測(cè)繪新技術(shù)在測(cè)繪工程中應(yīng)用的常見(jiàn)問(wèn)題及對(duì)策分析

［關(guān)鍵詞］測(cè)繪；三維激光掃描；無(wú)人機(jī)

隨著測(cè)繪工程復(fù)雜性要求的提升，傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)逐漸難以滿足需求，信息技術(shù)背景下，測(cè)繪體系發(fā)生了極大的變革，測(cè)繪技術(shù)水平也實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，當(dāng)前各種計(jì)算機(jī)技術(shù)、衛(wèi)星探測(cè)技術(shù)等都被應(yīng)用于測(cè)繪工程，常用的測(cè)繪技術(shù)包括GPS 技術(shù)、GIS 技術(shù)、RS技術(shù)，以及以CORS 技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)和無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)等為代表的新型測(cè)繪技術(shù)。但新技術(shù)運(yùn)用過(guò)程中仍然存在各種問(wèn)題，加強(qiáng)對(duì)于測(cè)繪新技術(shù)運(yùn)用研究是十分有必要的。對(duì)此，本文采取了案例分析法，針對(duì)測(cè)繪技術(shù)常見(jiàn)應(yīng)用問(wèn)題展開(kāi)探討。

1. 工程概況

本文以某建筑工程為例，針對(duì)其竣工測(cè)量時(shí)，各種測(cè)繪新技術(shù)的應(yīng)用展開(kāi)研究和探討。該項(xiàng)目位于安徽省某城市高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)，地理位置十分優(yōu)越。整個(gè)建筑項(xiàng)目包括14棟單體建筑物，總建筑面積為16.7萬(wàn)平方米。為體現(xiàn)項(xiàng)目特點(diǎn)，建筑外形有著較強(qiáng)的設(shè)計(jì)感，不同建筑物外觀各具特色，包括弧線三角形設(shè)計(jì)、弧形倒角設(shè)計(jì)等，建筑輪廓相對(duì)較為復(fù)雜，且多由曲線構(gòu)成，工程測(cè)繪難度較大。

2. 測(cè)繪新技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中的常見(jiàn)問(wèn)題

結(jié)合案例工程特點(diǎn)，此次工程測(cè)量主要應(yīng)用的測(cè)繪新技術(shù)包括CORS技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)以及無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)?；诮ㄖ锾攸c(diǎn)，以及不同測(cè)繪技術(shù)的情況，在進(jìn)行工程測(cè)量的過(guò)程中，可能存在各種因素和問(wèn)題會(huì)影響測(cè)量精度。

2.1 CORS技術(shù)

2.1.1 工作原理

CORS實(shí)際上就是利用多基站網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)建立衛(wèi)星定位服務(wù)參考站，該技術(shù)融合了衛(wèi)星定位技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種先進(jìn)技術(shù)，主要包括基準(zhǔn)站網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、定位導(dǎo)航播發(fā)系統(tǒng)以及用戶應(yīng)用系統(tǒng)。在系統(tǒng)工作之前，移動(dòng)用戶會(huì)與數(shù)據(jù)處理中心通信，并選取最佳固定基準(zhǔn)站，對(duì)軌道誤差等矯正數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，然后由控制中心根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行誤差修正，最后將得到的信號(hào)傳送至移動(dòng)站，以此完成定位工作。該技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于能夠有效解決傳統(tǒng)RTK技術(shù)應(yīng)用下對(duì)于作業(yè)距離上的限制問(wèn)題，同時(shí)有效保障了測(cè)量精度，簡(jiǎn)化了測(cè)量流程。

2.1.2 影響精度因素

影響CORS網(wǎng)絡(luò)下RTK技術(shù)測(cè)量精度的主要因素包括以下兩個(gè)方面。

第一，控制網(wǎng)點(diǎn)位分布影響。控制網(wǎng)點(diǎn)位分布會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)換參數(shù)產(chǎn)生較大的影響，由于在應(yīng)用RTK技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中，得到坐標(biāo)與工程應(yīng)用坐標(biāo)不同，在完成測(cè)量之后，還需要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行參數(shù)轉(zhuǎn)換，而轉(zhuǎn)換點(diǎn)的選取、測(cè)區(qū)內(nèi)控制點(diǎn)的選取、測(cè)區(qū)的范圍以及觀測(cè)區(qū)的地形等都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生直接影響。第二，信號(hào)質(zhì)量影響。在測(cè)量的過(guò)程中各環(huán)節(jié)信號(hào)傳輸都是以無(wú)線的形式進(jìn)行的，十分容易受到周?chē)h(huán)境的影響，例如衛(wèi)星空幾何分布、流動(dòng)站與基準(zhǔn)站間的距離，以及衛(wèi)星信號(hào)受到的各種干擾等［1］。

2.2 三維激光掃描

2.2.1 工作原理

三維激光掃描系統(tǒng)的測(cè)量原理，就是以測(cè)量?jī)x器為原點(diǎn)建立三維坐標(biāo)系，然后通過(guò)激光光束，明確測(cè)量目標(biāo)與儀器中心的距離，以及激光光束角度等，以此計(jì)算得到待測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，三維激光掃描的測(cè)量原理圖如圖1所示。

2.2.2 影響精度因素

結(jié)合三維激光掃描原理和工作流程可知，影響三維激光掃描結(jié)果精度的因素是多種多樣的。在測(cè)量的過(guò)程中，不同測(cè)繪工程中，掃描的場(chǎng)景不同，掃描的對(duì)象不同，此外，外界環(huán)境也存在較大差異，而且會(huì)存在各種系統(tǒng)誤差以及隨機(jī)誤差，在掃描的過(guò)程中，各種誤差不斷累積，就會(huì)使得掃描結(jié)果的精度不斷下降。在精度分析的過(guò)程中，影響精度的最主要因素包括以下三個(gè)方面：第一，儀器裝置本身，即各種硬件參數(shù)、設(shè)備精度等；第二，掃描的幾何條件，掃描儀的設(shè)置位置，對(duì)于掃描的距離、角度等都有一定影響；第三，被掃描物體特性，不同被掃描物，由于材質(zhì)不同、形態(tài)不同，反射面的情況以及與掃描儀波長(zhǎng)的匹配度等各不相同[2]。

2.3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影

2.3.1 工作原理

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)在進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中，需要對(duì)云端數(shù)據(jù)、數(shù)字正射影像以及三維模型等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理。整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)包括以下五個(gè)部分，即無(wú)人機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、導(dǎo)航控制系統(tǒng)、地面站以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。該測(cè)量系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)在于測(cè)量時(shí)間較短，容易操作，而且運(yùn)行成本低，受到云霧的影響較小，成像有著較高的分辨率。

2.3.2 影響精度因素

影響無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量結(jié)果精度的因素包括以下幾個(gè)方面：第一，影像畸變，原因包括鏡頭畸變、外方位元素，以及地形起伏；第二，影像采集誤差，造成采集誤差的因素包括巡航速度控制問(wèn)題、飛行質(zhì)量較差；第三，像控點(diǎn)誤差，例如像控點(diǎn)布設(shè)方案不合理、像控點(diǎn)測(cè)量精度誤差等；第四，空中三角測(cè)量誤差，主要影響因素包括像控點(diǎn)精度、影像分辨率、測(cè)量精度以及平差計(jì)算精度；第五，內(nèi)業(yè)誤差，主要原因多為人為因素，例如技術(shù)水平、工作素質(zhì)、熟練度等[3]。

3. 解決測(cè)繪新技術(shù)應(yīng)用問(wèn)題的有效對(duì)策

3.1 CORS技術(shù)常見(jiàn)問(wèn)題應(yīng)對(duì)策略

3.1.1 操作技術(shù)控制

根據(jù)上述分析可知，影響CORS技術(shù)下網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量精度的主要因素在于控制網(wǎng)點(diǎn)位的分布情況和信號(hào)質(zhì)量，測(cè)繪過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)于控制點(diǎn)選擇以及信號(hào)質(zhì)量把控的重視。

在觀測(cè)點(diǎn)選擇方面：第一，在適當(dāng)范圍內(nèi)盡可能增加高等級(jí)控制點(diǎn)的數(shù)目，提高轉(zhuǎn)換參數(shù)擬合精度，減少誤差影響；第二，確?？刂泣c(diǎn)分布均勻，并能夠控制整個(gè)測(cè)區(qū)，同時(shí)選取觀測(cè)條件較好的位置進(jìn)行測(cè)量；第三，合理確定測(cè)區(qū)范圍，測(cè)區(qū)越大擬合越困難；第四，選擇地貌特征明顯，起伏平緩的區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)。

在信號(hào)質(zhì)量控制方面：一方面，基于信號(hào)質(zhì)量與衛(wèi)星幾何分布關(guān)系，在進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中，為保障觀測(cè)精度，應(yīng)該選擇合適的定位星座，參數(shù)為PDOPlt;4，衛(wèi)星數(shù)等于4或大于4。另一方面，為避免信號(hào)傳輸過(guò)程中受到遮擋，影響信號(hào)質(zhì)量，通常會(huì)將基準(zhǔn)站設(shè)置在高大建筑物頂端等位置。

3.1.2 進(jìn)行測(cè)量結(jié)果精度評(píng)定

除上述技術(shù)控制外，為保障測(cè)量的精準(zhǔn)度，還需要對(duì)測(cè)量結(jié)果的精度進(jìn)行評(píng)定，主要評(píng)定方法包括內(nèi)符合和外符合測(cè)試。

內(nèi)符合測(cè)試：先在測(cè)區(qū)內(nèi)選取測(cè)試點(diǎn)，然后利用RTK技術(shù)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，最后分別在三個(gè)方向上對(duì)測(cè)得的坐標(biāo)，進(jìn)行算術(shù)平均值的計(jì)算，然后計(jì)算測(cè)量結(jié)果與算術(shù)平均值差值，再計(jì)算得到誤差改正數(shù)，最后獲得內(nèi)符合精度。計(jì)算公式為：

其中，M表示測(cè)量結(jié)果在三個(gè)坐標(biāo)方向上的內(nèi)符合精度；v表示每次測(cè)量結(jié)果與算術(shù)平均值的偏差；n表示觀測(cè)的次數(shù)。通過(guò)M的大小，判斷測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性，M越小，結(jié)果越穩(wěn)定。

外符合測(cè)試：外符合測(cè)試主要用于體現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，通過(guò)外部基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行評(píng)定。主要方法是選擇測(cè)區(qū)內(nèi)的已知點(diǎn)作為測(cè)試點(diǎn)，然后設(shè)定采樣間隔，進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，最后計(jì)算外符合精度。計(jì)算公式為：

其中，N表示測(cè)量結(jié)果在三個(gè)坐標(biāo)方向上的外符合精度；w表示每次測(cè)量結(jié)果與算術(shù)平均值的偏差；n表示觀測(cè)次數(shù)。與內(nèi)符合精度相同，N越小，結(jié)果越準(zhǔn)確。

3.2 三維激光掃描技術(shù)常見(jiàn)問(wèn)題應(yīng)對(duì)策略

3.2.1 技術(shù)流程控制

針對(duì)上述對(duì)于三維激光掃描精度影響因素的分析，技術(shù)流程控制措施如下：第一，加強(qiáng)對(duì)于儀器硬件參數(shù)、標(biāo)尺精度等方面的重視，明確激光束發(fā)散寬度、角度分辨率，以及最大掃描距離和分辨率，確保符合掃描需求；第二，確保數(shù)據(jù)信息獲取的過(guò)程中，嚴(yán)格按照操作流程進(jìn)行；第三，加強(qiáng)對(duì)于數(shù)據(jù)處理的重視，不僅要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接配準(zhǔn)；第四，三維建模環(huán)節(jié)，科學(xué)進(jìn)行三維建模，并在完成數(shù)據(jù)輸出后，需要對(duì)其輸出結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)[4]。

3.2.2 進(jìn)行可行性分析

在三維激光掃描的過(guò)程中，由于環(huán)境、物體、區(qū)域等方面的限制和影響，為保障掃描結(jié)果準(zhǔn)確，需要以多站掃描然后拼接的方式進(jìn)行物體的復(fù)原，為保障測(cè)繪結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要合理設(shè)計(jì)拼接方案，降低拼接誤差。對(duì)此，主要探討四元數(shù)配準(zhǔn)算法，進(jìn)行可行性分析。剛體坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖如圖2所示。

按照四元數(shù)配準(zhǔn)算法，測(cè)站2的坐標(biāo)可以表達(dá)為測(cè)站1坐標(biāo)系統(tǒng)向量，兩個(gè)坐標(biāo)系下的向量rˉ和rˉ'分別表示為：

3.3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)常見(jiàn)問(wèn)題應(yīng)對(duì)策略

3.3.1 合理控制技術(shù)誤差

針對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量而言，為保障測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性以及可靠性，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)于技術(shù)誤差的控制，結(jié)合上述分析，提出以下誤差控制建議：第一，加強(qiáng)對(duì)于鏡頭的選擇重視，確保鏡頭光學(xué)中心與幾何中心保持一致。第二，科學(xué)控制影像采集過(guò)程，一方面，加強(qiáng)巡航速度控制，為保障影像質(zhì)量，應(yīng)進(jìn)行低空、低航速飛行；另一方面，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)于飛行質(zhì)量的控制，確保飛行過(guò)程中飛機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定、減少氣流影響。第三，像控點(diǎn)控制，首先，應(yīng)確保像控點(diǎn)布設(shè)方案科學(xué)合理；其次，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)于像控點(diǎn)測(cè)量精度的控制，保障GPS-RTK的精度；最后，合理選擇測(cè)區(qū)，確保像控點(diǎn)刺點(diǎn)明顯，影像反差理想，保障測(cè)量精度。第四，保障空中三角測(cè)量精度，以及影像分辨率，科學(xué)控制平差計(jì)算精度。第五，減少人為測(cè)量誤差，確保工作熟練。

3.3.2 明確關(guān)鍵測(cè)量技術(shù)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量流程如圖3所示。

整個(gè)無(wú)人機(jī)測(cè)量過(guò)程中的關(guān)鍵性技術(shù)環(huán)節(jié)為航線的規(guī)劃設(shè)計(jì)、像控點(diǎn)布設(shè)以及空中三角測(cè)量。

在進(jìn)行航線規(guī)劃設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要設(shè)計(jì)包括：第一，航攝分區(qū)，在進(jìn)行分區(qū)的過(guò)程中需要注意分區(qū)界限應(yīng)與圖廓線保持一致，分區(qū)內(nèi)地形高差應(yīng)控制在1／4相對(duì)航高以?xún)?nèi)，對(duì)于地形起伏較大的區(qū)域，為降低重疊度影響，需要根據(jù)高程以及地形走向進(jìn)行合理分區(qū)。第二，確定攝影比例尺，攝影比例尺越大，地面分辨率越高，測(cè)量精度越高，但是會(huì)增加工作量和測(cè)量成本，需要根據(jù)測(cè)繪工程成本、周期等要求，合理確定比例尺。此外，還包括航高、航速以及航線設(shè)計(jì)，在進(jìn)行航線設(shè)計(jì)的過(guò)程中，值得注意的是，為保障測(cè)量區(qū)域的全面覆蓋，航線需要超出攝區(qū)邊界50%像幅。

在像控點(diǎn)布設(shè)過(guò)程中，結(jié)合案例實(shí)際情況，采用非全野外布點(diǎn)方法，通過(guò)設(shè)置少量控制點(diǎn)，并在室內(nèi)進(jìn)行空三加密進(jìn)行待定點(diǎn)的確定。常用的航帶網(wǎng)法布點(diǎn)方式包括六點(diǎn)法、八點(diǎn)法和五點(diǎn)法，在布設(shè)的過(guò)程中，需要根據(jù)測(cè)繪工程要求和情況合理選擇布設(shè)方法。

空中三角測(cè)量即空三加密，是當(dāng)前無(wú)人機(jī)測(cè)量過(guò)程中的重點(diǎn)步驟，借助少量控制點(diǎn)坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于未知點(diǎn)坐標(biāo)以及影像外方位元素的確定。空三加密的主要作業(yè)流程包括原始資料分析，影像數(shù)據(jù)處理、人工修測(cè)、地面控制點(diǎn)測(cè)量，平差計(jì)算、精度分析以及兩次重新平差等，得到各區(qū)域空三加密成果[5]。

4. 結(jié)語(yǔ)

在測(cè)繪過(guò)程中，基于各種測(cè)繪技術(shù)原理、使用工具、測(cè)繪方法等方面的差異，影響測(cè)繪結(jié)果精度的因素不盡相同，這就要求針對(duì)不同影響因素和實(shí)際問(wèn)題，采取不同的處理措施。對(duì)于CORS技術(shù)而言，影響精度的主要因素包括控制網(wǎng)點(diǎn)分布情況、信號(hào)質(zhì)量情況等，在實(shí)際操作時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)定。對(duì)于三維激光掃描技術(shù)而言，為保障測(cè)量精度，應(yīng)對(duì)可行性展開(kāi)分析。對(duì)于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)而言，則需要明確作業(yè)流程，并強(qiáng)化對(duì)于關(guān)鍵技術(shù)的控制。