無人機傾斜攝影測量技術在線型工程測量中的應用
瀏覽量：0發布時間：2023-08-18 14:41:15
摘 要：以浙江省某高速公路竣工復測項目為例，對無人機傾斜攝影測量技術在線型工程測量中的實景三維模型、真正射影像制作以及帶狀地形圖測制等過程進行了應用探討，同時對測量精度進行了驗證。實踐表明：該技術僅需少量的外業工作，就可快速獲取到符合相關規范要求的數字化測繪成果，大幅提升了線型工程測量的工作效率，值得推廣應用。
關鍵詞：無人機；傾斜攝影測量；線型工程；實景三維模型
1 引言
近年來，為提升經濟活力，國家不斷增加了基礎設施的投資力度，其中，以線型工程居多。線型工程主要包括公路、鐵路、石油與燃氣管線、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、戰線長、專業性強、質量標準高、自然環境與社會環境復雜等客觀因素[1]，測量作為線型工程最基礎的工作，其為線型工程的勘測設計、施工安裝以及運營管理提供了重要的數據圖件和技術支撐。
傳統的線型工程測量手段在實際工作中遇到了以下三方面的問題：
①采用常規測繪儀器如 GPS 和全站儀進行全野外實測，存在工期長、勞動強度大、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星重訪周期的影響，影像現勢性不高，現階段精度還難以達到要求。當前，隨著測繪行業逐漸向著信息化、智能化的方向發展，以無人機傾斜攝影測量為代表的先進技術已在測繪領域得到廣泛應用，其突破了傳統測繪方法的技術瓶頸，僅需少量的外業工作，就可快速、高精度地獲取到能真實反映地形地貌的三維實景模型數據，通過專業軟件進一步處理還可以生成滿足各行業生產需求的多種數字化測繪產品，極大地擴展了航空攝影測量技術的應用范圍[2]。
2 無人機傾斜攝影測量技術簡介
2.1 傾斜攝影測量技術原理
傾斜攝影測量技術是國際遙感領域近年來新興發展的一項對地觀測技術，我國自 2010 年開始引進國內，現已得到迅猛發展。該技術有效融合了近景攝影測量與傳統航測技術的優勢，但又與傳統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，同時還能獲取到地物的側面紋理信息[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， 可快速構建出具有地物準確位置和清晰紋理的高分辨率真三維場景，借助于專業數據處理軟件不但可以實現地物的三維數字化精準量測，還可進一步生成多種數字化測繪產品，滿足各行業的生產用圖需求。
圖 1 無人機傾斜影像獲取示意圖
2.2 無人機傾斜攝影測量技術生產流程
無人機傾斜攝影測量是以當下流行的便攜、靈活的無人機作為飛行平臺，飛機攜帶五鏡頭傾斜相機進行影像的采集，其應用于線性工程測量的主要技術流程有：傾斜影像數據采集（外業航飛、像控測量）、傾斜三維建模數據處理（數據預處理、空三處理）、實景三維模型制作、真正射影像制作、帶狀地形圖測制、外業調繪補測[4]（如圖 2 所示）。
圖 2 無人機傾斜攝影測量技術生產流程
3 實例應用
3.1 項目概況
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 月通車運營，該工程是國家高速公路網甬莞高速（編號 G1523）的重要組成部分，三灣工程設計速度 100km/h，全長 147.31km，連接線 18.71km，路基寬度 33.5m。為滿足項目土地專項驗收、新增建設用地組件報批、不動產登記發證等工作需求，本項目擬采用無人機傾斜攝影測量技術來完成全線竣工復測工作。
3.2 傾斜影像數據采集
（1）外業航飛本項目采用深圳前海雅棋公司生產的哈瓦五鏡頭傾斜攝影無人機進行外業航飛（如圖 3 所示），該型號無人機具有帶狀區域航線模式，同時具備長航時、圖傳距離能夠達到 10km，適用于長距離線型工程航測。根據區域圍線，建立本次飛行計劃，在飛行軟件中按現場情況設置合理的飛行參數，航向重疊為 75%，旁向重疊為 70%，本項目按照作業范圍線路方向敷設航線，一架次航程小于飛行器能到達的最遠航程，采用用地紅線外擴 ≥130m 以確保本次航測作業全部覆蓋攝區。選擇有利的氣象條件進行外業航飛，最終飛行 30 多個架次，共獲取到測區 16978 張傾斜影像，覆蓋面積為 32km²。經檢查本次航攝攝區未有漏洞，目標區域邊界全部覆蓋，影像色彩鮮明、反差適中，無明顯模糊、重影和錯位現象，可用于后期產品的制作。
圖 3 哈瓦五鏡頭傾斜攝影無人機
（2）像控測量為保證成圖精度，本項目像控測量全部采用平高點單航帶布設方案，按分段 6 點法進行布設[5]。采用 ZJCORS 網絡 RTK 系統進行像控點測量，測量時每個控制點觀測次數不少于 2 次，每次采樣間隔應重啟儀器，取各次測量中數作為最終結果。
3.3 傾斜三維建模數據處理
（1）數據預處理航攝飛行獲取的原始影像數據使用與相機鏡頭配套的專業軟件進行圖像后處理，對每架次飛行獲取的影像數據進行及時、認真地檢查和預處理，對不合格的區域需進行補飛，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平差，支持垂直影像和傾斜影像同時導入參與空三計算[6]，根據外業測定的像控點成果提取特征點和同名像對，再通過連接點匹配、相對定向、區域網聯合平差等步驟，最終獲取到空中三角測量成果。
（3）實景三維模型制作本項目利用 Smart3D 軟件進行實景三維模型的生產，由于模型制作的計算任務量較大，為提高數據處理速度，處理過程中將攝區分割成多個模型單元進行處理，同時工作站采用并行 CPU 框架硬盤[7]。以空三成果作為數據源，Smart3D 軟件無需人工干預就能全自動快速生成逼真的實景三維模型。
（4）真正射影像制作根據實景三維模型與空三成果文件，以 Tile 為單位進行格網正射與貼圖匹配處理，制作測區真正射影像（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據進行導入，制作工程文件，由作業員在工程中進行點、線、面等矢量信息繪制，按照大比例尺測圖國標標準設定圖層與符號，快速、精確地制作高速公路及沿線地物等要素矢量數據。測圖成果為初級線劃圖，經軟件導出為 DWG 格式，并采用 CASS9.1 軟件進行圖形數據編輯。
（6）外業調繪補測矢量數據測圖完畢，經粗略編輯后的數字線化圖打印輸出進行外業調繪，主要工作內容為采用電子調繪的方式對原圖上錯繪和遺漏的地物、地貌進行補測，測注高程注記點，同時調注各種地理名稱、房屋層數結構等，賦予屬性信息，外業調繪完成后再轉內業進行成果整理，經質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房角以及地面具有明顯特征的若干個檢查點，利用全站儀和 ZJCORS 網絡 RTK 實測的方法，將實測坐標與從模型及地形圖上量測的解析坐標進行比對，經統計分析后的結果如表 1 所示。 
從表 1 的檢查結果可以看出：實景三維模型像控點的平面位置中誤差為 2.81cm，高程中誤差為 3.35cm；檢查點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據產品規范》（CH/T9015-2012）以及《公路勘測規范》（JTGC10-2018）的相關精度要求[8][9]。
4 結束語
本項目利用無人機傾斜攝影測量技術僅用少數工日就成功完成了 147.31km 的公路竣工測量任務，相比傳統的工測手段，該技術大大提高了工作效率，節約了人力物力，而且其構建的實景三維模型真實逼真、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際生產需求，為線型工程測量提供了一條嶄新的技術思路[10]。針對線型工程戰線長、專業性強等特點，通過本次應用，我們總結出以下兩點建議：
（1）選用長航時、圖傳距離長的無人機，這樣就可以減少飛行架次，節省外業時間。
（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據讀取及高效計算，處理能力得到極大提高。
關鍵詞：無人機；傾斜攝影測量；線型工程；實景三維模型
1 引言
近年來，為提升經濟活力，國家不斷增加了基礎設施的投資力度，其中，以線型工程居多。線型工程主要包括公路、鐵路、石油與燃氣管線、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、戰線長、專業性強、質量標準高、自然環境與社會環境復雜等客觀因素[1]，測量作為線型工程最基礎的工作，其為線型工程的勘測設計、施工安裝以及運營管理提供了重要的數據圖件和技術支撐。
傳統的線型工程測量手段在實際工作中遇到了以下三方面的問題：
①采用常規測繪儀器如 GPS 和全站儀進行全野外實測，存在工期長、勞動強度大、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星重訪周期的影響，影像現勢性不高，現階段精度還難以達到要求。當前，隨著測繪行業逐漸向著信息化、智能化的方向發展，以無人機傾斜攝影測量為代表的先進技術已在測繪領域得到廣泛應用，其突破了傳統測繪方法的技術瓶頸，僅需少量的外業工作，就可快速、高精度地獲取到能真實反映地形地貌的三維實景模型數據，通過專業軟件進一步處理還可以生成滿足各行業生產需求的多種數字化測繪產品，極大地擴展了航空攝影測量技術的應用范圍[2]。
2 無人機傾斜攝影測量技術簡介
2.1 傾斜攝影測量技術原理
傾斜攝影測量技術是國際遙感領域近年來新興發展的一項對地觀測技術，我國自 2010 年開始引進國內，現已得到迅猛發展。該技術有效融合了近景攝影測量與傳統航測技術的優勢，但又與傳統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，同時還能獲取到地物的側面紋理信息[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， 可快速構建出具有地物準確位置和清晰紋理的高分辨率真三維場景，借助于專業數據處理軟件不但可以實現地物的三維數字化精準量測，還可進一步生成多種數字化測繪產品，滿足各行業的生產用圖需求。
圖 1 無人機傾斜影像獲取示意圖
2.2 無人機傾斜攝影測量技術生產流程
無人機傾斜攝影測量是以當下流行的便攜、靈活的無人機作為飛行平臺，飛機攜帶五鏡頭傾斜相機進行影像的采集，其應用于線性工程測量的主要技術流程有：傾斜影像數據采集（外業航飛、像控測量）、傾斜三維建模數據處理（數據預處理、空三處理）、實景三維模型制作、真正射影像制作、帶狀地形圖測制、外業調繪補測[4]（如圖 2 所示）。
圖 2 無人機傾斜攝影測量技術生產流程
3 實例應用
3.1 項目概況
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 月通車運營，該工程是國家高速公路網甬莞高速（編號 G1523）的重要組成部分，三灣工程設計速度 100km/h，全長 147.31km，連接線 18.71km，路基寬度 33.5m。為滿足項目土地專項驗收、新增建設用地組件報批、不動產登記發證等工作需求，本項目擬采用無人機傾斜攝影測量技術來完成全線竣工復測工作。
3.2 傾斜影像數據采集
（1）外業航飛本項目采用深圳前海雅棋公司生產的哈瓦五鏡頭傾斜攝影無人機進行外業航飛（如圖 3 所示），該型號無人機具有帶狀區域航線模式，同時具備長航時、圖傳距離能夠達到 10km，適用于長距離線型工程航測。根據區域圍線，建立本次飛行計劃，在飛行軟件中按現場情況設置合理的飛行參數，航向重疊為 75%，旁向重疊為 70%，本項目按照作業范圍線路方向敷設航線，一架次航程小于飛行器能到達的最遠航程，采用用地紅線外擴 ≥130m 以確保本次航測作業全部覆蓋攝區。選擇有利的氣象條件進行外業航飛，最終飛行 30 多個架次，共獲取到測區 16978 張傾斜影像，覆蓋面積為 32km²。經檢查本次航攝攝區未有漏洞，目標區域邊界全部覆蓋，影像色彩鮮明、反差適中，無明顯模糊、重影和錯位現象，可用于后期產品的制作。
圖 3 哈瓦五鏡頭傾斜攝影無人機
（2）像控測量為保證成圖精度，本項目像控測量全部采用平高點單航帶布設方案，按分段 6 點法進行布設[5]。采用 ZJCORS 網絡 RTK 系統進行像控點測量，測量時每個控制點觀測次數不少于 2 次，每次采樣間隔應重啟儀器，取各次測量中數作為最終結果。
3.3 傾斜三維建模數據處理
（1）數據預處理航攝飛行獲取的原始影像數據使用與相機鏡頭配套的專業軟件進行圖像后處理，對每架次飛行獲取的影像數據進行及時、認真地檢查和預處理，對不合格的區域需進行補飛，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平差，支持垂直影像和傾斜影像同時導入參與空三計算[6]，根據外業測定的像控點成果提取特征點和同名像對，再通過連接點匹配、相對定向、區域網聯合平差等步驟，最終獲取到空中三角測量成果。
（3）實景三維模型制作本項目利用 Smart3D 軟件進行實景三維模型的生產，由于模型制作的計算任務量較大，為提高數據處理速度，處理過程中將攝區分割成多個模型單元進行處理，同時工作站采用并行 CPU 框架硬盤[7]。以空三成果作為數據源，Smart3D 軟件無需人工干預就能全自動快速生成逼真的實景三維模型。
（4）真正射影像制作根據實景三維模型與空三成果文件，以 Tile 為單位進行格網正射與貼圖匹配處理，制作測區真正射影像（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據進行導入，制作工程文件，由作業員在工程中進行點、線、面等矢量信息繪制，按照大比例尺測圖國標標準設定圖層與符號，快速、精確地制作高速公路及沿線地物等要素矢量數據。測圖成果為初級線劃圖，經軟件導出為 DWG 格式，并采用 CASS9.1 軟件進行圖形數據編輯。
（6）外業調繪補測矢量數據測圖完畢，經粗略編輯后的數字線化圖打印輸出進行外業調繪，主要工作內容為采用電子調繪的方式對原圖上錯繪和遺漏的地物、地貌進行補測，測注高程注記點，同時調注各種地理名稱、房屋層數結構等，賦予屬性信息，外業調繪完成后再轉內業進行成果整理，經質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房角以及地面具有明顯特征的若干個檢查點，利用全站儀和 ZJCORS 網絡 RTK 實測的方法，將實測坐標與從模型及地形圖上量測的解析坐標進行比對，經統計分析后的結果如表 1 所示。
4 結束語
本項目利用無人機傾斜攝影測量技術僅用少數工日就成功完成了 147.31km 的公路竣工測量任務，相比傳統的工測手段，該技術大大提高了工作效率，節約了人力物力，而且其構建的實景三維模型真實逼真、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際生產需求，為線型工程測量提供了一條嶄新的技術思路[10]。針對線型工程戰線長、專業性強等特點，通過本次應用，我們總結出以下兩點建議：
（1）選用長航時、圖傳距離長的無人機，這樣就可以減少飛行架次，節省外業時間。
（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據讀取及高效計算，處理能力得到極大提高。
材料參考來源：浙江測繪
