朱 超

（北京京能地質(zhì)工程公司，北京 102300）

0 引言

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)已成為低空數(shù)字?jǐn)z影測量領(lǐng)域的一項高新技術(shù)，已徹底解決厘米級分辨率影像和大比例尺地形圖的現(xiàn)時、快速獲取問題[1]。攝影測量已不再局限于小型地形圖，它也被廣泛用于大面積中小型地形圖的測繪。航空攝影測量技術(shù)相對于傳統(tǒng)測繪技術(shù)的優(yōu)勢是顯而易見的，它可以快速收集數(shù)據(jù)，縮短測繪周期，并節(jié)省大量的人工成本。這些優(yōu)勢使其向著城市變形監(jiān)測、資源開發(fā)、新農(nóng)村建設(shè)、城市規(guī)劃、重大工程項目、國土資源遙感監(jiān)測等領(lǐng)域迅速拓展[2]。無人機(jī)航測傾斜攝影技術(shù)亦可應(yīng)用于工礦遺址項目。本文通過工礦遺址傾斜攝影航測工程實例，介紹傾斜攝影技術(shù)生產(chǎn)測繪產(chǎn)品的流程，并進(jìn)一步探索工礦遺址三維模型在空間測量、3D 漫游、與BIM 結(jié)合方面的應(yīng)用。

1 無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)簡介

1.1 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

無人機(jī)航測傾斜攝影技術(shù)改變了傳統(tǒng)測繪作業(yè)方式，具有劃時代的意義。傳統(tǒng)的正射影像只能從一個垂直視角進(jìn)行拍攝，通過傾斜攝影技術(shù)在飛行平臺上搭載多臺影像傳感器，同時從垂直及傾斜不同角度采集影像數(shù)據(jù)（見圖1）。采集影像數(shù)據(jù)的同時，記錄無人機(jī)飛行航高及航速，航攝影像的航向和旁向重疊率、位置、姿態(tài)等參數(shù)信息。影像數(shù)據(jù)不僅能夠真實地反映地物情況，而且可通過GPS 定位技術(shù)嵌入地理信息，進(jìn)而獲得更高的數(shù)據(jù)利用價值[3]。

圖1 無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)[4]

1.2 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的特點

（1）生產(chǎn)三維模型：通過該技術(shù)生產(chǎn)的三維模型具有很好的現(xiàn)時性，能夠反映地物的真實情況，從三維模型中可以獲得地物的位置、高度、面積、體積等屬性信息。

（2）極高的性價比：傾斜攝影技術(shù)所獲取的影像數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后還可以得到數(shù)字正射影像（DOM）、數(shù)字地表模型（DSM）、數(shù)字線劃地圖（DLG）等4D 測繪類產(chǎn)品成果[5]。

（3）節(jié)約人力成本：幾百人外業(yè)工作完成的工作量相當(dāng)于一架無人機(jī)通過該技術(shù)一天的外業(yè)航測作業(yè)量，大量的外業(yè)工作變成室內(nèi)的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作。同時，數(shù)據(jù)處理使用高性能工作站集群運算，能夠?qū)崿F(xiàn)無人監(jiān)守自動化生產(chǎn)。

1.3 無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)組成

無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)包括無人機(jī)飛行器，飛行控制系統(tǒng)，搭載的傾斜攝影傳感器，地面控制站設(shè)備以及數(shù)據(jù)處理工作站集群。在本項目中飛行平臺采用智繪鷹S100 型無人機(jī)，內(nèi)置PPK 定位模塊，搭載影像傳感器為五鏡頭相機(jī)，焦距25 mm，單鏡頭像素為2430 萬，側(cè)視鏡頭角度為45°，傳感器分辨率6000×4000（見圖2）。

圖2 搭載相機(jī)5 鏡頭分布

2 工礦遺址概況

王平煤礦位于北京市門頭溝區(qū)的中東部地區(qū)，地處北京西山，曾是京西地區(qū)的八大煤礦之一。長溝峪煤礦位于北京市西南地區(qū)，距北京市中心45 km，行政區(qū)劃屬房山區(qū)周口店鎮(zhèn)。2016年開始，長溝峪煤礦主動完成了關(guān)停礦井、拆除井下生產(chǎn)設(shè)備，現(xiàn)已關(guān)停。

為實現(xiàn)煤礦遺址的規(guī)劃設(shè)計再利用，對兩個煤礦遺址進(jìn)行無人機(jī)傾斜攝影航測，獲取地面影像數(shù)據(jù)，建立實景三維模型，生產(chǎn)數(shù)字正射影像，為后期的規(guī)劃設(shè)計建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 無人機(jī)航測具體步驟

3.1 現(xiàn)場踏勘

外業(yè)起飛前，需要對項目飛行的區(qū)域進(jìn)行踏勘，以便對測區(qū)的情況進(jìn)行了解，有助于布設(shè)像控點及無人機(jī)起降點的最佳位置。經(jīng)現(xiàn)場實際踏勘，王平煤礦測區(qū)范圍3 km2，長溝峪測區(qū)面積2 km2，初步確立了像控點的位置以及最佳無人機(jī)的起降點（見圖3）。

圖3 工礦遺址

3.2 布設(shè)測量像控點及航線設(shè)計

像控點是攝影測量控制加密的基礎(chǔ)，其布設(shè)的位置和數(shù)量直接影響到航測數(shù)據(jù)后期處理的精度，所以像控點的布設(shè)和選擇應(yīng)當(dāng)規(guī)范、準(zhǔn)確。選擇像控點位置時，應(yīng)當(dāng)選擇地形測量通視良好且可以從空中明確辨認(rèn)的地物和目標(biāo)點。布設(shè)的標(biāo)志點應(yīng)對空視角好，避免被建筑物、樹木等遮擋。本項目采用九宮格方式布設(shè)像控點。根據(jù)測區(qū)范圍，在Google Earth Pro 繪制測區(qū)邊界，根據(jù)地圖上海拔高程，進(jìn)行像控點布設(shè)標(biāo)記。其中王平煤礦布設(shè)了16 個像控點，長溝峪煤礦布設(shè)了20 個像控點，長溝峪煤礦采用分區(qū)域分塊生產(chǎn)三維模型的處理方式，所以在分塊交接位置增加了像控點的數(shù)量，以保證三維模型精度（見圖4）。

圖4 王平煤礦遺址像控點布設(shè)圖

根據(jù)本項目生產(chǎn)1∶500 地形圖的精度要求，地面分辨率GSD≤0.01 M（cm）(M 為成圖比例尺分母)[6]，本項目地面分辨率GSD 應(yīng)小于5 cm。根據(jù)航高計算公式H=?×GSD/α（?為焦距，α像元尺寸），搭載相機(jī)主焦距?=25 mm，像元尺寸α=15.6/4000=3.9 μm，計算得到設(shè)計航高為320 m。飛行高度越低，地面分辨率越高，根據(jù)現(xiàn)場實際情況綜合考慮，設(shè)計航高100 m，地面分辨率GSD 達(dá)到1.56 cm，滿足項目設(shè)計的精度要求。

在規(guī)劃飛行航線時，利用Google Earth Pro 軟件導(dǎo)出測區(qū)范圍KML 文件，導(dǎo)入DJI GS PRO 地面控制站，在測區(qū)范圍內(nèi)按照測繪航拍模式規(guī)劃飛行航線。為更好地獲得模型效果，設(shè)置無人機(jī)航向及旁向重疊率80%以上，航高100 m。航線設(shè)計考慮到電池續(xù)航問題，其中王平煤礦項目劃分了11 個任務(wù)區(qū)，即劃分了11 個飛行架次，采用階梯式飛行，設(shè)計航線高差不超過飛行高度的50%。長溝峪煤礦項目劃分9 個飛行架次（見圖5）。

圖5 長溝峪煤礦遺址航線規(guī)劃圖

3.3 像控點測量和外業(yè)航飛

像控點的測量應(yīng)該在外業(yè)航飛之前進(jìn)行，像控點坐標(biāo)采集使用RTK 方式測量，記錄所有像控點在地方坐標(biāo)系及WGS84 坐標(biāo)系下坐標(biāo)。

像控點測量完成之后，架設(shè)靜態(tài)PPK 測量基站，用于航飛后與機(jī)載差分定位數(shù)據(jù)解算，獲得高精度的照片位置信息。選擇比較空曠的地方作為無人機(jī)起飛和降落的地點，準(zhǔn)備航飛。

航飛作業(yè)前，首先利用DJI GO 對無人機(jī)進(jìn)行自檢，檢查影像傳感器、指南針等各項參數(shù)是否正常，如無人機(jī)提示校準(zhǔn)指南針操作，應(yīng)按照提示操作方法進(jìn)行人工校正，自檢通過后才可以準(zhǔn)備飛行。將航線設(shè)計參數(shù)通過DJI GS PRO 地面控制站上傳到無人機(jī)，開始航飛（見圖6）。

圖6 設(shè)置航飛參數(shù)

3.4 解析空中三角測量

空中三角測量是在已知少量地面控制點的基礎(chǔ)上，通過量測重疊像片的像點坐標(biāo)，依據(jù)立體像對的相對定向和絕對定向等攝影測量原理，運用數(shù)學(xué)方法解求加密控制點坐標(biāo)的方法。本項目通過ContextCapture 軟件進(jìn)行空中三角測量計算，首先對外業(yè)航測影像數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，篩除不合格不能用于構(gòu)建模型的影像，然后將像片與PPK 差分解算出來的照片位置數(shù)據(jù)同時導(dǎo)入軟件，進(jìn)行自動空中三角測量計算。由于照片拍攝質(zhì)量和解算定位精度影響，空三計算一般需運行2～3 次才能通過[7?8]。

空三計算通過后，進(jìn)行像控點刺點工作，每個像控點刺5 張以上的影像，像控點清晰的影像盡量多刺，每個鏡頭都應(yīng)進(jìn)行刺點，刺點完成后再次進(jìn)行空三計算?？杖ㄟ^結(jié)束后，軟件會自動生成空三計算質(zhì)量報告，根據(jù)報告可以直接查看精度情況（見圖7、圖8）。

圖7 空中三角測量計算

圖8 空三加密計算質(zhì)量報告

本項目中重投影誤差的RMS（像素）均小于1 像素，像控點顯示為綠色，說明精度很高，滿足進(jìn)行下一步模型建設(shè)的要求[9?10]。

3.5 生產(chǎn)實景三維模型

根據(jù)測區(qū)范圍導(dǎo)入生成模型范圍數(shù)據(jù)文件，然后對模型進(jìn)行切塊，進(jìn)行三維模型的計算。生產(chǎn)三維模型需要的時間較長，對工作站的配置要求也比較高，根據(jù)工作站性能配置情況進(jìn)行合理切塊，生產(chǎn)三維模型中間不需要人為干預(yù)，工作站會自動運算，直到全部三維模型生產(chǎn)成功（見圖9）。

圖9 長溝峪煤礦遺址三維模型

兩個測區(qū)均采用多架次航測路線，分區(qū)域進(jìn)行三維模型生產(chǎn)，需要注意，各區(qū)域生產(chǎn)模型時要設(shè)置統(tǒng)一的模型原點坐標(biāo)，這樣生產(chǎn)的三維模型可以實現(xiàn)自動合并拼接（見圖10）。

圖10 長溝峪煤礦遺址全景三維模型

3.6 生產(chǎn)數(shù)字正射影像

三維模型生產(chǎn)之后，再進(jìn)行正射影像的生產(chǎn)，軟件會自動進(jìn)行生產(chǎn)正射影像，直到正射影像完全生產(chǎn)出來（見圖11）。

圖11 數(shù)字正射影像圖

3.7 生產(chǎn)數(shù)字地形圖

獲得三維模型后，將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入EPS 數(shù)據(jù)處理平臺，可以實現(xiàn)實景三維模型數(shù)據(jù)立體采集，實時輸出二維線劃圖數(shù)據(jù)。地物描繪完成后，采集三維模型高程點數(shù)據(jù)，生成等高線，經(jīng)圖幅整飾后生成大比例地形圖[11?12]（見圖12、圖13）。精度驗證采用實測檢查點方法驗證地形圖的精度，采用RTK 測量方式采集地形特征點，經(jīng)實際驗證本項目可以達(dá)到1∶500 航空攝影測量法的精度要求。

圖12 EPS 立體采集生產(chǎn)地形圖

圖13 數(shù)字地形圖

4 成果應(yīng)用

利用無人機(jī)航測技術(shù)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)成果有多方面的應(yīng)用，針對本項目從礦區(qū)遺址上有以下幾點應(yīng)用。

4.1 數(shù)字正射影像DOM

正射影像能夠真實顯示出礦山遺址現(xiàn)狀，查詢?yōu)g覽位置坐標(biāo)、距離方位，還能實現(xiàn)面積統(tǒng)計分析，制作出電子地圖和專題地圖，對于規(guī)劃設(shè)計提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4.2 實景三維模型

實景三維模型空間漫游瀏覽可以通過大屏幕、互聯(lián)網(wǎng)等平臺展示。模型上可以進(jìn)行地物空間量算，對長、寬、高進(jìn)行立體測量，并且可以進(jìn)行土方分析量算。通過進(jìn)一步生產(chǎn)大比例尺地形圖，對指導(dǎo)規(guī)劃建設(shè)、BIM 應(yīng)用提供基礎(chǔ)三維模型數(shù)據(jù)（見圖14?圖16）。

圖14 三維模型建筑物空間測量

圖15 三維模型面積測量

4.3 3D 立體漫游

通過利用手柄實時控制漫游三維模型、佩戴3D眼鏡觀看大屏幕三維模型，可以提高三維模型的立體顯示效果。本項目采用色分法（色差式3D 顯示技術(shù)），增強(qiáng)模型的現(xiàn)實感，可使觀眾體驗到“真實”實景效果（見圖17）。

圖17 3D 立體漫游

4.4 BIM 結(jié)合三維平臺

實景三維模型通過三維平臺與BIM 相結(jié)合，在實景三維模型上添加擬建建筑物、道路、景觀等模型，實現(xiàn)瀏覽設(shè)計后效果，更能使用戶快速地測量、分析和標(biāo)注三維地理信息數(shù)據(jù)（見圖18）。

圖18 與BIM 結(jié)合三維平臺

5 結(jié)論

（1）通過無人機(jī)航測傾斜攝影技術(shù)能夠生產(chǎn)工礦遺址大比例尺地形圖，地形圖作業(yè)成果滿足航空攝影測量法的精度要求。

（2）生產(chǎn)的正射影像、三維模型能夠滿足用戶對地理數(shù)據(jù)現(xiàn)時、快速的實際要求，并且實現(xiàn)了3D 漫游瀏覽功能，極大地增強(qiáng)了現(xiàn)實感。

（3）進(jìn)一步探索了三維模型模型與BIM 平臺的結(jié)合，可在工礦遺址項目后期的規(guī)劃設(shè)計過程中提供基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。

無人機(jī)航測傾斜攝影技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)時代的應(yīng)用會越來越廣泛，在BIM 平臺、三維可視化地圖、智慧城市建設(shè)、智慧廠區(qū)建設(shè)、游戲地圖開發(fā)等領(lǐng)域?qū)⒂懈嗟膽?yīng)用價值。