無(wú)人機(jī)測(cè)繪在市政交通建設(shè)配套工程建設(shè)規(guī)劃中的應(yīng)用研究

黃東青，黃丹，余依娜

（1.廣州市中心區(qū)交通項(xiàng)目管理中心；2.廣州市港航工程研究所）

1 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加速，各大城市相繼發(fā)展城市便捷交通，以推進(jìn)城市群、聯(lián)合各區(qū)域資源優(yōu)勢(shì)形成區(qū)域經(jīng)濟(jì)紐帶，實(shí)現(xiàn)綠色、生態(tài)、環(huán)保的城市建設(shè)。城市交通建設(shè)實(shí)施過(guò)程中也面臨不少難題，其工程范圍呈帶狀分布、站點(diǎn)密度大，與周邊交通、商圈、教育等配套設(shè)施聯(lián)系緊密，涉及配套設(shè)施路線選址、征地拆遷、過(guò)程監(jiān)管、規(guī)劃統(tǒng)一等，需要大量調(diào)研人員，采用傳統(tǒng)手段對(duì)各個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)測(cè)量計(jì)算。

2 無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)

無(wú)人機(jī)具有監(jiān)控范圍大、機(jī)動(dòng)靈活、視角靈活等特點(diǎn)。利用傾斜攝影技術(shù)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括幾何矯正、空三加密、影像匹配，進(jìn)而提取高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，生成3D數(shù)據(jù)（DSM、DOM、DEM，見(jiàn)圖1），用于土方、邊坡、橋梁等實(shí)體量測(cè)。無(wú)人機(jī)測(cè)繪得到了大力發(fā)展，也彌補(bǔ)衛(wèi)星遙感在精細(xì)度上的不足，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用國(guó)土測(cè)繪、環(huán)境檢測(cè)、應(yīng)急救援、土方測(cè)量等領(lǐng)域，取得了較好的社會(huì)效益。

圖1 軟件生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

本文以廣州市某隧道項(xiàng)目為例，結(jié)合無(wú)人機(jī)技術(shù)特點(diǎn)，闡述無(wú)人機(jī)在市政交通配套工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

3 無(wú)人機(jī)作業(yè)流程及參數(shù)

3.1 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集完成后需對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（見(jiàn)圖2）。數(shù)據(jù)處理主要包括預(yù)處理、空三加密、3D產(chǎn)品制作、質(zhì)量檢查等。DEM、DOM、DLG（3D產(chǎn)品）是后期工作的核心數(shù)據(jù)，利用空三加密生成的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成DEM數(shù)據(jù)；根據(jù)DEM糾正相片，進(jìn)行勻色和鑲嵌處理后獲得DOM數(shù)據(jù)。根據(jù)DEM生成等高線，根據(jù)DOM分要素描繪范圍線，最終根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪成果修飾完成DLG數(shù)據(jù)的制作[1]。

圖2 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集流程

為保證精度，本次設(shè)置的行高為85m，航片數(shù)量1850張，GCD 2.33cm/像素，總共航飛了4個(gè)架次，速度設(shè)置為6m/s，重疊率旁向80%，航向80%，鏡頭角度90度，帶寬延伸20m。

3.2 數(shù)據(jù)處理流程

在無(wú)人機(jī)采集的圖像中包含的GPS坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)以及IMU提供的姿態(tài)角數(shù)據(jù)可以輔助建立影像間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。采用最鄰近方法，尋找圖像間特征點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立滿足幾何約束的匹配特征點(diǎn)集，大量的坐標(biāo)點(diǎn)在空間中構(gòu)成了目標(biāo)物的三維點(diǎn)云。在得到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)中采用基于最小二乘法的多點(diǎn)擬合方法可以得到結(jié)構(gòu)面的平面參數(shù)，與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比更加省時(shí)省力，避免了攀爬高陡邊坡的風(fēng)險(xiǎn)，與地面三維激光掃描等方法相比避免了盲區(qū)的產(chǎn)生。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程

3.3 飛行參數(shù)

采用大疆Phantom 4 PRO2.0四旋翼無(wú)人機(jī)，相機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1，無(wú)人機(jī)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 相機(jī)參數(shù)

表2 無(wú)人機(jī)參數(shù)

4 數(shù)據(jù)成果及精度評(píng)定

采用Pix4D軟件進(jìn)行全自動(dòng)化的數(shù)據(jù)處理，通過(guò)設(shè)置的控制點(diǎn)，生成測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)下的真實(shí)坐標(biāo)三維模型，并以該高程精度實(shí)景三維模型為基礎(chǔ)，獲取DSM、DOM、DLG等測(cè)量成果，見(jiàn)圖4。

圖4 無(wú)人機(jī)測(cè)繪成果

導(dǎo)入正拍的和傾斜的航片，軟件會(huì)自動(dòng)從影像讀入pos值和精度，精度水平設(shè)置為0.01m，精度垂直0.02m。

4.1 評(píng)定指標(biāo)

精度評(píng)定通過(guò)采集的檢查點(diǎn)坐標(biāo)與對(duì)應(yīng)GPSRTK實(shí)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行比較，從成果中采集的地物標(biāo)識(shí)，包括：道路線、斑馬線、建筑等，差值稱為殘差，再利用中誤差公式進(jìn)行計(jì)算。

中誤差計(jì)算公式：

式中：m為點(diǎn)位中誤差；vi代表殘差；n代表檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)。

4.2 正射影像空中三角測(cè)量結(jié)果精度

垂直方向拍攝的影像稱為正射影像，成果一般用于平面計(jì)算校核。Context Capture軟件空三加密平差處理時(shí)，空中三角測(cè)量過(guò)程會(huì)直接解算并輸出其坐標(biāo)值，統(tǒng)計(jì)坐標(biāo)并于RTK采集的實(shí)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行較差，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 正射影像空三解算檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)

續(xù)表

統(tǒng)計(jì)得到正視影像空三解算成果的平面位置中誤差為0.072m，高程中誤差為0.094m，平面測(cè)量最大差值0.19m。根據(jù)CH/T 3006-2011《數(shù)字航空攝影測(cè)量控制測(cè)量規(guī)范》對(duì)空三加密成果的規(guī)范，正視影像空三加密檢查點(diǎn)的平面、高程精度滿足1:500比例尺的精度要求。

4.3 數(shù)字正射影像（DOM）結(jié)果精度

為評(píng)定DOM成果精度，在DOM上采集10個(gè)檢查點(diǎn)，與GPS-RTK外業(yè)實(shí)測(cè)平面坐標(biāo)對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 DOM結(jié)果精度

通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果可知，DOM的平面位置精度為0.056m，最大殘值為0.076m，實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足1:500正射影像平面位置中誤差平地、丘陵不大于0.6m的規(guī)定。

5 無(wú)人機(jī)測(cè)繪在市政交通建設(shè)配套工程規(guī)劃中的應(yīng)用

5.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)，輔助配套工程選址

無(wú)人機(jī)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后，得到高分辨率的數(shù)字地圖，能夠清晰的反映交通道路的地形、地貌、周邊建筑、商圈的特征，圖5為項(xiàng)目周邊局部修正的正射影像，該項(xiàng)目建設(shè)在林西河周邊，整合交通實(shí)施流量信息、公交站點(diǎn)信息及標(biāo)注線，無(wú)人機(jī)及時(shí)采集的信息為項(xiàng)目臨時(shí)道路的合理布局、施工用地選擇發(fā)揮了重要作用。

圖5 項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)建模

5.2 點(diǎn)云三維測(cè)量，復(fù)核征地拆遷范圍

交通建設(shè)項(xiàng)目配套工程常常涉及大量的征地拆遷工作，征地拆遷管理過(guò)程中因?yàn)椴疬w信息統(tǒng)計(jì)不及時(shí)，造成征拆矛盾，主要是“搶建、搶種、搶圍”傳統(tǒng)的測(cè)圖工期長(zhǎng)，不能及時(shí)反饋問(wèn)題，基于無(wú)人機(jī)的快速航測(cè)、建模能力，通過(guò)生成高分辨率點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以對(duì)不同時(shí)期的拆建房屋進(jìn)行量測(cè)，量測(cè)精度見(jiàn)表，對(duì)違章認(rèn)定、證據(jù)保全等爭(zhēng)議問(wèn)題提供全面的技術(shù)支持。同時(shí)，基于信息化管理平臺(tái)，對(duì)航測(cè)成果存檔留存，作為處理拆遷安置問(wèn)題的重要依據(jù)。

5.3 土方計(jì)算，評(píng)估規(guī)劃方案

土方平衡用于配套工程施工范圍內(nèi)挖土方和回填土方的平衡，關(guān)鍵在于無(wú)人機(jī)對(duì)現(xiàn)狀原始地形數(shù)據(jù)采集，通過(guò)獲取的實(shí)際地形的數(shù)字高程DEM進(jìn)行曲面建模，利用計(jì)算軟件采用方格網(wǎng)法，對(duì)原始地形進(jìn)行插值處理，并計(jì)算獲得挖填方量，土方工程統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5，誤差主要來(lái)源于方格網(wǎng)采用的插值細(xì)度。通過(guò)該技術(shù)使工程建設(shè)管理人員在工程建設(shè)中快速判定現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)堆土數(shù)量，及時(shí)合理地安排相關(guān)土方工程施工時(shí)序，精準(zhǔn)確定需要被運(yùn)送至棄土場(chǎng)的廢棄土方數(shù)量和時(shí)間，解決有限土方中轉(zhuǎn)臨時(shí)用地條件下的土方施工組織管理問(wèn)題[3]。

5.4 邊坡分析，復(fù)核

基于多視立體視覺(jué)算法（PMVS）和運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)恢復(fù)算法（SfM）對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行三維重建，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)后處理，獲得地形表觀數(shù)據(jù)。在三維點(diǎn)云中處理使用基于最小二乘法的平面擬合算法，可以提取出準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)面參數(shù)，進(jìn)一步將這些結(jié)構(gòu)面繪制在赤平極射投影圖中，能實(shí)現(xiàn)高陡邊坡的數(shù)字化測(cè)量，結(jié)果如表5所示，能滿足實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)土方量計(jì)算的精度要求。

表5 土方工程量統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)航測(cè)作為一種成本低廉、方便快速的新型技術(shù)，在傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)上，集成現(xiàn)代遙感技術(shù)，通過(guò)獲取高分辨率影像資料，生成空間信息，結(jié)合GIS+BIM在空間數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)，在市政交通配套工程乃至主體工程建設(shè)中，能夠提供輔助決策，增強(qiáng)管理者決策能力和服務(wù)水平，有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)測(cè)繪手段在信息化測(cè)繪時(shí)代難以滿足生成需求的不足，提高配套工程選線、選址效率，應(yīng)用前景廣闊。