張梁杰

（浙江納智土地勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，浙江 杭州 311400）

1 引言

為提升經(jīng)濟(jì)活力，我國(guó)持續(xù)加大了交通、水利、電力、燃?xì)夤芫€等基礎(chǔ)設(shè)施的投資力度，這些工程具有跨度長(zhǎng)、規(guī)模大、總體呈線性分布等特征[1]。測(cè)量作為線性工程最基礎(chǔ)的工作，為線性工程的勘測(cè)設(shè)計(jì)、施工安裝以及運(yùn)營(yíng)管理提供了重要的數(shù)據(jù)圖件和技術(shù)支撐[2]。

由于線性工程特殊的地形條件,常規(guī)的線性工程測(cè)量手段通常存在工期長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、精度低、成本高等弊端。基于無人機(jī)平臺(tái)的傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的廣泛應(yīng)用，突破了傳統(tǒng)垂直攝影測(cè)量方法的技術(shù)瓶頸，通過掛載多鏡頭傳感器可以快速獲取到地面多角度的高分辨率影像數(shù)據(jù)，可以快速生成高精度三維實(shí)景模型，省去了過多的外業(yè)測(cè)量流程，提高了數(shù)據(jù)生產(chǎn)的效率與質(zhì)量，為線性工程測(cè)量提供了一套嶄新的解決方案。

2 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 無人機(jī)平臺(tái)

隨著無人機(jī)與數(shù)碼相機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于無人機(jī)平臺(tái)的數(shù)字航攝技術(shù)已顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，無人機(jī)與航空攝影測(cè)量相結(jié)合，使得“無人機(jī)數(shù)字低空遙感”成為航空遙感領(lǐng)域的一個(gè)嶄新發(fā)展方向。無人機(jī)航拍可應(yīng)用于國(guó)家重大工程建設(shè)、災(zāi)害應(yīng)急與處理、國(guó)土監(jiān)察、資源開發(fā)、新農(nóng)村和小城鎮(zhèn)建設(shè)等方面，尤其在基礎(chǔ)測(cè)繪、土地資源調(diào)查監(jiān)測(cè)、土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)字城市建設(shè)和應(yīng)急救災(zāi)測(cè)繪數(shù)據(jù)獲取等方面，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。

2.2 傾斜攝影測(cè)量

攝影測(cè)量技術(shù)在新時(shí)代測(cè)繪工作中應(yīng)用十分廣泛，通過該技術(shù)可以更高效、精確地獲取地理信息要素。但是，隨著人們對(duì)精度要求的不斷提高，傳統(tǒng)攝影測(cè)量只能獲取正射影像的問題也逐漸暴露出來。為彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)有效融合了近景攝影測(cè)量與傳統(tǒng)航測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但又與傳統(tǒng)航測(cè)只能單架次獲取地面物體下視影像的方式不同，其在飛行平臺(tái)上增加了與下視方向成15°以上的前、后、左、右4個(gè)傾斜鏡頭，加上一個(gè)下視鏡頭共五個(gè)鏡頭，同時(shí)曝光采集地面物體的多視角高清立體傾斜影像[3]（如圖1 所示），再借助于全自動(dòng)高性能后處理系統(tǒng)，可快速構(gòu)建出具有地物準(zhǔn)確位置和清晰紋理的高分辨率真三維實(shí)景圖和多種數(shù)字化測(cè)繪產(chǎn)品，滿足各行業(yè)的生產(chǎn)用圖需求。

圖1 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量示意圖

2.3 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的優(yōu)勢(shì)

傾斜攝影測(cè)量自出現(xiàn)至今，已發(fā)展成一項(xiàng)較為成熟的測(cè)繪手段。該技術(shù)克服了以往航測(cè)過程中只能獲取地物垂直視角影像的缺點(diǎn)，可同時(shí)獲取多視角影像，通過獲取的多角度影像，快速建立實(shí)景三維模型。總體來說，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)有以下幾方面：

（1）反映測(cè)區(qū)地物的真實(shí)情況。在傾斜攝影測(cè)量技術(shù)問世前，傳統(tǒng)的航測(cè)只能獲取垂直方向上的影像。利用傾斜攝影測(cè)量，可以獲取多角度的影像和更加準(zhǔn)確的地理信息，更加真實(shí)地反映測(cè)區(qū)地物的真實(shí)情況。

（2）自動(dòng)化程度高。無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理過程無需過多人工干預(yù)，可自動(dòng)完成實(shí)景三維模型的建立，在已生成三維模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行地形要素采集，并進(jìn)一步生成多種數(shù)字化測(cè)繪產(chǎn)品。

（3）室內(nèi)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的立體量測(cè)。通過配套軟件的應(yīng)用，可直接基于成果影像進(jìn)行包括高度、長(zhǎng)度、面積、角度、坡度等數(shù)據(jù)的量測(cè)，擴(kuò)展了傾斜攝影技術(shù)在行業(yè)中的應(yīng)用。

（4）數(shù)據(jù)量小易于智慧管理。相較于傳統(tǒng)的人工三維建模技術(shù)，傾斜攝影獲取的影像及輸出的模型數(shù)據(jù)量要小得多，其影像的數(shù)據(jù)及模型數(shù)據(jù)格式可采用成熟的技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，快速實(shí)現(xiàn)共享及應(yīng)用。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目背景

本次施測(cè)的嘉紹高速公路地處杭嘉湖平原嘉興境內(nèi)，地勢(shì)平坦，水系發(fā)達(dá)，公路沿線多橋梁涵洞，兩側(cè)零星分布居民地及工廠企業(yè)，植被以水田為主，視野開闊。經(jīng)過前期的現(xiàn)場(chǎng)踏勘及技術(shù)調(diào)研，本項(xiàng)目存在幾個(gè)工作難點(diǎn):（1）高速公路指揮部要求工期非常短，20 天內(nèi)必須提交40km 1 ∶1000 帶狀圖的全部成果；（2）該路段已于2013 年7 月通車，路面車流量大，如果采用傳統(tǒng)方法派大量人員上路測(cè)繪存在重大安全隱患；（3）全封閉道路有鐵絲網(wǎng)與外界隔斷，人員進(jìn)出不便，地形圖實(shí)測(cè)難度大。

為解決上述困難，按時(shí)完成工作任務(wù)，最終決定采用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行施測(cè)。

3.2 生產(chǎn)流程

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用于線性工程測(cè)量的主要生產(chǎn)流程如圖2 所示。

3.3 傾斜影像數(shù)據(jù)采集

（1）外業(yè)航飛

本項(xiàng)目采用華測(cè)導(dǎo)航公司的P330 Pro 純電動(dòng)垂起固定翼無人機(jī)進(jìn)行傾斜數(shù)據(jù)采集（如圖3 所示），P330 Pro 平臺(tái)具有長(zhǎng)航時(shí)、多載荷等優(yōu)勢(shì)，飛機(jī)搭載睿鉑DG3 傾斜攝影相機(jī)，適用于線性工程的傾斜數(shù)據(jù)采集。根據(jù)區(qū)域圍線，制定本次飛行計(jì)劃，設(shè)置無人機(jī)航飛的高度為200m，獲取影像地面分辨率為0.05m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%。本項(xiàng)目按照作業(yè)范圍線路方向敷設(shè)航線，一架次航程小于飛行器的最遠(yuǎn)航程，采用用地紅線外擴(kuò)≥200m 以確保本次航測(cè)作業(yè)全部覆蓋攝區(qū)。選擇有利的氣象條件進(jìn)行外業(yè)航飛，最終飛行30 多個(gè)架次，共獲取測(cè)區(qū)16978 張傾斜影像，覆蓋面積為25km2。經(jīng)檢查本次航攝攝區(qū)未有漏洞，目標(biāo)區(qū)域邊界全部覆蓋，影像色彩鮮明、反差適中，無明顯模糊、重影和錯(cuò)位現(xiàn)象，可用于后期產(chǎn)品的制作。

圖2 生產(chǎn)流程

圖3 華測(cè)P330 Pro純電動(dòng)垂起固定翼無人機(jī)

（2）像控測(cè)量

為保證成圖精度，本項(xiàng)目像控測(cè)量全部采用平高點(diǎn)單航帶布設(shè)方案，按分段6 點(diǎn)法進(jìn)行布設(shè)。采用ZJCORS 網(wǎng)絡(luò)RTK 系統(tǒng)進(jìn)行像控點(diǎn)測(cè)量，測(cè)量時(shí)每個(gè)控制點(diǎn)觀測(cè)次數(shù)不少于2 次，每次采樣間隔應(yīng)重啟儀器，取各次測(cè)量中數(shù)作為最終結(jié)果。

3.4 傾斜三維建模數(shù)據(jù)處理

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理航攝飛行獲取的原始影像數(shù)據(jù)，使用與相機(jī)鏡頭配套的專業(yè)軟件進(jìn)行圖像后處理，對(duì)每架次飛行獲取的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)、認(rèn)真的檢查和預(yù)處理，對(duì)不合格的區(qū)域需進(jìn)行補(bǔ)飛，確保所有的影像清晰、色彩柔和無反差、拼接無明顯重影和錯(cuò)位現(xiàn)象。

（2）空三處理

空三處理使用Context Capture 軟件，該軟件的AT 模塊采用光束法局域網(wǎng)平差，支持垂直影像和傾斜影像同時(shí)導(dǎo)入?yún)⑴c空三計(jì)算，根據(jù)外業(yè)測(cè)定的像控點(diǎn)成果提取特征點(diǎn)和同名像對(duì)，再通過連接點(diǎn)匹配、相對(duì)定向、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差等步驟，最終獲取到空中三角測(cè)量成果。

（3）實(shí)景三維模型制作

本項(xiàng)目利用Smart3D 軟件進(jìn)行實(shí)景三維模型的生產(chǎn)，由于模型制作的計(jì)算任務(wù)量較大，為提高數(shù)據(jù)處理速度，在處理過程中將攝區(qū)分割成多個(gè)模型單元進(jìn)行處理，同時(shí)工作站采用并行CPU 框架硬盤。以空三成果作為數(shù)據(jù)源,Smart3D 軟件無需人工干預(yù)就能全自動(dòng)快速生成逼真的實(shí)景三維模型。測(cè)區(qū)部分正射影像和實(shí)景三維模型如圖4 所示。

圖4 測(cè)區(qū)部分正射影像和實(shí)景三維模型

（4）帶狀地形圖測(cè)制

在實(shí)景三維模型建立完成后，基于Cass3D 進(jìn)行帶狀地形圖要素采集，內(nèi)容主要有宅基地及其上定著物與附著物，道路、水系等。測(cè)圖成果為初級(jí)DWG 格式的線劃圖，采用CASS9.1 進(jìn)行圖形數(shù)據(jù)的編輯。

（5）外業(yè)調(diào)繪補(bǔ)測(cè)

矢量數(shù)據(jù)測(cè)圖完畢，經(jīng)粗略編輯后的數(shù)字線化圖打印輸出進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪，對(duì)原圖上錯(cuò)繪和遺漏的地物、地貌進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，測(cè)注高程注記點(diǎn)，同時(shí)調(diào)注各種地理名稱、房屋層數(shù)結(jié)構(gòu)等，賦予屬性信息，外業(yè)調(diào)繪完成后再轉(zhuǎn)內(nèi)業(yè)進(jìn)行成果整理，經(jīng)質(zhì)量檢查合格后完成帶狀地形圖的測(cè)制。

3.5 精度檢查

為了檢測(cè)本次實(shí)景三維模型成果以及帶狀地形圖的精度，均勻選取三維模型與地形圖內(nèi)房角以及地面具有明顯特征的若干個(gè)檢查點(diǎn)，利用全站儀和ZJCORS網(wǎng)絡(luò)RTK 實(shí)測(cè)的方法，將實(shí)測(cè)坐標(biāo)與從模型及地形圖上量測(cè)的解析坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析后的結(jié)果如表1 所示。

表1 實(shí)景三維模型與帶狀地形圖精度檢查統(tǒng)計(jì)

從表1 的檢查結(jié)果可以看出:實(shí)景三維模型像控點(diǎn)的平面位置中誤差為2.81cm,高程中誤差為3.35cm ；檢查點(diǎn)的平面位置中誤差為3.89cm,高程中誤差為4.97cm。帶狀地形圖檢查點(diǎn)的平面中誤差為4.21cm,高程中誤差為5.23cm,均滿足《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》(CH/T9015-2012)以及《公路勘測(cè)規(guī)范》（JTG C10-2018）的相關(guān)精度要求[4]。

4 結(jié)束語(yǔ)

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)具有機(jī)動(dòng)靈活、高效、成本低、精度高等優(yōu)勢(shì)，本項(xiàng)目利用該技術(shù)成功完成了40km 的高速公路測(cè)量任務(wù)，其構(gòu)建的三維實(shí)景模型真實(shí)逼真、紋理豐富，生成的正射影像以及帶狀地形圖在精度上完全滿足線性工程的實(shí)際生產(chǎn)需求，為線性工程測(cè)量提供了一條嶄新的技術(shù)思路。針對(duì)線性工程戰(zhàn)線長(zhǎng)、專業(yè)性強(qiáng)等特點(diǎn)，通過本次應(yīng)用，提出以下兩點(diǎn)建議：

（1）選用長(zhǎng)航時(shí)、圖傳距離長(zhǎng)的無人機(jī)，這樣就可以減少飛行架次，節(jié)省外業(yè)時(shí)間。

（2）針對(duì)建模處理工作量大的問題，建議工作站采用并行CPU 框架硬盤，專用硬盤存儲(chǔ)可保證快速數(shù)據(jù)讀取及高效計(jì)算[5]，處理能力極大提高。