無人機傾斜攝影和激光掃描在竣工測量中的應用

曹廣棟 韓 帥

(1. 南京市浦口區(qū)城市地下管線管理中心, 江蘇 南京 211800;2. 南京建信測繪技術有限公司, 江蘇 南京 211800)

0 引言

隨著技術發(fā)展,三維可視化的應用已為規(guī)劃審批、管理和決策帶來了革命性的變化[1-2]。南京市政府辦公廳印發(fā)了《運用建筑信息模型系統(tǒng)進行工程建設項目審查審批和城市信息模型平臺建設試點工作方案》的通知,強調要運用計算機技術和信息化手段推進審批程序和管理方式的變革,建立具有規(guī)劃審查、施工圖審查、竣工驗收備案等功能的三維可視化的城市信息模型(City Information Modeling,CIM)平臺,實現對房屋設計、建設到交付使用后的全壽命周期安全監(jiān)管[3]。傾斜攝影技術通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器,同時從垂直、傾斜等不同的角度采集影像,獲取地面物體更為完整準確的信息[4-6]。影像數據處理后可生產4D產品、三維點云及實景三維模型[7],能夠較好地響應CIM平臺建設的指標要求,為規(guī)劃核實工作提供堅實的數據基礎。

1 外業(yè)數據采集

1.1 技術方法

傳統(tǒng)竣工測量多為使用全站儀、全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)接收機等測量設備,進行全野外數字采集,內業(yè)處理成圖。傾斜攝影技術可在短時間內獲取大范圍的影像數據,將傾斜攝影技術和全野外數字采集技術相結合,可較大地提升作業(yè)效率,有效降低項目成本。三維激光掃描技術是通過三維激光掃描儀發(fā)射激光,獲取被測物體表面三維坐標、反射強度等多種信息的非接觸式主動測量技術[8-10]。三維掃描激光點云與傾斜點云相比,具有密度大、精度高的特點。將兩者進行結合可優(yōu)勢互補,既能保證生產效率,又能保證傾斜攝影被遮擋區(qū)域點云的完整性,提高數據精度。

1.2 項目測區(qū)概況

測區(qū)位于南京市浦口區(qū)橋林街道,如圖1所示,為已建成即將交付的住宅小區(qū)。范圍內有高壓線塔,高度約40 m,建筑物多為18層,最高點為房屋頂部造型部分,相對地面高差近70 m,房屋結構較為規(guī)整,外觀較為統(tǒng)一。小區(qū)內有道路、綠化、車位、配電房等附屬設施。建筑存在較多空調機位、天井、大面積半落地玻璃窗、太陽能電池板等。

圖1 測區(qū)位置及現場照片

1.3 技術流程

本項目在實施前進行了踏勘、航飛數據試采、技術方法驗證等準備工作。制定全野外數字采集的控制網布設和采集技術方案,確定無人機安全飛行高度、規(guī)劃安全飛行航線,選定全彩色激光掃描的單棟房屋。在統(tǒng)一時間框架內,使用相同的采集系統(tǒng),有效降低系統(tǒng)誤差對成果數據對比的影響,確保本次數據對比的真實性和可靠性。技術設計流程如圖2所示。

圖2 技術設計流程圖

1.3.1傳統(tǒng)全野外數字采集

使用GNSS接收機連接南京連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務參考站(Continuously Operating Reference Stations,CORS)網布設首級控制網,采用三維測量技術對測區(qū)內部進行控制網加密。數據采集、內業(yè)數據處理和成果輸出嚴格按照《南京市建設工程(建筑類)規(guī)劃竣工測量技術規(guī)程(試行)》(NJCH010-2018,以下簡稱“竣工測量技術規(guī)程”)規(guī)定執(zhí)行。

1.3.2無人機傾斜攝影數據采集

本項目采用哈瓦測繪無人機搭載哈瓦傾斜五相機模塊,該飛行平臺安全性較高,具有GPS、磁系統(tǒng)、飛控等多系統(tǒng)冗余設計,攝影平臺有效像素1.92億。如圖3所示。

圖3 無人機飛行平臺

項目作業(yè)時間為冬季12月份,需充分考慮太陽高度角和日照情況,選擇飛行時間為11:30～14:30之間,確保生產模型的視覺效果。因測區(qū)內房屋較密且多為高層,航線規(guī)劃綜合考慮落差的因素,在確保整體模型優(yōu)于2 cm的情況下,選擇雙層航線進行數據采集。具體如圖4、表1所示。

圖4 航線規(guī)劃

表1 航線設計參數表

本項目共布設像控點20個,其中地面像控點15個,樓頂像控點5個。相控點平面測量和高程測量方法嚴格按照《數字航空攝影測量控制測量規(guī)范(CH/T 3006—2011)》要求執(zhí)行,技術指標滿足《全球定位系統(tǒng)實時動態(tài)測量(RTK)技術規(guī)范(CH/T 2009—2010)》各項要求。

1.3.3三維激光點云數據采集

本項目選用FARO FocusS 350S作為激光數據的采集平臺。F350S三維掃描儀測量速度高達976 000點/s,掃描有效范圍可達350 m。本項目挑選了一棟代表性的房屋進行三維激光點云數據采集工作,對架站高度約為70 m。

1.4 數據成果

本項目全野外數字采集工作使用南方開思9.0軟件進行內業(yè)處理。傾斜數據內業(yè)處理嚴格使用ContextCapture Center軟件進行刺像控點、空中三角測量、生成點云、融合三維激光點云、分別構建不規(guī)則三角網、分別輸出實景三維模型等工作,如圖5所示。傾斜攝影模型、三維激光點云融合模型數據均使用地理信息工作站(Extend Geograph Platform of Sunway,EPS)進行內業(yè)數據采集。三維激光點云內業(yè)數據通過使用軟件將las格式數據轉換為rcs格式,并完成不同層級的點云切割,使用南方CASS 3D軟件分別對點云數據進行分層采集并輸出dwg格式數據成果。

圖5 傾斜攝影數據內業(yè)處理流程

通過3種不同技術采集手段,獲得的成果包括：平面圖、立面圖、綠化圖、停車位圖、傾斜三維模型、激光點云數據、激光點云融合傾斜模型等,如圖6所示。并分別對傾斜實景三維模型、激光掃描數據和激光傾斜融合模型數據進行了專項采集、精度指標對比和經濟指標對比。

圖6 傾斜模型

本項目通過對比不同的數據成果,分析傳統(tǒng)作業(yè)模式和無人機傾斜攝影、激光點云相比的精度達標情況。全野外數字采集成果經檢查精度合格,本文以全野外數字采集成果作為精度比對工作的數據基準。

2.1 平面精度對比

根據“竣工測量技術規(guī)程”規(guī)定,條件點位中誤差為5 cm,非條件點位中誤差為7 cm,竣工測量平面精度要求見表2。

表2 竣工測量平面精度表 單位：cm

2.1.1 全野外數字采集和傾斜攝影模型采集數據精度對比

本項目使用全野外數字采集和傾斜攝影兩種方法,在測區(qū)內開展了全要素采集工作。為保證對比數據的真實有效,參考外業(yè)檢查不低于10%的要求,在整個測區(qū)25棟房屋、100個條件點中隨機抽選了12個條件點作為全野外數字采集成果和全測區(qū)三維模型成果平面精度對比依據,對比結果見表3。

表3 全站儀與模型條件點精度對比表 單位：m

2.1.2多方法融合精度對比

通過前期現場踏勘,根據測區(qū)現場情況,綜合考慮標靶布設、儀器架站位置等因素,本項目選取了中心廣場前方的14號樓作為激光點云數據的采集對象。同時在內業(yè)數據處理過程中,將傾斜攝影生成的空三數據和激光點云數據進行了融合并生成融合模型。參考外業(yè)檢查不低于10%的要求,在該棟房屋12個明顯拐點中隨機選取了5個條件點進行精度對比工作,結果見表4。

表4 多方法融合條件點精度對比表 單位：m

2.2 垂直精度對比

根據“竣工測量技術規(guī)程”規(guī)定,地物點高程中誤差為4 cm。在本次數據對比中,通過選擇全野外數字測量時采集的高程點點位,并在模型數據內進行放樣,在相同的平面位置下選擇高程數據。在測區(qū)內25棟建筑物中隨機選擇了10棟房屋作為對比基礎,對比數據結果見表5。

表5 垂直精度對比表 單位：m

2.3 邊長精度對比

根據“竣工測量技術規(guī)程”規(guī)定,建設單位提供的施工圖進行實地尺寸核實,其實測邊長與圖紙標注限差見表6,因此,在本次數據比對工作當中,參考限差范圍對邊長采集精度進行評估。

表6 實測邊長D與圖紙標注邊長限差 單位：m

本次隨機選擇了測區(qū)內25棟建筑物中的10棟房屋,進行了全站儀采集數據邊長與模型采集數據邊長的數據對比,結果均滿足精度要求,具體見表7。

表7 邊長精度對比表 單位：m

2.4 精度指標對比分析

從表8可以看出,使用相同的方法分別對不同技術手段獲取的數據進行對比,結果表明,無人機傾斜攝影測量技術、三維激光點云掃描技術以及兩者的融合模型在平面、高程精度方面均能夠滿足竣工測量精度要求。將三維激光點云和傾斜攝影測量點云數據融合,也能夠對無人機傾斜攝影的模型空洞和缺失等問題進行補充完善。

表8 精度匯總對比表 單位：m

2.5 經濟指標對比

“竣工測量技術規(guī)程”中要求測量成果包括：平面圖、立面圖、建筑分層平面布局圖、地下空間等,因為受傾斜攝影技術本身限制,無法對傳統(tǒng)竣工測量工作完全取代。因此,如何將傾斜攝影測量技術融入傳統(tǒng)竣工測量工作當中,提升傳統(tǒng)作業(yè)方法的效率,減輕作業(yè)壓力,降低外業(yè)風險,是本項目探討的關鍵所在。

2.5.1技術優(yōu)勢

通過對比表9～10可以發(fā)現,無人機傾斜攝影技術的介入,主要在以下幾個方面得到有效提升：

表9 經濟指標對比表

(1)減少外業(yè)工作量。通過無人機傾斜攝影獲取的影像數據和三維模型?？梢杂糜趦炔康缆?、綠化、地面停車位、圍墻、建筑物外輪廓面等大量地表要素進行內業(yè)采集,大幅減少了傳統(tǒng)外業(yè)數據采集的工作量。

(2)降低外業(yè)風險。在保障高程精度的前提下,將一些危險的測量工作通過三維模型的內業(yè)采集完成,如女兒墻、高層建筑物樓頂等,有效降低了外業(yè)風險。

表10 效率對比表

(3)提升成果質量。傳統(tǒng)的測量作業(yè)方式,一天采集1 000～2 000個點位,需要內外業(yè)有效結合確定圖紙的正確性。通過無人機傾斜攝影獲取的三維模型可以清晰地將實景再現,較好的提升數據的準確性,可減少甚至取代外業(yè)的調繪工作。

(4)豐富成果內容。通過無人機傾斜攝影技術獲取航空影像數據,可生產數字正射影像(Digital Orthophoto Map，DOM)、數字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)、數字線劃圖(Digital Line Graphic，DLG)、數字柵格地圖(Digital Raster Graphic，DRG)、實景三維模型等多種數據。數據包含準確的時間系統(tǒng)框架和地理信息系統(tǒng)數據,可以隨時調取并快速實現實景還原,可有效作為規(guī)劃核實的見證。同時數據可廣泛應用于智能樓宇、物業(yè)智能化管理等平臺建設中。

2.5.2技術限制

受無人機傾斜攝影的技術限制,現階段,傳統(tǒng)作業(yè)方法是必不可少且無可取代的,主要包括：

(1)控制測量。對傾斜攝影模型而言,像控點的精度決定了整個模型的精度,根據“竣工測量技術規(guī)程”要求,規(guī)劃竣工測量的首級控制應采用不低于一次附合圖根導線的平面控制點和同級圖根高程控制點。因此,對于首級控制網的布設和像控點的加密,控制測量是不可替代且至關重要的。

(2)地下空間、分層測量等。根據“竣工測量技術規(guī)程”要求,測量成果包含地下空間、分層布局圖、室內地坪標高等要素,傾斜攝影技術無法完成該部分數據的采集。

(3)陽臺、飄窗、天井等。本項目建筑物包含了較多的天井、飄窗和落地窗,因為進深較大無陽光照射、玻璃反光等因素,傾斜攝影技術無法準確地判定陽臺與房屋結構的分界線、飄窗與房屋主體的分界線、狹長天井準確表面位置等,該部分數據仍需外業(yè)傳統(tǒng)測繪采集。

3 結束語

本文從精度和經濟指標兩個方面對無人機傾斜攝影技術在竣工測量項目中的應用進行了綜合對比和分析,采用無人機傾斜攝影測量技術輔助竣工測量,能夠在有效提升作業(yè)和經濟效益的同時,實現對作業(yè)時間點現場實景的永久保存。同時獲取二維和三維地理信息數據,彌補了傳統(tǒng)測量工作中二維數據的不足,在三維層面為規(guī)劃審批、輔助決策、城管執(zhí)法、物業(yè)管理等工作提供強有力的數據保障。