傾斜攝影測(cè)量在港口中的應(yīng)用及精度分析

王 頔，亢保軍，王 朝

(中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津300222)

近年來(lái)，應(yīng)用無(wú)人機(jī)開(kāi)展的傾斜攝影測(cè)量技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于各行業(yè)的勘測(cè)工作中，其所生成的實(shí)景三維模型在工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。曹寧等[1]使用八旋翼無(wú)人機(jī)搭載五鏡頭相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、建模處理，并使用CASS軟件繪制數(shù)字線畫圖，開(kāi)展平面精度統(tǒng)計(jì)，總結(jié)該技術(shù)的各類使用場(chǎng)景；張凱等[2]提出精準(zhǔn)測(cè)繪的概念，以精準(zhǔn)航線規(guī)劃為目的自主開(kāi)發(fā)飛控軟件，提出環(huán)繞、水平“之”字形、貼地式飛行等方法，實(shí)現(xiàn)傾斜三維模型自動(dòng)化側(cè)面數(shù)據(jù)采集；劉旭[3]分析了傾斜攝影測(cè)量的技術(shù)原理，并采用大疆M600Pro無(wú)人機(jī)掛載蒼穹KQ-CAM5傾斜攝影相機(jī)進(jìn)行拍攝，并闡述數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、生成模型、精度統(tǒng)計(jì)、生產(chǎn)效益分析等方面的具體工作；覃俊等[4]以古建筑實(shí)景三維模型為基礎(chǔ)，基于B/S架構(gòu)，提出一套WebGIS的古建筑保護(hù)規(guī)劃審批輔助決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)古建筑的綜合展示、統(tǒng)計(jì)分析及空間分析功能，建立了古建筑數(shù)字化檔案；李丹[5]將傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于鐵路工程中，探討在鐵路行業(yè)特色的長(zhǎng)條形區(qū)域作業(yè)模式下如何優(yōu)化像控點(diǎn)布設(shè)方案，如何在保障模型精度的前提下減少像片控制點(diǎn)數(shù)量，從而降低外業(yè)工作量。

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)也逐漸應(yīng)用于港口行業(yè)，但港口中不規(guī)則區(qū)域如三面臨水的條帶狀區(qū)域(防波堤、碼頭等)由于離岸較遠(yuǎn)延伸入海，長(zhǎng)寬比超過(guò)100倍，難以采集合格數(shù)據(jù)通過(guò)空中三角測(cè)量進(jìn)行建模，存在港口中進(jìn)行三維實(shí)景建模的技術(shù)難點(diǎn)。筆者采用多旋翼無(wú)人機(jī)，搭載五鏡頭傾斜相機(jī)，依托港口工程實(shí)踐，對(duì)港口行業(yè)應(yīng)用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)提出更為合理的方案。

1 傾斜攝影測(cè)量工作流程

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量項(xiàng)目一般根據(jù)工作地點(diǎn)的不同劃分為外業(yè)數(shù)據(jù)采集與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理2個(gè)階段。其中，外業(yè)數(shù)據(jù)采集包括資料搜集、測(cè)區(qū)踏勘、技術(shù)方案設(shè)計(jì)、像控點(diǎn)與檢核點(diǎn)的布設(shè)和采集、飛行作業(yè)影像數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)檢查等內(nèi)容；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)整理、導(dǎo)入建模軟件、控制點(diǎn)刺點(diǎn)、空中三角測(cè)量、模型構(gòu)建、精度檢核及精細(xì)化修模等內(nèi)容(圖1)。外業(yè)的技術(shù)方案設(shè)計(jì)與內(nèi)業(yè)的空中三角測(cè)量工作直接關(guān)系到生成的實(shí)景三維模型的位置精度及模型的精細(xì)程度。

圖1 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)流程

2 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的工程應(yīng)用

2.1 測(cè)區(qū)概況

測(cè)量區(qū)域大體呈東南—西北向條帶狀延伸，長(zhǎng)邊約6.5 km，短邊平均長(zhǎng)度約1.6 km，總面積約8 km2，由東南向西北依次為防波堤、建成區(qū)、吹填區(qū)、池塘區(qū)域，測(cè)區(qū)三面涉水。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

前期搜集到當(dāng)?shù)貒?guó)家2 000控制點(diǎn)信息，經(jīng)過(guò)RTK平面定位精度檢核及高程水準(zhǔn)測(cè)量精度檢核后采用。航拍前，根據(jù)測(cè)區(qū)內(nèi)地形地貌實(shí)際情況及邊界走向，考慮無(wú)人機(jī)航拍效率及工作站處理能力，將整個(gè)測(cè)區(qū)分為27個(gè)區(qū)塊(圖2)。綜合考慮本次測(cè)量區(qū)域相關(guān)地形地貌情況和現(xiàn)行規(guī)范要求，選取地面明顯標(biāo)志點(diǎn)(如斑馬線、道路線等易判別標(biāo)志)和地面繪制標(biāo)志點(diǎn)相結(jié)合的方式間隔約300 m在測(cè)區(qū)中均勻布設(shè)像片控制點(diǎn)，選擇GNSS RTK測(cè)量方式實(shí)地采集各像片控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)以及高程值。

圖2 區(qū)塊劃分

每次飛行作業(yè)前根據(jù)測(cè)區(qū)地貌及當(dāng)天的飛行區(qū)域?qū)ふ业匦伍_(kāi)闊、無(wú)遮擋、車輛較少的位置作為起飛地點(diǎn)，確保飛機(jī)狀態(tài)正常。根據(jù)前期設(shè)計(jì)方案開(kāi)展數(shù)據(jù)采集工作，設(shè)置無(wú)人機(jī)沿航線方向飛行，飛行高度120 m，地面分辨率2.1 cm，飛行速度8.5 m/s，航向重疊率80%，旁向重疊率83%。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中須實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)的飛行參數(shù)，包括姿態(tài)、飛行高度、風(fēng)速、剩余電量、照片數(shù)量等，保障無(wú)人機(jī)飛行安全。飛行后下載航拍照片及飛行POS文件，并檢查數(shù)據(jù)是否齊全、完好。

2.3 空中三角測(cè)量

將外業(yè)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與重命名，確保照片的唯一標(biāo)識(shí)及與POS數(shù)據(jù)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。將照片數(shù)據(jù)、POS及像片控制點(diǎn)導(dǎo)入Smart3D軟件，首先使用原始POS數(shù)據(jù)做剛體變換開(kāi)展初步空三計(jì)算，提取特征點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行同名點(diǎn)匹配，開(kāi)展迭代平差、畸變矯正從而獲取外方位元素。然后根據(jù)初步空三成果進(jìn)行像片控制點(diǎn)刺點(diǎn)工作，所有像片控制點(diǎn)刺點(diǎn)完成后，再次開(kāi)展平差計(jì)算，平差解算完成后查看空三報(bào)告，若有平面和高程中誤差較大的像控點(diǎn)則調(diào)整刺點(diǎn)位置再次進(jìn)行控制點(diǎn)平差計(jì)算，直至空三結(jié)果正確并且精度滿足規(guī)范要求。

2.4 精度檢核

通過(guò)完成空中三角測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型構(gòu)建，根據(jù)工作站內(nèi)存情況生成適合大小的瓦片，生成OSGB格式實(shí)景三維模型，見(jiàn)圖3a)。為檢核實(shí)景三維模型的精度，在整個(gè)工程范圍內(nèi)較為均勻地布設(shè)164個(gè)檢核點(diǎn)，采用GNSS RTK測(cè)量方式實(shí)地測(cè)量各點(diǎn)平面坐標(biāo)和高程值。將采集得到的檢核點(diǎn)整理導(dǎo)入《無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量輔助處理系統(tǒng)》軟件，并導(dǎo)入項(xiàng)目生成的OSGB格式實(shí)景三維模型，在實(shí)景三維模型中刺出對(duì)應(yīng)檢核點(diǎn)位置，最后將在實(shí)景三維模型上進(jìn)行刺點(diǎn)的檢核點(diǎn)坐標(biāo)與實(shí)測(cè)檢核點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，剔除由于車輛或移動(dòng)設(shè)備遮擋難以刺點(diǎn)的檢核點(diǎn)。本項(xiàng)目共完成檢核點(diǎn)刺點(diǎn)156個(gè)，實(shí)景三維模型建模精度如下：X方向中誤差為±0.035 m，Y方向中誤差為±0.040 m，高程誤差為±0.031 m，均優(yōu)于2個(gè)像元大小(地面分辨率2.1 cm)。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，構(gòu)建的實(shí)景三維模型平面及高程精度均滿足《城市測(cè)量規(guī)范》中“平坦地區(qū)1:500地形圖地物點(diǎn)相對(duì)于臨近控制點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不大于±25.0 cm及高程中誤差不大于±15.0 cm”的要求。故本項(xiàng)目完成的實(shí)景三維成果精度完全滿足后續(xù)港口平臺(tái)建設(shè)及工程建設(shè)等的多重需求，亦可作為后續(xù)生成數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字地表模型(DSM)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)成果使用，見(jiàn)圖3b)、c)。

圖3 實(shí)景三維模型

2.5 精細(xì)化修模

由于項(xiàng)目測(cè)區(qū)為港區(qū)，三面臨海，且測(cè)區(qū)內(nèi)存在弱紋理地區(qū)(吹填區(qū)、池塘區(qū))、條帶狀區(qū)域(進(jìn)港道路、防波堤)，故所生成的實(shí)景三維模型中存在水面破損、道路拉花、防風(fēng)網(wǎng)破損、收費(fèi)站下方扭曲等現(xiàn)象，影響模型完整性及美觀度，需要進(jìn)行精細(xì)化修模。對(duì)于需要開(kāi)展精細(xì)化修模的實(shí)景三維模型，將其導(dǎo)入DP-Modeler修模軟件，針對(duì)破損防風(fēng)網(wǎng)、墻體等情況進(jìn)行單體化建模，針對(duì)破損水面進(jìn)行水面平整和修復(fù)，針對(duì)道路移動(dòng)車輛問(wèn)題進(jìn)行壓平設(shè)置后貼圖修改，針對(duì)漂浮物進(jìn)行刪除。原始三維實(shí)景模型與精細(xì)化修模后的模型對(duì)比效果如圖4所示。

圖4 原始三維實(shí)景模型與精細(xì)化修模后的模型對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

1)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于港口中已經(jīng)趨于成熟，本項(xiàng)目的技術(shù)方案可適用于建立港口高精細(xì)程度、高位置精度的實(shí)景三維模型。

2)技術(shù)方案設(shè)計(jì)部分，對(duì)于水體覆蓋較多的區(qū)域，建議垂直于長(zhǎng)邊飛行，如不具備條件平行于長(zhǎng)邊飛行，則建議提高旁向重疊率；針對(duì)延伸入海的條帶狀地形，建議降低飛行高度，減少單張照片的水體覆蓋度；形狀不規(guī)則的測(cè)區(qū)建議在拐點(diǎn)處成對(duì)布設(shè)像控點(diǎn)，增加連接點(diǎn)，提高空中三角測(cè)量計(jì)算精度。

3)空中三角測(cè)量部分，在區(qū)塊劃分時(shí)，若延伸入海面積較大，建議與相連陸地區(qū)塊合并處理，提高空中三角測(cè)量成功率；針對(duì)長(zhǎng)寬比超過(guò)100的長(zhǎng)條形區(qū)域，建議分塊進(jìn)行空中三角測(cè)量。

4)精細(xì)化修模部分，若存在高大建筑或收費(fèi)站等有遮擋地區(qū)，建議使用手機(jī)或無(wú)人機(jī)在地面對(duì)于可能存在的遮擋地物進(jìn)行拍照，以提高后期修模效率及模型精細(xì)程度。

5)隨著國(guó)家對(duì)于數(shù)字城市、智慧城市以及數(shù)字中國(guó)的建設(shè)和投入逐漸加大，構(gòu)建三維立體模式下的智慧港口建設(shè)勢(shì)在必行，未來(lái)以實(shí)景三維模型為基礎(chǔ)背景疊加地上、地下各類三維模型(如三維地形模型、三維地質(zhì)模型、三維管線模型、BIM模型等)以及各類專題數(shù)據(jù)(如地物屬性信息、交通數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、船舶?？堪葱畔⒌?將依托于三維GIS平臺(tái)，以可視化、空間分析、精準(zhǔn)管理為特點(diǎn)應(yīng)用在港口的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等諸多方面的場(chǎng)景中，提供各種類型的數(shù)據(jù)支持服務(wù)。