基于低空無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的三維模型構(gòu)建及精度分析

冼學(xué)文

（中山市東鳳測(cè)繪工程有限公司，廣東中山 528400）

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)作為一種當(dāng)下比較先進(jìn)的技術(shù)，常見于在智慧城市建設(shè)應(yīng)用場(chǎng)景中進(jìn)行應(yīng)用，而在工程測(cè)繪領(lǐng)域，該項(xiàng)技術(shù)仍有著較大的應(yīng)用開發(fā)空間。為了有效推動(dòng)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在實(shí)際測(cè)量工程中進(jìn)行廣泛的應(yīng)用，使得該項(xiàng)測(cè)繪技術(shù)的作用價(jià)值得到充分的體現(xiàn)，提高建筑工程領(lǐng)域測(cè)繪工作的效率，結(jié)合實(shí)際案例，以無(wú)人機(jī)作為技術(shù)應(yīng)用載體，分析了無(wú)人機(jī)在建筑工程測(cè)量中的具體應(yīng)用，希望無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在建筑測(cè)繪領(lǐng)域也能夠發(fā)光發(fā)熱，推動(dòng)建設(shè)行業(yè)實(shí)現(xiàn)更好的發(fā)展。

一、傾斜攝影測(cè)量原理

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)主要以無(wú)人機(jī)為載體，并在其之上搭載多臺(tái)傳感器與攝影裝置，從而能夠從多種不同角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面影像的攝影。不同角度拍攝的影像名詞不同，如果是從垂直地面的視角進(jìn)行的拍攝，那么所獲得的影像我可以稱之為“正片”，其他視角的拍攝自然順理成章的稱“斜片”[1]。最終將上述兩種影像結(jié)合在一起，就組成了一個(gè)完整的傾斜攝影測(cè)量影像，通過(guò)對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中收集整合，并在相關(guān)建模軟件的幫助下，實(shí)現(xiàn)地面物體三維建模與測(cè)圖。

二、規(guī)劃竣工輔助測(cè)量

1.竣工實(shí)驗(yàn)工程

文章以某項(xiàng)小區(qū)測(cè)繪工程開展作為實(shí)際案例，該小區(qū)總占地面積為25328m2。在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要先進(jìn)行控制點(diǎn)布設(shè)，通過(guò)布設(shè)3點(diǎn)GNNSRTK圖根控制點(diǎn)，然后完成相應(yīng)的數(shù)字地形竣工測(cè)量與四等水準(zhǔn)測(cè)量。在本次工程測(cè)點(diǎn)中，針對(duì)目標(biāo)建(構(gòu))筑物，共測(cè)取了1945個(gè)特征點(diǎn)。同時(shí)為了更好的進(jìn)行測(cè)量，需要建立平面坐標(biāo)系統(tǒng)，在本次工程案例之中，選擇了2000坐標(biāo)系統(tǒng)，在選擇高程基準(zhǔn)時(shí)則選擇了1985國(guó)家高程基準(zhǔn)（以黃海(青島)的多年平均海平面作為統(tǒng)一基展本次測(cè)量工程項(xiàng)目過(guò)程中，為達(dá)到“竣工測(cè)驗(yàn)合一”的目標(biāo)，在獲得竣工測(cè)量成果后，需要統(tǒng)一交給建設(shè)項(xiàng)目竣工測(cè)驗(yàn)合一審批服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行審批。無(wú)人機(jī)主要負(fù)責(zé)外業(yè)的拍攝，可以將其視為一種輔助的測(cè)繪技術(shù)手段。

2.無(wú)人機(jī)傾斜攝影平臺(tái)

在本次竣工工程項(xiàng)目中無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)采用的是無(wú)人機(jī)具有高精度特點(diǎn)，具體型號(hào)為飛馬D200，整體機(jī)身較輕，僅重7.5kg，無(wú)人機(jī)懸停時(shí)間也非常長(zhǎng)，最長(zhǎng)能夠持懸停續(xù)48分鐘，且無(wú)人機(jī)本身的巡航速度也非常優(yōu)秀，能夠達(dá)到13.5m/s，無(wú)人機(jī)測(cè)量精度也比較高，其中水平精度為1cm+1×10-6mm，垂直精度為2cm+1×10-6mm，且該無(wú)人機(jī)能夠支持多種作業(yè)模式，除了常見的PPK、RTK作業(yè)模式外，還能夠?qū)崿F(xiàn)二者融合作業(yè)模式開展。在實(shí)際應(yīng)用該無(wú)人機(jī)時(shí)，如果地物特征比較豐富，那么在1:500的條件下進(jìn)行實(shí)際測(cè)繪時(shí)相應(yīng)的測(cè)圖可以實(shí)現(xiàn)免控制。該無(wú)人機(jī)搭載的傾斜模塊型號(hào)為D-OP300，在無(wú)人機(jī)不同位置，配置有專用的SONYILCE-6000相機(jī)，相機(jī)數(shù)量為5組，因此航拍視角更加全面。同時(shí)還配置有相應(yīng)的傳感器裝置，傳感器非常小巧，規(guī)格尺寸只有為23.5×15.66mm，同時(shí)本身有著非常高的像素能夠達(dá)到千萬(wàn)以上的級(jí)別，同時(shí)還配備有專門的無(wú)人機(jī)管家軟件，因此實(shí)際功能管理更加方便。

3.像控點(diǎn)布設(shè)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影在實(shí)際測(cè)量時(shí)，為保證測(cè)量的精度，在平面、高程基準(zhǔn)選擇上，均與竣工測(cè)量測(cè)圖基保持一致。在此基礎(chǔ)上，為了更加便于進(jìn)行三維建模，保證建模的精度，在實(shí)際進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量時(shí)，需要注重做好航高的調(diào)整，一般在允許的條件下，需要將航高調(diào)整至最低，之所以采用這種做法，主要目的就是降低像控點(diǎn)識(shí)別的難度，同時(shí)獲得的圖像紋理信息的精度也更高，最終獲得更好的成像質(zhì)量。由于是在住宅小區(qū)內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，因此整體地形比較平坦，在像控點(diǎn)選擇方面，非常適合采用成像清晰的塊狀地物拐角點(diǎn)，比如地面構(gòu)筑物上一些比較清晰的角點(diǎn)。若地面角點(diǎn)不明顯，或者不易進(jìn)行拍攝的樓面，為了使其更加顯眼，可以在目標(biāo)位置涂抹一些顏色易于辨識(shí)的油漆，比如紅色或黃色油漆等，從而更加易于拍攝。在本次工程測(cè)量工作共布設(shè)了25個(gè)像控點(diǎn)（19控制點(diǎn)+6檢查點(diǎn)），同時(shí)在觀測(cè)時(shí)應(yīng)注意始終保持同步鎖定6顆以上的衛(wèi)星并將PDOP值控制在6以內(nèi)[3]。

4.外業(yè)航空攝影

在外業(yè)應(yīng)用無(wú)人機(jī)進(jìn)行航空攝影時(shí)，需要先做好飛控系統(tǒng)的檢查，并結(jié)合實(shí)際，做好航線的科學(xué)合理設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)，才能保證航空攝影的準(zhǔn)確性。具體來(lái)說(shuō)，在飛行攝影前，需要檢查無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)的舵機(jī)、空速、風(fēng)門等關(guān)鍵部件，確保系統(tǒng)已經(jīng)充滿電，GPS信號(hào)正常，遙控器能夠正常使用等，然后再進(jìn)行具體的航線參數(shù)設(shè)計(jì)。在本次測(cè)量工程項(xiàng)目中，上述可以在飛馬D200配備的無(wú)人機(jī)管家專業(yè)軟件的幫助下高效完成。與此同時(shí)，為確保低空攝影精度更高，本次航高設(shè)置為135m，將對(duì)地分辨率調(diào)整為0.04m，航高設(shè)計(jì)如圖1所示。

5.三維建模

以外業(yè)航測(cè)獲取的數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過(guò)在ContextCapture軟件的幫助下選擇新建工程項(xiàng)目并結(jié)合實(shí)際的測(cè)繪數(shù)據(jù)完成相應(yīng)三維模型的建設(shè)。在本次工程項(xiàng)目中采用多基線特征匹配技術(shù)并結(jié)合外業(yè)航測(cè)獲取的POS數(shù)據(jù)成功生成了連接點(diǎn)同時(shí)借助實(shí)現(xiàn)布置好的像控點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差完成了空中三角測(cè)量。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)各影像外方位元素，還需要結(jié)合相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，在實(shí)際解算過(guò)程中，可以利用軟件提供的相應(yīng)算法完成結(jié)算。與此同時(shí)，為避免數(shù)據(jù)出現(xiàn)大量的冗余問(wèn)題，可以在DSM點(diǎn)云的幫助下，完成TIN的建立，并以實(shí)際的影像數(shù)據(jù)為依據(jù)完成對(duì)其內(nèi)部規(guī)格的修改最終就能夠獲得TIN矢量的模型，在將TIN模型與影像紋理匹配后就能夠?qū)⑷S模型建立出來(lái)使得建筑實(shí)物信息得到充分的反映，具體模型如圖2(a)所示，這一模型基本甚至反映了住宅小區(qū)的實(shí)際情況，并且從模型圖中我們也能了解到，模型整體清晰完整，沒有明顯的扭曲懸掛和碎片漏洞問(wèn)題，紋路清晰可辨，說(shuō)明本次建模有著良好的精度。

為了進(jìn)一步優(yōu)化模型，使得模型精度再提升一個(gè)水平，成功體現(xiàn)出更多的細(xì)節(jié)，可以在DP－Modeler軟件的幫助下，通過(guò)將模型導(dǎo)入其中，針對(duì)一些細(xì)微部分比如房檐等做進(jìn)一步的修正等優(yōu)化，有效提高細(xì)微處的精度，使其整體模型效果更加逼真效果。在完成優(yōu)化后注意導(dǎo)出后的模型格式為ESRII3S，確保這一格式與審批服務(wù)平臺(tái)的審批文件格式一致，才能更好的進(jìn)行審批。如果圖2(b)所示，主要體現(xiàn)了小區(qū)樓房選取和坐標(biāo)測(cè)量功能，其中針對(duì)一些比較亮度比較高的樓房，通常指的是一項(xiàng)已經(jīng)竣工建設(shè)完成的樓房，其中一些圓形圈點(diǎn)則是一些關(guān)鍵的測(cè)繪數(shù)據(jù)信息反映了樓房一些關(guān)鍵特征目標(biāo)。從中我們能夠了解到，通過(guò)應(yīng)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在竣工測(cè)量中發(fā)揮著非常重要的作用價(jià)值，它能夠使得測(cè)繪數(shù)以更加具象化的形式加以呈現(xiàn)，因此非常適合大力推廣應(yīng)用。

三、精度分析

竣工測(cè)量精度判別主要包含三大要求：一是地物點(diǎn)相對(duì)鄰近平面控制點(diǎn)點(diǎn)位誤差；二是地物點(diǎn)相對(duì)鄰近地物點(diǎn)間距中誤差；三是地物點(diǎn)相對(duì)鄰近地物點(diǎn)間距高程中誤差。

為對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量獲取平面精度、高程精度和地物點(diǎn)間距精度進(jìn)行有效的驗(yàn)證在本次實(shí)驗(yàn)工程項(xiàng)目中，通過(guò)實(shí)地驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)在105個(gè)平面地物點(diǎn)中，主要地物點(diǎn)的數(shù)量為58個(gè)，次要地物點(diǎn)的數(shù)量為47個(gè)；在52個(gè)高程點(diǎn)中，小區(qū)室外地坪共占17個(gè)，樓頂面共占19個(gè)，剩余皆分布于女兒墻之上；最后按照中誤差公式

進(jìn)行精度計(jì)算，部分差值結(jié)果見表1-表3，單位為m。

根據(jù)表1，DX最大值0.095，最小值-0.002；DY最 大 值0.085，最 小 值0.001，代入誤差公式計(jì)算可得平面測(cè)量誤差mc'=±0.039m，在要求標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。令所有Δ=DZ，得出高程中誤差me'=±0.117m，在0.15m以內(nèi)。以此類推，得出ml'=0.043m，在0.05m以內(nèi)。

圖1 無(wú)人機(jī)飛行航線設(shè)計(jì)

圖2 該住宅小區(qū)三維模型

表1 地物點(diǎn)平面坐標(biāo)測(cè)量坐標(biāo)差值

表2 地物點(diǎn)高程測(cè)量差值

表3 間距誤差測(cè)量差值

四、結(jié)語(yǔ)

在本次項(xiàng)目工程竣工測(cè)量中，通過(guò)進(jìn)行無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，能夠讓我們?nèi)娴牧私庠擁?xiàng)技術(shù)在建筑工程測(cè)繪中所發(fā)揮的重要作用價(jià)值。相較于傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)而言，無(wú)人機(jī)+傾斜攝影策略技術(shù)的優(yōu)勢(shì)不僅僅體現(xiàn)在技術(shù)本身的先進(jìn)性方面，同時(shí)該項(xiàng)測(cè)繪技術(shù)打破了地形空間、惡劣氣候的限制，因此在一些實(shí)際地質(zhì)條件比較差的區(qū)域同樣能夠進(jìn)行測(cè)繪工作開展，即使遇到陰天下雨天氣，同樣能夠進(jìn)行低空測(cè)繪，從而使得建筑工程測(cè)繪得到了更好的發(fā)展，同時(shí)希望通過(guò)上述研究進(jìn)一步推動(dòng)無(wú)人機(jī)測(cè)量在測(cè)繪行業(yè)中的應(yīng)用推廣，推動(dòng)我國(guó)建筑測(cè)繪行業(yè)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定順利的發(fā)展。