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無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在線型工程測量中的應(yīng)用
瀏覽量:0發(fā)布時(shí)間:2023-08-18 14:41:15
摘 要:以浙江省某高速公路竣工復(fù)測項(xiàng)目為例,對無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在線型工程測量中的實(shí)景三維模型、真正射影像制作以及帶狀地形圖測制等過程進(jìn)行了應(yīng)用探討,同時(shí)對測量精度進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)踐表明:該技術(shù)僅需少量的外業(yè)工作,就可快速獲取到符合相關(guān)規(guī)范要求的數(shù)字化測繪成果,大幅提升了線型工程測量的工作效率,值得推廣應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:無人機(jī);傾斜攝影測量;線型工程;實(shí)景三維模型
 
1 引言
 
近年來,為提升經(jīng)濟(jì)活力,國家不斷增加了基礎(chǔ)設(shè)施的投資力度,其中,以線型工程居多。線型工程主要包括公路、鐵路、石油與燃?xì)夤芫€、供水渠道、高壓輸電線路工程等,與塊狀工程相比,線型工程具有投資大、戰(zhàn)線長、專業(yè)性強(qiáng)、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)高、自然環(huán)境與社會環(huán)境復(fù)雜等客觀因素[1],測量作為線型工程最基礎(chǔ)的工作,其為線型工程的勘測設(shè)計(jì)、施工安裝以及運(yùn)營管理提供了重要的數(shù)據(jù)圖件和技術(shù)支撐。
傳統(tǒng)的線型工程測量手段在實(shí)際工作中遇到了以下三方面的問題:
①采用常規(guī)測繪儀器如 GPS 和全站儀進(jìn)行全野外實(shí)測,存在工期長、勞動強(qiáng)度大、精度隨著線型工程的長度增加而降低等弊端;
②載人大飛機(jī)的航測方法受制于空域申請困難,受天氣等外在因素影響大,而且使用成本較高;
③基于遙感測繪的手段因受衛(wèi)星重訪周期的影響,影像現(xiàn)勢性不高,現(xiàn)階段精度還難以達(dá)到要求。當(dāng)前,隨著測繪行業(yè)逐漸向著信息化、智能化的方向發(fā)展,以無人機(jī)傾斜攝影測量為代表的先進(jìn)技術(shù)已在測繪領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,其突破了傳統(tǒng)測繪方法的技術(shù)瓶頸,僅需少量的外業(yè)工作,就可快速、高精度地獲取到能真實(shí)反映地形地貌的三維實(shí)景模型數(shù)據(jù),通過專業(yè)軟件進(jìn)一步處理還可以生成滿足各行業(yè)生產(chǎn)需求的多種數(shù)字化測繪產(chǎn)品,極大地?cái)U(kuò)展了航空攝影測量技術(shù)的應(yīng)用范圍[2]。
 
 
2 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)簡介

2.1 傾斜攝影測量技術(shù)原理
傾斜攝影測量技術(shù)是國際遙感領(lǐng)域近年來新興發(fā)展的一項(xiàng)對地觀測技術(shù),我國自 2010 年開始引進(jìn)國內(nèi),現(xiàn)已得到迅猛發(fā)展。該技術(shù)有效融合了近景攝影測量與傳統(tǒng)航測技術(shù)的優(yōu)勢,但又與傳統(tǒng)航測只能單架次獲取地面物體下視影像不同,其在飛行平臺上增加了與下視方向成 15° 以上的前、后、左、右 4 個傾斜鏡頭,加上一個下視鏡頭共五個鏡頭同時(shí)曝光不僅能采集到地面物體的多視角高清立體傾斜影像,同時(shí)還能獲取到地物的側(cè)面紋理信息[3](如圖 1 所示),所拍攝的影像再借助于全自動高性能后處理系統(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場景,借助于專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件不但可以實(shí)現(xiàn)地物的三維數(shù)字化精準(zhǔn)量測,還可進(jìn)一步生成多種數(shù)字化測繪產(chǎn)品,滿足各行業(yè)的生產(chǎn)用圖需求。
 
 
圖 1 無人機(jī)傾斜影像獲取示意圖
 
2.2 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)生產(chǎn)流程
無人機(jī)傾斜攝影測量是以當(dāng)下流行的便攜、靈活的無人機(jī)作為飛行平臺,飛機(jī)攜帶五鏡頭傾斜相機(jī)進(jìn)行影像的采集,其應(yīng)用于線性工程測量的主要技術(shù)流程有:傾斜影像數(shù)據(jù)采集(外業(yè)航飛、像控測量)、傾斜三維建模數(shù)據(jù)處理(數(shù)據(jù)預(yù)處理、空三處理)、實(shí)景三維模型制作、真正射影像制作、帶狀地形圖測制、外業(yè)調(diào)繪補(bǔ)測[4](如圖 2 所示)。
 
 
圖 2 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)生產(chǎn)流程
 
 
3 實(shí)例應(yīng)用
 
3.1 項(xiàng)目概況
浙江省“三灣工程”(樂清灣、臺州灣、三門灣大橋及接線工程)已于 2019 年 1 月通車運(yùn)營,該工程是國家高速公路網(wǎng)甬莞高速(編號 G1523)的重要組成部分,三灣工程設(shè)計(jì)速度 100km/h,全長 147.31km,連接線 18.71km,路基寬度 33.5m。為滿足項(xiàng)目土地專項(xiàng)驗(yàn)收、新增建設(shè)用地組件報(bào)批、不動產(chǎn)登記發(fā)證等工作需求,本項(xiàng)目擬采用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)來完成全線竣工復(fù)測工作。
 
3.2 傾斜影像數(shù)據(jù)采集
(1)外業(yè)航飛本項(xiàng)目采用深圳前海雅棋公司生產(chǎn)的哈瓦五鏡頭傾斜攝影無人機(jī)進(jìn)行外業(yè)航飛(如圖 3 所示),該型號無人機(jī)具有帶狀區(qū)域航線模式,同時(shí)具備長航時(shí)、圖傳距離能夠達(dá)到 10km,適用于長距離線型工程航測。根據(jù)區(qū)域圍線,建立本次飛行計(jì)劃,在飛行軟件中按現(xiàn)場情況設(shè)置合理的飛行參數(shù),航向重疊為 75%,旁向重疊為 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能到達(dá)的最遠(yuǎn)航程,采用用地紅線外擴(kuò) ≥130m 以確保本次航測作業(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 多個架次,共獲取到測區(qū) 16978 張傾斜影像,覆蓋面積為 32km²。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、重影和錯位現(xiàn)象,可用于后期產(chǎn)品的制作。
 
 
圖 3 哈瓦五鏡頭傾斜攝影無人機(jī)
 
(2)像控測量為保證成圖精度,本項(xiàng)目像控測量全部采用平高點(diǎn)單航帶布設(shè)方案,按分段 6 點(diǎn)法進(jìn)行布設(shè)[5]。采用 ZJCORS 網(wǎng)絡(luò) RTK 系統(tǒng)進(jìn)行像控點(diǎn)測量,測量時(shí)每個控制點(diǎn)觀測次數(shù)不少于 2 次,每次采樣間隔應(yīng)重啟儀器,取各次測量中數(shù)作為最終結(jié)果。
 
3.3 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,對每架次飛行獲取的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)、認(rèn)真地檢查和預(yù)處理,對不合格的區(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位現(xiàn)象。
(2)空三處理空三處理使用 CC 軟件,CC 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[6],根據(jù)外業(yè)測定的像控點(diǎn)成果提取特征點(diǎn)和同名像對,再通過連接點(diǎn)匹配、相對定向、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,處理過程中將攝區(qū)分割成多個模型單元進(jìn)行處理,同時(shí)工作站采用并行 CPU 框架硬盤[7]。以空三成果作為數(shù)據(jù)源,Smart3D 軟件無需人工干預(yù)就能全自動快速生成逼真的實(shí)景三維模型。
(4)真正射影像制作根據(jù)實(shí)景三維模型與空三成果文件,以 Tile 為單位進(jìn)行格網(wǎng)正射與貼圖匹配處理,制作測區(qū)真正射影像(TDOM),部分示意圖如圖 4 所示。
 
 
 
(5)帶狀地形圖測制采用清華山維 EPS 立體測圖軟件對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入,制作工程文件,由作業(yè)員在工程中進(jìn)行點(diǎn)、線、面等矢量信息繪制,按照大比例尺測圖國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定圖層與符號,快速、精確地制作高速公路及沿線地物等要素矢量數(shù)據(jù)。測圖成果為初級線劃圖,經(jīng)軟件導(dǎo)出為 DWG 格式,并采用 CASS9.1 軟件進(jìn)行圖形數(shù)據(jù)編輯。
(6)外業(yè)調(diào)繪補(bǔ)測矢量數(shù)據(jù)測圖完畢,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,主要工作內(nèi)容為采用電子調(diào)繪的方式對原圖上錯繪和遺漏的地物、地貌進(jìn)行補(bǔ)測,測注高程注記點(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制。
 
3.4 精度檢查
為了檢測本次實(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檢查點(diǎn),利用全站儀和 ZJCORS 網(wǎng)絡(luò) RTK 實(shí)測的方法,將實(shí)測坐標(biāo)與從模型及地形圖上量測的解析坐標(biāo)進(jìn)行比對,經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析后的結(jié)果如表 1 所示。
 
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 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《公路勘測規(guī)范》(JTGC10-2018)的相關(guān)精度要求[8][9]。
 
 
4 結(jié)束語
 
本項(xiàng)目利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)僅用少數(shù)工日就成功完成了 147.31km 的公路竣工測量任務(wù),相比傳統(tǒng)的工測手段,該技術(shù)大大提高了工作效率,節(jié)約了人力物力,而且其構(gòu)建的實(shí)景三維模型真實(shí)逼真、紋理豐富,生成的真正射影像以及帶狀地形圖在精度上完全滿足線型工程的實(shí)際生產(chǎn)需求,為線型工程測量提供了一條嶄新的技術(shù)思路[10]。針對線型工程戰(zhàn)線長、專業(yè)性強(qiáng)等特點(diǎn),通過本次應(yīng)用,我們總結(jié)出以下兩點(diǎn)建議:
(1)選用長航時(shí)、圖傳距離長的無人機(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,專用硬盤存儲可保證快速數(shù)據(jù)讀取及高效計(jì)算,處理能力得到極大提高。
 

材料參考來源:浙江測繪