關(guān)于無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在道路工程測量中的應(yīng)用

李 輝

湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南長沙 410132

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新型技術(shù)，傾斜攝影測量不僅可以生成還原現(xiàn)實(shí)的真三維模型成果，帶有空間位置信息的可量測影像數(shù)據(jù)，可真實(shí)反映地物的外觀、位置、高度等屬性，還能生產(chǎn)輸出DSM、DOM、TDOM、DLG等多種數(shù)字化地理信息成果。

無人機(jī)傾斜攝影測量適應(yīng)各類復(fù)雜的野外環(huán)境，可快速采集影像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化三維建模，具有測量成本低、工期短、省人力、易轉(zhuǎn)場等特點(diǎn)。目前，此技術(shù)被廣泛應(yīng)用到建設(shè)工程各個(gè)領(lǐng)域，在道路工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)各個(gè)階段中，也發(fā)揮著重要的作用。

1 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的基本特點(diǎn)

傳統(tǒng)的道路測量作業(yè)模式下，采取常規(guī)儀器+人工的方法，由于點(diǎn)多線長，需要布設(shè)一定等級和數(shù)量的測量控制點(diǎn)，工作效率的提升受到局限。

從測量作業(yè)的方式分析，采用無人機(jī)傾斜攝影方法，可以實(shí)現(xiàn)“人在空中數(shù)據(jù)盡收”的效果，提高了測量工作的效率，極大限度替代人員地面測量作業(yè)，以及現(xiàn)場不利環(huán)境的影響，保障測量作業(yè)的質(zhì)量。

道路工程測量外業(yè)作業(yè)中，采用無人機(jī)作業(yè)、少量調(diào)繪輔助測量，充分利用GNSS-RTK輔助空中三角測量導(dǎo)航與定位，助力內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)資料采集工作的同時(shí)開展，最大限度減少對地面控制點(diǎn)的數(shù)量要求，不僅可以縮短外業(yè)作業(yè)時(shí)間，更重要的是做到了充分利用現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)、確保了測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量可靠，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益、社會效益全面提升。

2 實(shí)例分析道路工程無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用

2.1 案例概述

以某道路工程項(xiàng)目為例，帶狀測區(qū)長度為1km、寬度為70m，面積為0.07km，測區(qū)內(nèi)地物地貌復(fù)雜，若采用人工+常規(guī)儀器的測量方法，需要花費(fèi)大量人力、物力和時(shí)間。

采用了無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，通過基礎(chǔ)資料、技術(shù)資料收集、現(xiàn)場踏勘調(diào)查，獲得完整翔實(shí)基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)和資料，制訂科學(xué)合理測量技術(shù)方案、規(guī)劃設(shè)計(jì)飛行路線，保障了測區(qū)的全面覆蓋，為后續(xù)工作提供可靠保障?，F(xiàn)結(jié)合工程實(shí)踐，進(jìn)行具體分析。

2.2 測量方案分析

本次測量外業(yè)數(shù)據(jù)信息的采集，采用無人機(jī)傾斜攝影方法，使用了大疆經(jīng)緯M300RTK無人機(jī)，配置了睿鉑D2-PSDK五鏡頭，五鏡頭的基本參數(shù)如下：

(1)外形尺寸大小為190mm×180mm×80mm；(2)相機(jī)整體重量為850g；(3)傳感器尺寸為23.5mm×15.6mm；(4)相機(jī)總像素≥12mp；(5)其他參數(shù)。

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)信息的處理使用的是Smart3D三維建模軟件，DLG線劃圖的生產(chǎn)使用的是基于CAD平臺的南方測繪Cass3D專用軟件。

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，運(yùn)用了部分人工測量調(diào)繪方法，使用SETIX全站儀，主要采集部分受遮擋嚴(yán)重的地物、地貌點(diǎn)平面與高程數(shù)據(jù)信息，比如大樹下的建筑物角點(diǎn)。

為檢驗(yàn)無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用效果，通過無人機(jī)傾斜攝影測量特征點(diǎn)的平面以及高程成果、基于Cass3D采集的特征點(diǎn)三維坐標(biāo)與全站儀(或RTK)人工采集的相同特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，展開數(shù)據(jù)對比分析、計(jì)算統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而評定測量成果的精度。

2.3 測量作業(yè)的要點(diǎn)

2.3.1 控制測量

道路工程測量作業(yè)中，平面控制測量的開展，采用的是網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)手段。利用CORS系統(tǒng)采集城市平面坐標(biāo)控制點(diǎn)(x，y)，RTK平面控制點(diǎn)測量中設(shè)置流動(dòng)站技術(shù)要點(diǎn)：

(1)組織觀測作業(yè)前，對儀器設(shè)備進(jìn)行初始化，進(jìn)而獲得固定解，如果長時(shí)間無法得到固定解，可通過重啟儀器，之后開展初始化操作。

(2)每次進(jìn)行觀測作業(yè)前，均要進(jìn)行流動(dòng)站的重新初始化。

(3)作業(yè)時(shí)如果出現(xiàn)衛(wèi)星信號失鎖的情況，則要重新初始化，完成重合點(diǎn)測量檢測，達(dá)到合格要求后再開展后續(xù)測量作業(yè)。

(4)測量作業(yè)開展前，都要進(jìn)行1個(gè)同等級或者高等級已知點(diǎn)的校驗(yàn)和核查，平面坐標(biāo)較差<7cm。

(5)使用的數(shù)據(jù)采集器設(shè)備設(shè)置控制點(diǎn)的單次觀測的平面收斂精度<±2cm。

(6)RTK平面控制點(diǎn)測量需使用三腳架加基座對點(diǎn)器架設(shè)流動(dòng)站，必須嚴(yán)格對中和整平，觀測要求每次歷元數(shù)不少于20個(gè)，采樣間隔控制為2～5s，各測量的平面坐標(biāo)較差<±4cm。

本次測量作業(yè)中高程控制測量，在滿足技術(shù)規(guī)范要求前提下，利用測區(qū)范圍內(nèi)1個(gè)已知高等級高程控制點(diǎn)，結(jié)合像控點(diǎn)形成閉合水準(zhǔn)線路，使用電子水準(zhǔn)儀按照四等水準(zhǔn)測量的方法觀測，水準(zhǔn)線路長度為2.42km，實(shí)測高差閉合差為0.6mm。借助現(xiàn)有的高程控制點(diǎn)RTK數(shù)據(jù)信息，在市級測繪基準(zhǔn)服務(wù)平臺CORS精化出區(qū)域高程。

為了對比無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)與傳統(tǒng)人工測量模式的精度，作業(yè)時(shí)設(shè)置的控制點(diǎn)、像控點(diǎn)和檢核點(diǎn)，按照相同的方法進(jìn)行測量。人工測量作業(yè)方法的應(yīng)用，設(shè)置了4個(gè)控制點(diǎn)。航測像控點(diǎn)間距控制在150m左右，總計(jì)布置了6個(gè)，設(shè)置了6個(gè)像控檢查點(diǎn)。

2.3.2 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)

道路工程測量作業(yè)中采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，根據(jù)測區(qū)范圍KML文件現(xiàn)場勘察，設(shè)置像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際情況規(guī)劃航線和航高，確定作業(yè)的方案。作業(yè)時(shí)基本參數(shù)設(shè)置如下：

(1)航高設(shè)置為100m；(2)分辨率設(shè)置為13.7208mm/pixel；(3)航向重疊度為80%；(4)旁向重疊度為75%；(5)航線外擴(kuò)測區(qū)1倍的航高即外擴(kuò)100m。

總計(jì)采集3345張影像資料。

2.3.3 空中三角測量的計(jì)算

外業(yè)數(shù)據(jù)信息的采集完成后，使用SkyScanner導(dǎo)出傾斜相機(jī)原始數(shù)據(jù)，整理拍照位置信息和相機(jī)有關(guān)參數(shù)以及姿態(tài)矯正等數(shù)據(jù)，經(jīng)過整理之后按照要求一鍵導(dǎo)入瞰景Smart3D，開展空中三角測量的計(jì)算。一般來說，空中三角測量的計(jì)算主要分為兩次。在具體計(jì)算時(shí)按照以下流程：

(1)第一次，采用姿態(tài)輔助平差模式，經(jīng)過計(jì)算后導(dǎo)入自定義坐標(biāo)系文件，再導(dǎo)入像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)，開展刺點(diǎn)工作。

(2)完成上述操作后，啟動(dòng)第二次空中三角測量的計(jì)算，以控制點(diǎn)平差方式進(jìn)行計(jì)算，控制點(diǎn)、高程、檢查點(diǎn)的水平誤差，分別為8.4mm、0.7m、35mm。

空中三角測量的計(jì)算結(jié)果如下：

(1)像控點(diǎn)誤差。三維誤差中位數(shù)為0.0084m；水平誤差中位數(shù)為0.0084m；高程誤差中位數(shù)為0.0007m。

(2)檢查點(diǎn)誤差。三維誤差中位數(shù)為0.0347m；水平誤差中位數(shù)為0.0347m；高程誤差中位數(shù)為0.0003m。

2.3.4 三維建模成果與DLG線劃圖生產(chǎn)

按照技術(shù)方案，三維重建結(jié)束后生成三維傾斜模型使用OSGB格式。OSGB成果導(dǎo)出后再使用Cass3D三維測圖軟件生成DLG線劃圖，并且提取道路房屋等地物特征點(diǎn)，比如人行道橫線角點(diǎn)和車行道可變車道角點(diǎn)等，按照均勻分布的原則提取，總計(jì)提取887個(gè)特征點(diǎn)。除此之外，還組織人工現(xiàn)場調(diào)繪測量獲得數(shù)據(jù)，開展對比分析。

2.4 精度與效率

精度分析：(1)特征點(diǎn)分析。對使用三維模型提取的特征點(diǎn)，與人工全站儀設(shè)備測量結(jié)果，展開對比分析，經(jīng)過計(jì)算平面和高程中誤差分別為3.3cm、1.9cm。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，高程中誤差3cm以內(nèi)的檢查點(diǎn)占據(jù)72%；5cm以內(nèi)的檢查點(diǎn)占比為93%。(2)道路斷面數(shù)據(jù)對比分析。根據(jù)三維模型中提取斷面與人工作業(yè)測量的數(shù)據(jù)對比，斷面對比抽取兩處，實(shí)際測量寬度參數(shù)為12.10m與14.00m；三維模型量測參數(shù)分別為12.11m與14.01m，道路寬度差值以及斷面高程差值都為1cm左右，可以達(dá)到技術(shù)要求。

測量作業(yè)的效率。使用無人機(jī)技術(shù)方案，外業(yè)作業(yè)配置兩名工作人員，像控、飛行作業(yè)2h；內(nèi)業(yè)建模4.5h；三維測圖1.5h，總計(jì)花費(fèi)8h。

采取人工作業(yè)需要配置3名工作人員，2天15h完成外業(yè)作業(yè)，2h完成內(nèi)業(yè)地形圖繪制。兩種方法對比，無人機(jī)作業(yè)的效率顯著高于人工作業(yè)。

3 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在道路工程測量中的應(yīng)用策略

3.1 優(yōu)選裝置與設(shè)備

道路工程測量中采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)手段輔助作業(yè)，為了能夠保障測量工作的質(zhì)量、安全以及效率，需要做好事前的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作。一般來說，測量作業(yè)離不開各類裝置和設(shè)備的支持，在選擇設(shè)備與裝置時(shí)需要做好對比分析，保證設(shè)備裝置的性能可以達(dá)到使用的要求。目前，行業(yè)市場中出現(xiàn)了很多新產(chǎn)品和新裝置，能夠?yàn)闊o人機(jī)傾斜攝影作業(yè)的開展提供多樣化選擇，但部分產(chǎn)品具有缺陷和不足，工作人員要結(jié)合各類產(chǎn)品的特點(diǎn)，根據(jù)作業(yè)的需求，對設(shè)備的性能展開對比分析，選擇適宜的無人機(jī)類型，配置高性能攝影裝置。組織開展作業(yè)前，需要對使用的裝置和設(shè)備進(jìn)行全面檢查，消除潛在的風(fēng)險(xiǎn)。在日常使用方面需要做好設(shè)備和裝置的維護(hù)檢修，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問題，保障作業(yè)的安全和效益。

3.2 構(gòu)建完善的攝影系統(tǒng)

近年來，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)不斷升級，使得攝影功能更加豐富實(shí)用，能夠?yàn)闇y量作業(yè)提供更好的支持。為了發(fā)揮無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，需要構(gòu)建完善的航測系統(tǒng)。傳統(tǒng)的航空攝影技術(shù)應(yīng)用，只能從垂直角度拍攝地物，采用新型技術(shù)手段通過搭載專業(yè)五鏡頭相機(jī)，能夠從多個(gè)角度采集影像資料，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)技術(shù)的不足。目前，市場上的無人機(jī)類型很多，如果按照動(dòng)力系統(tǒng)劃分，則可以劃分為內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力無人機(jī)和電池動(dòng)力無人機(jī)。在實(shí)際選擇時(shí)，需要圍繞無人機(jī)的載重、巡航速度以及續(xù)航時(shí)間等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，做好相應(yīng)的分析對比，選擇適宜的設(shè)備滿足作業(yè)要求。構(gòu)建無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)時(shí)，還需要考慮到相機(jī)的性能。在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)道路測量作業(yè)的技術(shù)和質(zhì)量要求，合理配置相機(jī)裝置，一般來說，可以選擇五鏡頭、三鏡頭或者雙鏡頭。

3.3 設(shè)計(jì)科學(xué)合理的飛行航線

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用需要制定科學(xué)完善的飛行航線，保證飛行的范圍能夠覆蓋整個(gè)測量區(qū)域，獲得完整的數(shù)據(jù)信息，在具體設(shè)計(jì)時(shí)需要確定航攝的高度，根據(jù)測量任務(wù)的具體要求，選擇地面分辨率，按照公式計(jì)算H=f×GSD/α。

式中：H為飛行相對航高，單位m；f為攝影鏡頭的焦距，單位mm；α為像元尺寸，單位mm；GSD影像的地面分辨率，單位m。

航向重疊度的設(shè)置一般應(yīng)為60%～80%，最小不小于53%；旁向重疊度一般應(yīng)為15%～60%，最小不小于8%。在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，需要結(jié)合區(qū)域內(nèi)部的建筑物以及其他元素分布情況，選擇最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)。測量區(qū)域內(nèi)的建筑密集度高，則會影響到飛行的正常運(yùn)行，如果設(shè)計(jì)的航線重疊度不足，那么在拍攝時(shí)很容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)信息質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的情況。通常來說，影像重疊度越高，那么相同區(qū)域數(shù)據(jù)量就越大，而數(shù)據(jù)處理效率則越低。采取五向飛行，即對目標(biāo)進(jìn)行前、后、左、右、上五個(gè)方向航拍，前后左右航線的角度為約45°傾斜，上方航線為-90°正攝。

按照測量技術(shù)及設(shè)計(jì)要求，像控點(diǎn)的目標(biāo)影像應(yīng)清晰，選擇在易于識別的細(xì)小現(xiàn)狀地物交點(diǎn)、明顯地物拐角點(diǎn)等位置固定且便于量測的地方。在具體設(shè)計(jì)時(shí)需要做好綜合分析，考量各類因素的不良影響，保證設(shè)計(jì)的參數(shù)能夠達(dá)到要求，每次飛行結(jié)束，對航向重疊、旁向重疊范圍保證等元素逐一檢查，對不符合要求的部分必須進(jìn)行補(bǔ)攝或重?cái)z。

3.4 做好人員的培訓(xùn)

無人機(jī)攝影測量技術(shù)具有較強(qiáng)的專業(yè)性，需要測量工作人員能夠掌握技術(shù)操作的方法和要點(diǎn)，嚴(yán)格按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)開展各項(xiàng)工作。測量作業(yè)前，需要對參與測量工作的人員進(jìn)行業(yè)務(wù)培訓(xùn)，使其能夠掌握基本的理論知識和熟練的操作技能。測量工作人員在作業(yè)中必須按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求開展飛行測量，整個(gè)作業(yè)期間都必須做好飛行監(jiān)督檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理現(xiàn)場出現(xiàn)的問題。

結(jié)語

綜上所述，道路工程測量實(shí)踐中采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)手段，具有技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量可靠、效率高等各個(gè)方面的優(yōu)勢，從項(xiàng)目測量實(shí)際分析，編制合理技術(shù)設(shè)計(jì)書、制定完善的飛行路線，選擇適宜的飛行裝置和設(shè)備，提高測量作業(yè)人員理論水平、操作技能，保障工程測量工作高效、有序化開展，切實(shí)保障測量結(jié)果的精確和真實(shí)。