)航拍前，必須先在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)建立區(qū)域控制網(wǎng)，以提高測(cè)量測(cè)繪的精度，完成精細(xì)化測(cè)繪作業(yè)，提高測(cè)量測(cè)繪的質(zhì)量和效率。在建立測(cè)量區(qū)域控制網(wǎng)時(shí)，工作人員應(yīng)結(jié)合該工程的實(shí)際情況和測(cè)量區(qū)域的地圖信息，建設(shè)與工程測(cè)量測(cè)繪規(guī)模相適應(yīng)的控制網(wǎng)絡(luò)。在控制網(wǎng)的范圍內(nèi)，應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的GPS坐標(biāo)點(diǎn)，并建立三維坐標(biāo)系。各GPS坐標(biāo)點(diǎn)的方位應(yīng)標(biāo)記在三維坐標(biāo)系中，為后續(xù)的測(cè)量、測(cè)繪和數(shù)據(jù)分析提供有力的支持。

汕頭市已經(jīng)建立了CORS網(wǎng)（共有5個(gè)基站），該網(wǎng)采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系作為坐標(biāo)系統(tǒng)，采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)作為高程基準(zhǔn)。CORS站南北分量的中誤差平均值為±0.3 mm，最大值為±0.3 mm；東西分量的中誤差平均值為±0.3 mm，最大值為±0.3 mm；垂直分量的中誤差平均值為±1.2 mm，最大值為±1.3 mm。CORS網(wǎng)作為本測(cè)區(qū)像片控制測(cè)量和無(wú)人機(jī)傾斜航空攝影的起算點(diǎn)，采用汕頭市5″導(dǎo)線點(diǎn)作為檢測(cè)控制點(diǎn)。在現(xiàn)場(chǎng)布控3個(gè)一級(jí)控制點(diǎn)，利用徠卡2″全站儀現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)導(dǎo)線，結(jié)合無(wú)人機(jī)傾斜影像進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。控制測(cè)量和導(dǎo)線測(cè)量采用CORS實(shí)時(shí)定位技術(shù)，使用RTK進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。控制測(cè)量和導(dǎo)線測(cè)量的技術(shù)要求見下表1和表2。

2.3 開展外業(yè)航攝

在無(wú)人機(jī)起飛前，技術(shù)人員須重新組裝無(wú)人機(jī)機(jī)體，確保無(wú)人機(jī)的狀態(tài)穩(wěn)定。安裝無(wú)人機(jī)航攝彈射架，并將提前設(shè)定好的飛行信息錄入無(wú)人機(jī)飛行系統(tǒng)中。在巡航飛行過(guò)程中，操控手需時(shí)刻緊盯無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)，而技術(shù)支持人員則需觀察地面站上顯示的數(shù)據(jù)，不斷向操控手匯報(bào)無(wú)人機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，例如電壓、水平速度、高度和姿態(tài)等，并負(fù)責(zé)疏散圍觀人群、觀察實(shí)時(shí)交通狀況，以確保操控手的安全。在外業(yè)航攝作業(yè)過(guò)程中，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)的核心系統(tǒng)，可用于實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)飛行的操控和跟蹤定位，并執(zhí)行高效的信息傳輸。在無(wú)人機(jī)起飛后，操作人員可啟動(dòng)巡航模式，使無(wú)人機(jī)按照預(yù)設(shè)的航線進(jìn)行飛行。操控人員需密切觀察無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)和周邊環(huán)境的變化，一旦發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)飛行異常，應(yīng)立即采取人工操作干預(yù)以便控制無(wú)人機(jī)的航攝過(guò)程。

1. 萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)基于無(wú)人機(jī)傾斜影像和像片控制的三維實(shí)景模型生產(chǎn)

3.1 無(wú)人機(jī)傾斜影像處理

完成外業(yè)航攝后，無(wú)人機(jī)拍攝的影像和數(shù)據(jù)信息是進(jìn)一步分析和處理的基礎(chǔ)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理前，需要對(duì)外業(yè)采集的影像、位置信息和參數(shù)信息進(jìn)行檢查，以確保它們符合處理要求。這個(gè)過(guò)程通常包括3個(gè)主要的部分：首先是對(duì)測(cè)區(qū)傾斜影像的檢查，以確定影像質(zhì)量是否符合要求；其次是對(duì)與傾斜影像相關(guān)的POS等參數(shù)信息進(jìn)行處理，以確保它們準(zhǔn)確無(wú)誤地反映了無(wú)人機(jī)的位置和姿態(tài)；最后是對(duì)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析。

此時(shí)，數(shù)據(jù)分析和處理的任務(wù)包括影像比例的校正以及數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）數(shù)據(jù)的匹配。在執(zhí)行無(wú)人機(jī)航拍任務(wù)期間，需要考慮影像畸變的影響，并進(jìn)行糾正，包括被測(cè)目標(biāo)主點(diǎn)坐標(biāo)和對(duì)稱畸變參數(shù)、CCD非正交性畸變系數(shù)、非對(duì)稱畸變參數(shù)等。同時(shí)，在DEM數(shù)據(jù)匹配處理中，需要建立被測(cè)目標(biāo)的地表DEM模型，進(jìn)行正射投影分析，并用于匹配DEM數(shù)據(jù)。通常使用pixel grid軟件進(jìn)行DEM數(shù)據(jù)匹配，利用該軟件的自動(dòng)數(shù)據(jù)采集和多模型匹配功能，有助于工作人員快速完成DEM點(diǎn)位的設(shè)置。通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影獲取測(cè)繪信息，并對(duì)其進(jìn)行處理和分析，以得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。

3.2 像片控制測(cè)量

像片控制測(cè)量采用基于CORS站的網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量方法，同時(shí)進(jìn)行平面和高程測(cè)量。在困難地區(qū)，也可采用全站儀進(jìn)行測(cè)量。檢核點(diǎn)的測(cè)量方法與像控點(diǎn)相同，對(duì)于建筑物頂部的檢核點(diǎn)，可以使用全站儀進(jìn)行測(cè)量。完成像片控制測(cè)量后，需要按照要求對(duì)像片控制點(diǎn)成果表、計(jì)算表、點(diǎn)之記進(jìn)行整理和核對(duì)，并由核對(duì)者簽字確認(rèn)后方可提交內(nèi)業(yè)處理。在汕樟路測(cè)區(qū)，像控點(diǎn)（包括檢查點(diǎn)）的點(diǎn)位信息需要按照“像控點(diǎn)點(diǎn)位信息表”的格式統(tǒng)一記錄。

在完成像片控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)后，需要按照要求繪制測(cè)區(qū)像片控制點(diǎn)布點(diǎn)略圖，用于展示成果。在繪制略圖時(shí)，需要考慮布點(diǎn)的準(zhǔn)確性和可視性，確保圖像清晰、易于理解。這樣可以為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作提供有效的支持，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量和精度達(dá)到要求^[5-6]。

3.3 三維實(shí)景模型生產(chǎn)

為確保實(shí)景三維數(shù)據(jù)的質(zhì)量和精度，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，需要遵循各項(xiàng)處理規(guī)范。首先，需要將采集到的POS信息和傾斜影像制作成影像參數(shù)文件，將相機(jī)信息制作成相機(jī)參數(shù)文件，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。其次，在街景工廠中建立工作流程，匹配空三連接點(diǎn)并進(jìn)行校正。由于計(jì)算連接點(diǎn)誤差較大，需要進(jìn)行人工干預(yù)，并修正至標(biāo)準(zhǔn)值，以提高數(shù)據(jù)的精度和準(zhǔn)確性。最后，進(jìn)行建模生產(chǎn)，生成高質(zhì)量的實(shí)景三維數(shù)據(jù)。具體實(shí)施步驟包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、三維建模、紋理映射、質(zhì)檢等環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都需要遵循相應(yīng)的處理規(guī)范，以確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量和精度達(dá)到要求。

三維建模是街景工廠利用分布式計(jì)算模式進(jìn)行任務(wù)處理的過(guò)程，能夠高效地處理大量的數(shù)據(jù)。在實(shí)景三維建模過(guò)程中，需要考慮到大氣反射、水面反射、鏡面反射以及拍攝分辨率等因素的影響，這些因素可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)的缺失、顏色失真、結(jié)構(gòu)丟失、破損等問(wèn)題。為了得到符合要求的數(shù)據(jù)，需要在3Dmax等軟件中進(jìn)行二次處理，以修復(fù)缺陷和提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。

萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)實(shí)景三維模型如圖2所示，該模型展示了建筑物的立體結(jié)構(gòu)、立面外觀和細(xì)節(jié)特征等信息，具有較高的精度和真實(shí)性。這種建模技術(shù)可以應(yīng)用于城市規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)、電影制作、游戲開發(fā)等領(lǐng)域，為各種應(yīng)用提供了重要的數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)語(yǔ)

在汕頭金平萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)工程測(cè)繪中，無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)手段的使用解決了傳統(tǒng)測(cè)量模式下對(duì)建筑物造型奇特、誤差大、耗時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題，精確測(cè)定了建筑物不規(guī)則的外立面曲線，并解決了普通儀器對(duì)建筑物陽(yáng)角及陰角在視覺(jué)下出現(xiàn)疊影難以識(shí)別照準(zhǔn)的問(wèn)題。此外，無(wú)人機(jī)測(cè)繪還輔助驗(yàn)證聯(lián)合測(cè)繪成果數(shù)據(jù)，豐富了聯(lián)合測(cè)繪成果，并為后期成果延展運(yùn)用提供了有力支撐。通過(guò)無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)手段的應(yīng)用，汕頭金平萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)工程的測(cè)繪工作得以高效地實(shí)現(xiàn)，并獲得了精確可靠的測(cè)繪數(shù)據(jù)，這將對(duì)后續(xù)的建設(shè)、管理和維護(hù)工作產(chǎn)生重要影響。

參考文獻(xiàn)

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