基于無人機(jī)傾斜攝影測量的道路工程測量與精度分析

喬德山

摘要：道路工程測量工作是道路工程建設(shè)規(guī)劃設(shè)計、施工建造、運營養(yǎng)護(hù)管理等各個階段的基礎(chǔ)工作和重要保障。首先，概述了無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)基本特點；?其次，結(jié)合實踐分析無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在道路工程測量中的應(yīng)用要點。結(jié)果表明：無人機(jī)飛行高度在80～100?m、像控點間距在150?m以內(nèi)、地面分辨率在1.5?cm以內(nèi)時，利用無人機(jī)傾斜攝影測量進(jìn)行城市道路測繪可獲取±5?cm的平面及高程精度。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)?傾斜攝影測量?道路工程?精度分析

中圖分類號：P231

Road?Engineering?Measurement?Based?on?UAV?Oblique?Photogrammetry?and?Its?Accuracy?Analysis

QIAO?Deshan

Guangzhou?Planning?Institute，?Guangzhou，?Guangdong?Province，?510000?China

Abstract：?Road?engineering?survey?is?the?fundamental?work?and?important?guarantee?of?the?various?stages?of?the?planning?design，?construction，?and?operation?and?maintenance?management?of?road?engineering?construction.?Firstly，?the?basic?characteristics?of?UAV?oblique?photogrammetry?technology?are?summarized.?Secondly，?combined?with?practice，?the?application?points?of?UAV?oblique?photogrammetry?technology?in?road?engineering?survey?are?analyzed.?The?results?show?that?when?the?UAV?flies?at?an?altitude?of?80～100?m，?the?space?distance?of?image?control?points?is?within?150?m，?and?the?ground?resolution?is?within?1.5?cm，?the?plane?and?elevation?accuracy?of?±5?cm?can?be?obtained?by?using?UAV?oblique?photogrammetry?for?urban?road?survey.

Key?Words：?Unmanned?aerial?vehicle;?Oblique?photogrammetry;?Road?engineering;?Accuracy?analysis

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項新型技術(shù)，傾斜攝影測量不僅可以生成還原現(xiàn)實的真三維模型成果，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[1]。

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)，實現(xiàn)全自動化三維建模，具有測量成本低、工期短、省人力、易轉(zhuǎn)場等特點。目前，此技術(shù)被廣泛應(yīng)用到建設(shè)工程各個領(lǐng)域，在道路工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)各個階段中，也發(fā)揮著重要的作用[2]。

1?無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的基本特點

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，由于點多線長，需要布設(shè)一定等級和數(shù)量的測量控制點，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，極大限度替代人員的地面測量作業(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，最大限度減少對地面控制點的數(shù)量要求，不僅可以縮短外業(yè)作業(yè)時間，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[3]。無人機(jī)傾斜攝影測量外業(yè)采集及內(nèi)業(yè)處理作業(yè)流程如圖1所示。

2?工程案例

2.?1?工程概況

項目研究區(qū)位于廣州市南沙區(qū)，占地面積0.072?km2，包括4層、6層住宅區(qū)和50-65?m多層建筑。道路綠化覆蓋較好，瀝青路面是廣州典型的道路狀況。根據(jù)《低空數(shù)字航空攝影野外規(guī)范》（CH/Z3004），合理設(shè)計測量區(qū)域路線，確保目標(biāo)攝影區(qū)域完全覆蓋。航高取決于周圍建筑的高度。

2.?2?測量方法

使用DJI?M300RTK進(jìn)行傾斜野外攝影測量，配有五個D2-PSDK睿鉑鏡頭。內(nèi)業(yè)處理使用Smart?3D全景建模軟件創(chuàng)建OSGB格式的3D模型。DLG線劃圖是利用清華山維EPS三維繪圖軟件制作的。

使用Topcon?OS全站儀器（測距2+2ppm，測量角度1“）采集道路上地形地物點平面和高程，如人行道橫線角點、道路上可變車道線角、方向指示線角等。

將清華山維EPS三維地圖上收集的特征點三維坐標(biāo)與全站人工收集的特征點三維坐標(biāo)進(jìn)行比較，獲取成果校差。計算無人機(jī)傾斜單面和高度攝影測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，評估無人機(jī)傾斜測量結(jié)果。

2.3?控制測量

平面控制測量采用網(wǎng)絡(luò)RTK的方式進(jìn)行，利用廣州CORS系統(tǒng)采集控制點的城市平面坐標(biāo)（x，y），RTK平面控制點測量流動站的技術(shù)要求滿足：（1）流動站對中整平后應(yīng)分多方向量測儀器高度，并正確設(shè)置儀器高類型（斜高、垂高）和量取位置（天線相位中心、天線項圈、天線底部等），互差≤±2?mm時取其平均值記錄[4]。（2）流動站應(yīng)正確設(shè)置流動站的儀器類型、電臺類型、電臺頻率、天線類型、數(shù)據(jù)端口、藍(lán)牙端口設(shè)置、多路徑類型、數(shù)據(jù)信息類型等。（3）RTK測量數(shù)據(jù)采樣間隔一般設(shè)為1?s，模糊度置信度應(yīng)設(shè)為99.9%以上。經(jīng)、緯度記錄到0.00001″，平面坐標(biāo)和高程記錄到0.001?m。（4）RTK測量作業(yè)開始前，或單基站RTK測量中基準(zhǔn)站重新設(shè)置的，應(yīng)至少在一個已知點上進(jìn)行檢核。檢核平面較差應(yīng)≤±5?cm，高程較差應(yīng)≤±7?cm。單次測回應(yīng)滿足點位平面殘差≤±2?cm，高程殘差≤±3?cm，采集測回數(shù)應(yīng)符合相關(guān)規(guī)定[5]。（5）RTK控制點測回間觀測記錄的時間間隔不應(yīng)小于1?min，各測回均應(yīng)作重新初始化。測回間平面互差應(yīng)≤±2cm，高程互差應(yīng)≤±3?cm。符合要求的取各次觀測結(jié)果的平均值作為最終成果。（6）初始化后5?min之內(nèi)仍不能獲得固定解時，應(yīng)斷開數(shù)據(jù)鏈，重啟接收機(jī)，再次進(jìn)行初始化操作。此外，還可以提高衛(wèi)星截止角，或選擇不同的多路徑效應(yīng)消除模式進(jìn)行測量。

高程控制測量采用四等幾何水準(zhǔn)測量的方法，利用1個現(xiàn)有水準(zhǔn)控制點高程數(shù)據(jù)，引測其它控制點，水準(zhǔn)測量成果符合規(guī)范要求。本項目高程控制測量采用四等幾何水準(zhǔn)法測量實施，以閉合水準(zhǔn)線路用電子水準(zhǔn)儀（天寶DiNi03）施測，線路長度1.02?km，允許誤差20?mm，施測閉合差0.06?mm，閉合差滿足四等水準(zhǔn)精度要求[6]。

本項目為無人傾斜攝影測量與傳統(tǒng)人工測量兩種作業(yè)模式的數(shù)據(jù)精度比對，故所用控制點、像控點及檢核點均用相同方法施測。傳統(tǒng)人工測量控制點布設(shè)4個，無人機(jī)傾斜攝影測量像控點間距為150?m，共布設(shè)4個，像控檢查點6個，與像控點距離由近及遠(yuǎn)布設(shè)。

2.4?無人機(jī)傾斜攝影測量

首先根據(jù)測區(qū)范圍KML文件現(xiàn)場踏勘，布設(shè)像控點、檢查點；根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境規(guī)劃航線、航高，設(shè)計航高100?m，分辨率13.7208?mm/pixel，航向和旁向重疊度分別為80%、75%，航線外擴(kuò)測區(qū)1倍的航高即外擴(kuò)100?m，共計采集3345張影像。像控點布設(shè)4個，檢查點由近到遠(yuǎn)布設(shè)6個具體布設(shè)如圖2所示。

2.5?空三計算

在現(xiàn)場拍攝無人機(jī)圖像后，可以使用Skyscanner軟件導(dǎo)出傾斜相機(jī)數(shù)據(jù)。該過程同時記錄位置信息、相機(jī)相關(guān)參數(shù)和位置校正信息，以創(chuàng)建空三任務(wù)xml文件。然后，只需簡單的操作，即可將文件導(dǎo)入瞰景Smart?3D計算軟件。

空三計算通常需要兩次計算。第一次計算是在定向模式下進(jìn)行的。計算完成后，導(dǎo)入用戶PRJ坐標(biāo)系文件并導(dǎo)入挖掘控制點。完成后，開始第二次空間分布計算，通過調(diào)整控制點完成?？刂泣c的水平誤差中位數(shù)為8.4?mm，平均高程誤差為0.7?mm。檢查點水平誤差中位數(shù)為35?mm，高度誤差為0.3?mm，模型的相對精度滿足相關(guān)要求。表1和表2中所示的具體三維計算結(jié)果提供了對各種誤差和精度的詳細(xì)解釋。

2.6?三維建模成果及DLG線化圖生產(chǎn)

瞰景Smart3D三維重建完成后生成三維傾斜模型OSGB成果，如圖3所示。采用清華山維EPS三維測圖三維測圖軟件進(jìn)行DLG線化圖生產(chǎn)任務(wù)，提取的道路特征點（如人行道橫線角點、車行道可變車道線角點、行駛方向指示線角點等），本著均勻分布原則共計提取887個特征點。另安排傳統(tǒng)人工測量方式測量相應(yīng)點位坐標(biāo)進(jìn)行后期成果精度比對。

2.7?精度分析

2.7.1特征點分析

對三維模型提取的特征點比對人工全站儀測量的相應(yīng)特征點進(jìn)行計算分析，經(jīng)計算平面中誤差3.3?cm，高程中誤差1.9?cm。其中高程中誤差3?cm以內(nèi)檢查點占72%，5?cm以內(nèi)檢查點占93%。由于篇幅有限，在此就不列出對比詳表了。

2.7.2道路斷面數(shù)據(jù)分析

根據(jù)模型中提取斷面對比人工全站儀實地測量數(shù)據(jù)對比，斷面對比抽取2處，其中實測寬度分別為1?2.10?m和14.00?m，模型量測值分別為1?2.11?m和14.01?m，道路寬度差值、斷面高程差值均1?cm左右，滿足相關(guān)要求。

3?結(jié)語

（1）采用人工測繪手段對無人機(jī)傾斜攝影測量大量特征點進(jìn)行了檢核，成果表明無人機(jī)飛行高度在80～100?m、像控點間距在150?m以內(nèi)、地面分辨率在1.5?cm以內(nèi)時，利用無人機(jī)傾斜攝影測量進(jìn)行城市道路測繪可獲取±5?cm的平面及高程精度。

（2）無人機(jī)傾斜攝影測量誤差除無人機(jī)飛控平臺、鏡頭及作業(yè)中的航高、重疊率等影響外，在三維測圖進(jìn)行DLG線劃圖生產(chǎn)時，不同技術(shù)人員在數(shù)據(jù)采編過程中對點、線、面的捕捉經(jīng)驗不同對生產(chǎn)的線劃圖精度影響較為明顯，隨著無人機(jī)傾斜攝影測量相關(guān)軟、硬件產(chǎn)品技術(shù)水平的提升，技術(shù)人員的經(jīng)驗水平成為DLG成果精度的主導(dǎo)因素。

參考文獻(xiàn)

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