陳羅生 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司滬昆鐵路客運(yùn)專線浙江有限責(zé)任公司

1 引言

一直以來，地理信息數(shù)據(jù)的獲取主要采用人工作業(yè)的方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工序繁多，耗時(shí)耗力是傳統(tǒng)作業(yè)方式的特點(diǎn)。然而近年來興起的無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)徹底顛覆了傳統(tǒng)的作業(yè)模式，該技術(shù)通過無人機(jī)低空多鏡頭攝影獲取豐富的立體影像數(shù)據(jù)，無需人工干預(yù)，自動(dòng)生成三維地理信息模型，具有效率高、成本低、一次飛行信息豐富、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)等特點(diǎn)，已在國土監(jiān)察、城市執(zhí)法、應(yīng)急救災(zāi)、電力巡線等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

2 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量原理及優(yōu)勢(shì)分析

2.1 基本原理

傾斜攝影技術(shù)是傾斜航空相機(jī)國際攝影測(cè)量領(lǐng)域近十幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，該技術(shù)通過從一個(gè)垂直、4個(gè)傾斜共5 個(gè)不同的視角同步采集影像，獲取豐富的建筑物頂面及側(cè)視的高分辨率紋理。它不僅能夠真實(shí)地反映地物情況，高精度地獲取物方紋理信息，還可通過先進(jìn)的定位、融合、建模等技術(shù)，生成真實(shí)的三維模型。

2.2 優(yōu)勢(shì)分析

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量不管是用于生產(chǎn)實(shí)景三維模型還是1∶500測(cè)圖，生產(chǎn)效率是傳統(tǒng)作業(yè)模式的數(shù)倍甚至數(shù)十倍。以1∶500 地籍測(cè)量為例，傳統(tǒng)人工測(cè)量平均一組每天測(cè)量約30 宗；而在三維模型上測(cè)量，一個(gè)熟練內(nèi)業(yè)人員平均每天能完成100宗以上，而且還不存在天氣因素的限制。

模型和測(cè)圖成果精度取決于傾斜相機(jī)分辨率和相控點(diǎn)精度，相機(jī)分辨率優(yōu)于1.5 cm，相控點(diǎn)位精度不大于2 cm，得到成果點(diǎn)位精度95%優(yōu)于5 cm。全站儀數(shù)字測(cè)量受通視條件限制，采用免棱鏡也難以測(cè)量，導(dǎo)致圖面不完整或圖面精度不高。但傾斜攝影測(cè)量利用高度和多視角優(yōu)勢(shì)，就能很好地解決這個(gè)問題，例如，在農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量中，即使存在帶院墻的宗地?zé)o法進(jìn)入，也不會(huì)影響測(cè)量工作的開展。

2.3 技術(shù)流程

基于無人機(jī)傾斜攝影的復(fù)核驗(yàn)收測(cè)量技術(shù)結(jié)合了攝影測(cè)量學(xué)原理和竣工驗(yàn)收測(cè)量方法，采用多視角相機(jī)同步獲取各個(gè)角度高分辨率影像進(jìn)行預(yù)處理、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合空中三角測(cè)量、多視影像密集匹配、DTM/DEM 編輯和生產(chǎn)、TIN 模型構(gòu)建自動(dòng)紋理關(guān)聯(lián)、三維測(cè)圖軟件導(dǎo)入與制圖、建設(shè)用地實(shí)際使用情況、竣工地形圖繪制、竣工面積計(jì)算等。在一定程度上提升生產(chǎn)效率，為土地專項(xiàng)驗(yàn)收提供直觀豐富的數(shù)據(jù)信息，輔助運(yùn)營管理。其關(guān)鍵技術(shù)包含：

（1）多視影像數(shù)據(jù)采集，原始影像數(shù)據(jù)質(zhì)量直接關(guān)系到模型質(zhì)量，需選擇穩(wěn)定的飛行平臺(tái)并明確傳感器、地面分辨率、影像重疊度、飛行架次及航高等，同時(shí)獲取5 個(gè)視角的影像。

（2）像控點(diǎn)加密布設(shè)，按照《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》布點(diǎn)方案布設(shè)均勻分布的像控點(diǎn)，并在其基礎(chǔ)上結(jié)合攝區(qū)地形對(duì)相鄰像控點(diǎn)間加密布設(shè)控制點(diǎn)。

（3）三維模型并行處理，多視影像空三加密、點(diǎn)云生成、建立實(shí)景三維等均可在通過后處理軟件自動(dòng)解算，其中多視影像區(qū)域網(wǎng)平差和多視影像密集匹配，通過GPU＋集群并行處理，分配作業(yè)任務(wù)，提升處理效率。

（4）采用EPS 三維測(cè)圖系統(tǒng)，實(shí)景模型地物清晰、信息豐富，繪圖員無需佩戴立體眼鏡，可直接采集地形圖，并賦予要素屬性，成果可轉(zhuǎn)換為DWG等格式。

3 應(yīng)用案例

3.1 項(xiàng)目概況

杭州至黃山鐵路（浙江段）工程（以下簡(jiǎn)稱“杭黃鐵路”)是一條連接浙江省杭州市與安徽省黃山市的高速鐵路。杭黃鐵路運(yùn)營長(zhǎng)度為287.545 km、新建長(zhǎng)度約265.15 km，其中浙江境內(nèi)約185.0 km。杭黃鐵路2014 年6 月30 日正式開工建設(shè)，并于2018 年12 月25 日建成并通車運(yùn)營。全線涉及杭州地區(qū)的蕭山區(qū)（23.0 km）、富陽區(qū)（39.2 km）、桐廬市（28.2 km）、建德市（41.0 km）及淳安縣（53.6 km）等五個(gè)縣（市、區(qū)）。2016年11月18日，國土資源部《關(guān)于新建杭州至黃山鐵路工程（浙江段）建設(shè)用地的批復(fù)》（國土資函〔2016〕724號(hào)），批準(zhǔn)全線用地總面積391.2498公頃。

本文僅對(duì)建德段（41km）作為研究對(duì)象，建德段批準(zhǔn)用地104.6473公頃。

3.2 項(xiàng)目實(shí)施

3.2.1 航線布設(shè)及數(shù)據(jù)獲取

本次航攝使用大疆M300無人機(jī)搭載賽爾PSDK 102S五鏡頭相機(jī)等設(shè)備進(jìn)行影像采集，影像地面分辨率優(yōu)于2 cm，根據(jù)航攝區(qū)域地形情況、起飛場(chǎng)地情況以及攝影分辨率要求等要素，使用“微型無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)”自帶程序進(jìn)行自動(dòng)航線設(shè)計(jì)。當(dāng)測(cè)區(qū)的風(fēng)向與設(shè)計(jì)的航線成垂直方向時(shí)，為減小飛行過程的漂移問題，應(yīng)調(diào)整航線設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 航線飛行設(shè)計(jì)示意圖

測(cè)區(qū)完成情況：采用哈瓦M(jìn)AGE V8 III多旋翼無人機(jī)及哈瓦YT-5POPC III5鏡頭，共采集影像225920張，影像地面分辨率1.8 cm，測(cè)設(shè)像片控制點(diǎn)215個(gè)，控制點(diǎn)平面中誤差2cm內(nèi)，高程中誤差3 cm內(nèi)，航向重疊度75%，旁向重疊度80%，外業(yè)采集和像控點(diǎn)布設(shè)共計(jì)耗時(shí)7 d。整個(gè)區(qū)域外業(yè)控制測(cè)量、空三加密、DOM、DEM及三維實(shí)景模型制作，面積總計(jì)6.52 km2，模型分塊大小為60 m x 60 m格網(wǎng)大小，共計(jì)生成OSGB格式模型分塊2437塊，模型大小為127.3GB。

本項(xiàng)目共完成6.52 km2傾斜數(shù)碼影像采集，根據(jù)測(cè)區(qū)實(shí)際攝區(qū)環(huán)境，對(duì)區(qū)域進(jìn)行了分區(qū)采集規(guī)劃，在高層建筑區(qū)設(shè)計(jì)航高為130 m、低層建筑區(qū)設(shè)計(jì)航高為70 m，采用不同航高，保持采集分辨率的一致性。

3.2.2 空三加密及數(shù)據(jù)建模

3.2.2 .1 空中三角測(cè)量

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理 傾斜攝影數(shù)據(jù)包括下視影像和傾斜影像兩種不同類型的成果，傾斜影像和下視影像存在一定程度上的色調(diào)差異。應(yīng)保持影像色調(diào)一致、無拉毛現(xiàn)象、反差適中。以下視影像為基準(zhǔn)，根據(jù)傾斜影像不同拍攝角度，分別制作對(duì)應(yīng)色調(diào)模板進(jìn)行批量勻光處理。對(duì)于不同架次的影像數(shù)據(jù)，如存在較大的色差，則需要進(jìn)行勻色處理。圖2為勻光前后效果對(duì)比圖。

圖2 勻色效果對(duì)比

在區(qū)塊Block 成功導(dǎo)入后，點(diǎn)擊Check Photo 檢查導(dǎo)入影像路徑的完整性。整理航飛影像和POS 數(shù)據(jù)，刪除不完整的影像文件。

對(duì)提交的航攝成果進(jìn)行二次檢查分析，確保數(shù)據(jù)完整，元數(shù)據(jù)信息完備。POS 記錄信息與影像成果對(duì)應(yīng)一致，無缺漏和不匹配現(xiàn)象。圖像質(zhì)量和文件格式正確無誤。相機(jī)參數(shù)信息齊全。

（2）建模區(qū)塊劃分 區(qū)塊劃分應(yīng)綜合考慮垂直影像分辨率、攝區(qū)地形特點(diǎn)、航攝分區(qū)、測(cè)區(qū)形狀等，劃分原則如下：

①應(yīng)以航攝分區(qū)作為區(qū)塊分塊的邊界，分塊不宜跨測(cè)區(qū)；

②分區(qū)間旁向有2-3 條航線重疊，航向有3-4 幅影像重疊；

③分塊形狀應(yīng)規(guī)則，宜以矩形、正方形為主；

④分塊邊界不宜穿過居民地，精度要求較高的區(qū)域應(yīng)當(dāng)處于分塊中心；

⑤三維建模時(shí)應(yīng)調(diào)取相鄰分塊一倍航高范圍內(nèi)像片參與計(jì)算。

（3）相對(duì)定向 結(jié)合POS 數(shù)據(jù)，通過Bentley ContextCap?ture 軟件完成像片的自動(dòng)化相對(duì)定向。相對(duì)定向精度應(yīng)滿足：連接點(diǎn)上下視差中誤差不大于1/3像素，最大殘差不大于2/3像素，特別困難區(qū)域可放寬0.5倍。

（4）像控判刺

①像控點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)施測(cè)，均為平高點(diǎn)。

②像控點(diǎn)判刺是對(duì)傾斜攝影5 鏡頭所攝的5 組像片，每組挑選判刺不少于3 張像片的像片控制點(diǎn)。采用“隔4 取1”的判刺方法，每5張連續(xù)像片選取1張進(jìn)行判刺，盡可能選取控制點(diǎn)位于像幅中心的像片。像控點(diǎn)判刺界面如圖3-圖6所示。

（5）絕對(duì)定向與區(qū)域網(wǎng)平差 空三絕對(duì)定向首先進(jìn)行大量特征點(diǎn)的提取，其次對(duì)獲取的特征點(diǎn)采用多視匹配和密集匹配等技術(shù)進(jìn)行同名點(diǎn)匹配，再次進(jìn)行迭代平差優(yōu)化、畸變差校正等步驟獲取精確的外方位元素，得到每一幅影像精確的空間位置和旋轉(zhuǎn)角度，以確定各個(gè)影像間的投影關(guān)系為下一步三維重建做好準(zhǔn)備。

圖3 像控判刺

基于Bentley ContextCapture 全自動(dòng)三維建模軟件，結(jié)合POS 系統(tǒng)提供的外方位元素和相機(jī)安裝位置關(guān)系，可以模擬包括傾斜影像在內(nèi)的所有影像的地表投影范圍，采取由粗到精的金字塔匹配策略，在各級(jí)影像上進(jìn)行同名點(diǎn)自動(dòng)匹配和自由網(wǎng)光束法平差，得到較好的同名點(diǎn)匹配結(jié)果。

網(wǎng)平差計(jì)算時(shí)對(duì)連接點(diǎn)、像控點(diǎn)進(jìn)行粗差檢驗(yàn)，并對(duì)檢測(cè)處的粗差點(diǎn)進(jìn)行剔除或返測(cè)；對(duì)于GNSS/IMU 輔助空中三角測(cè)量和GNSS 輔助空中三角測(cè)量，導(dǎo)入攝站坐標(biāo)、像片姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合平差。

圖4 同名點(diǎn)匹配

完成空中絕對(duì)定向，查看空三精度報(bào)告，要求控制點(diǎn)的整體中誤差為1/3 個(gè)像素，控制點(diǎn)的殘差最大不超過1/2 個(gè)像素；檢查點(diǎn)平面、高程殘差均不應(yīng)大于2個(gè)像素。

圖5 空三整體誤差

3.2.2 .2 實(shí)景三維建模

完成空三加密后，通過密集匹配技術(shù)，根據(jù)高精度的影像匹配算法，自動(dòng)匹配出所有影像中的同名點(diǎn)。根據(jù)空三加密成果，實(shí)現(xiàn)三維模型生產(chǎn)。采用全站儀實(shí)測(cè)方法對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)主要建筑物進(jìn)行精度檢測(cè)，精度符合1：500地形圖測(cè)繪的要求。

圖6 控制點(diǎn)精度報(bào)告

3.2.3 立體測(cè)圖

DLG 生產(chǎn)使用CASS 3D 成圖軟件實(shí)現(xiàn)裸眼三維測(cè)圖。根據(jù)三維模型獲取坐標(biāo)信息，并進(jìn)行地形成圖。

3.2.3 .1 測(cè)圖軟硬件

基于實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)，利用高精度CASS 3D大比例尺測(cè)圖軟件，采用大疆M300搭載賽爾PSDK102S獲取高分辨率無人機(jī)影像，通過透視成像原理，在軟件中進(jìn)行點(diǎn)、線、面等矢量信息繪制，按照大比例尺測(cè)圖國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定圖層與符號(hào)，提取建筑等地面要素輪廓，可快速、精確地制作鐵路及沿線地物等要素矢量數(shù)據(jù)。

3.2.3 .2 測(cè)圖軟硬件

完成測(cè)區(qū)空三成果、糾正畸變差影像、實(shí)景三維模型等數(shù)據(jù)的制作后，采用測(cè)圖軟件對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入，制作工程文件，由作業(yè)員在工程中進(jìn)行點(diǎn)、線、面測(cè)圖，并按照國標(biāo)要求賦予圖層與屬性信息。測(cè)圖成果為初級(jí)線劃圖，經(jīng)軟件導(dǎo)出為DWG格式，采用CASS10.1軟件進(jìn)行圖形數(shù)據(jù)編輯，生產(chǎn)1∶500地形圖數(shù)據(jù)。測(cè)圖成果示例如圖7。

圖7 大比例尺測(cè)圖成果示例

矢量數(shù)據(jù)測(cè)圖完畢，經(jīng)粗略編輯后的數(shù)字線化圖打印輸出進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪。

3.2.3 .3 外業(yè)調(diào)繪與修補(bǔ)測(cè)

外業(yè)調(diào)繪工作流程：資料準(zhǔn)備、外業(yè)檢查、調(diào)繪補(bǔ)測(cè)、內(nèi)業(yè)編輯、成果輸出。

野外調(diào)繪是航測(cè)外業(yè)的最后一道工序，也是確保地形圖數(shù)學(xué)精度和地理精度的重要環(huán)節(jié)。外業(yè)人員按規(guī)范、圖式、設(shè)計(jì)書的要求，利用航測(cè)初編的線劃圖對(duì)內(nèi)業(yè)測(cè)繪的地形要素進(jìn)行野外檢查、調(diào)繪及補(bǔ)測(cè)。

3.2.4 成果精度分析

表1 精度對(duì)比結(jié)果

為了保證測(cè)量成果的精度和可靠性，本次試驗(yàn)采用全數(shù)字野外采集和傾斜航空攝影測(cè)量成果對(duì)比的方法進(jìn)行精度評(píng)定，檢驗(yàn)結(jié)果表明測(cè)量精度完全滿足地物點(diǎn)相對(duì)于鄰近控制點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差與間距中誤差應(yīng)符合《規(guī)范》8.1.3 中地物點(diǎn)平面測(cè)定精度要求。精度對(duì)比結(jié)果見表1所示。

4 結(jié)束語

實(shí)踐證明，使用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量既減少了項(xiàng)目在人力、物力上的投入，又極大地提高了工作效率，在有效質(zhì)量控制下，其測(cè)量成果精度能滿足項(xiàng)目高精度要求。通過對(duì)多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在地籍測(cè)量應(yīng)用事例探討可以看出，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在工程測(cè)量、地籍測(cè)繪等許多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間。