李錦通，焦 龍，陳思遠(yuǎn)

（中建四局第六建設(shè)有限公司 合肥 230011）

0 前言

我國(guó)科技飛速發(fā)展進(jìn)程中，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量被應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，與普通的測(cè)量技術(shù)相比具有明顯優(yōu)勢(shì)，可為各類(lèi)工程提供極大便利。隨著無(wú)人機(jī)搭載的攝像頭性能的不斷提高，在進(jìn)行工程測(cè)繪工作中也相應(yīng)地提高了數(shù)據(jù)參數(shù)精度。

1 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量

1.1 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量是指利用多旋翼或固定翼的無(wú)人飛行器平臺(tái)，搭載單鏡頭或多鏡頭的相機(jī)傳感器，以及小型機(jī)載RTK等獲取數(shù)據(jù)的一種先進(jìn)測(cè)繪技術(shù)，真實(shí)反映了地物的外觀、位置、高度等屬性，快速采集影像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)三維建模。但在應(yīng)用過(guò)程中存在分辨率不一致、精度不可靠等問(wèn)題，為滿足成果質(zhì)量、提高測(cè)量精度，通過(guò)改變傳統(tǒng)航空攝影只從垂直角度拍攝地物的方式，利用傾斜攝影在同一平臺(tái)搭載多臺(tái)傳感器，從垂直、側(cè)視等不同的角度采集影像，再進(jìn)行校正、空中三角測(cè)量增加控制點(diǎn)密集度等處理，可將測(cè)量參數(shù)精確到亞米級(jí)，完全滿足工程正常條件下的精度要求［1］。

1.2 工程測(cè)量中的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)主要包括：飛行平臺(tái)、飛行導(dǎo)航與控制系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、機(jī)載相機(jī)設(shè)備、POS設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、發(fā)射與回收系統(tǒng)、附屬設(shè)備等。在面積大、跨度長(zhǎng)的大型工程中，常用固定翼無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量，其優(yōu)勢(shì)為飛行距離長(zhǎng)、巡航面積大、飛行速度快、飛行高度高；而在中小型工程中，則適用多旋翼無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量，其優(yōu)勢(shì)為體積小、重量輕，可以垂直起降、懸停、側(cè)飛、倒飛，具有很強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單控制靈活，成本低，螺旋槳小，安全性好，拆卸方便，且易于維護(hù)。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)配合Pix4Dmapper 航拍影像處理軟件，生成高精度帶有地理坐標(biāo)的二維地圖及三維模型［2］。

1.3 無(wú)人機(jī)建模技術(shù)流程

無(wú)人機(jī)建模技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)建模技術(shù)流程Fig.1 Drone Modeling Technology Flowchart

2 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量三維建模技術(shù)

2.1 測(cè)繪基準(zhǔn)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)格式

⑴基準(zhǔn)系統(tǒng)：采用WGS-84 大地坐標(biāo)系，也可根據(jù)工程需要自行設(shè)定或轉(zhuǎn)換。

⑵數(shù)據(jù)格式：攝影照片為JPG 格式，輸出模型選擇應(yīng)用軟件所需私有格式。

2.2 航攝儀獲取照片與質(zhì)量檢查

為保證獲取的照片在處理后可應(yīng)用于工程，需滿足航向重疊≥60%，旁向重疊≥30%，正射攝影測(cè)量時(shí)相機(jī)鏡頭必須保持垂直于云臺(tái)90°向下，如圖2?所示。

傾斜攝影測(cè)量保持相機(jī)的前后傾角小于40°，左右傾角小于35°，如圖2?所示。

圖2 攝影測(cè)量Fig.2 Photogramgram Measurements

飛行高度根據(jù)工程應(yīng)用所需要的地面影像分辨率設(shè)定，且選擇良好的天氣進(jìn)行外業(yè)航飛。然后輸入Pix4Dmapper 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理質(zhì)量檢查，用于生產(chǎn)正射影像圖、數(shù)字表面模型、數(shù)字地面模型、瓦片、三維模型、三維點(diǎn)云以及空三加密等［3］。

2.3 無(wú)人機(jī)影像校正

對(duì)外業(yè)航攝的所有影像進(jìn)行校正，主要內(nèi)容是對(duì)影像進(jìn)行勻色勻光處理、校正畸變差、降噪等［4］。圖像校正根據(jù)投影幾何中直線中心投影變換進(jìn)行檢測(cè)，從而進(jìn)行畸變圖像校正，對(duì)整張照片進(jìn)行降噪處理，從而同時(shí)降低由于圖像畸變與圖像噪聲對(duì)于三維重建精度的影響。

2.4 建模精度與圖像分辨率

了解工程分類(lèi)所需測(cè)繪及包含地面影像分辨率的三維重建任務(wù)，計(jì)算出飛行器的允許攝影高度并依據(jù)當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)的氣象及航空管制情況，確定最佳的飛行高度以保障足夠的圖像分辨率，從而保障工程建模精度。

3 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量三維建模在工程的應(yīng)用

3.1 工程應(yīng)用無(wú)人機(jī)及輔助工具

對(duì)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量的研究方法是理論基礎(chǔ)與工程實(shí)踐相結(jié)合，所在工程廣州南站區(qū)域地下空間及市政配套設(shè)施工程項(xiàng)目，占地面積20 萬(wàn)m2，最長(zhǎng)跨度1.2 km，屬于中型工程，應(yīng)用于研究的是四旋翼無(wú)人機(jī)大疆御Mavic2專(zhuān)業(yè)版，搭載L1D-20c哈蘇相機(jī)配合高精度云臺(tái)。地面站軟件使用大疆公司開(kāi)發(fā)的DJI GS PRO，對(duì)無(wú)人機(jī)全自動(dòng)航線規(guī)劃、相關(guān)參數(shù)設(shè)置、自動(dòng)拍攝與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.2 航攝儀取景及像控點(diǎn)刺點(diǎn)

由于地下空間工程所處地勢(shì)無(wú)明顯高度障礙物，滿足地面影像分辨率的同時(shí)，選取飛行高度150 m，采用無(wú)人機(jī)正射攝影測(cè)量。工程?hào)|西最大跨度1 200 m，南北最大跨度430 m，所用大疆御2 Pro 無(wú)人機(jī)無(wú)屏幕遙控器連接飛行器信號(hào)安全范圍≤800 m，為滿足地面站定點(diǎn)航飛的完成，將起始點(diǎn)放置于以東西方向中部，遙控器有線連接搭載有DJ1 GS PRO 軟件的平板電腦，無(wú)線連接飛行器，角度可根據(jù)工程地形調(diào)整，共計(jì)航拍影像286張。工程表面由于不同地勢(shì)地貌的影響，存在凹凸不平的現(xiàn)象，因此利用無(wú)人機(jī)拍攝所得到的像點(diǎn)位移難以將實(shí)際的情況體現(xiàn)出來(lái)，對(duì)像控點(diǎn)的布設(shè)尤為重要［5］。廣州南站區(qū)域地下空間及市政配套設(shè)施工程項(xiàng)目穿插道路較多且交通指示標(biāo)記明顯，像控點(diǎn)均選擇為道路指示箭頭，使用動(dòng)態(tài)RTK 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集輸出CSV 格式手簿，導(dǎo)入Pix4Dmapper 軟件，如圖3所示。

圖3 導(dǎo)入像控點(diǎn)Fig.3 Imports Like Handles

檢查像控點(diǎn)精度，刪除覆蓋照片極少與坐標(biāo)誤差比較大的像控點(diǎn)（如圖3 中點(diǎn)3D GCP6），以確保最終成果精度，然后進(jìn)行刺點(diǎn)，每個(gè)控制點(diǎn)至少要在2張影像中標(biāo)注。

3.3 圖像初步處理

在Pix4Dmapper 中初步處理，對(duì)所有影像進(jìn)行檢查并生成質(zhì)量報(bào)告，生成報(bào)告檢查數(shù)據(jù)集、相機(jī)參數(shù)優(yōu)化質(zhì)量和像控點(diǎn)精度參數(shù)。當(dāng)質(zhì)量報(bào)告各參數(shù)都滿足工程要求后，開(kāi)始高精度處理，進(jìn)行特征點(diǎn)匹配、優(yōu)化內(nèi)外方位角參數(shù)等操作。參數(shù)設(shè)置完畢后，通過(guò)軟件進(jìn)行高精度處理［6］，生成圖像POS 數(shù)據(jù)位置點(diǎn)，連接各點(diǎn)生成飛行軌跡圖。

3.4 空中三角測(cè)量增加控制點(diǎn)密集度

空三加密是在無(wú)人機(jī)完成空中三角測(cè)量之后，為增加影像地面控制點(diǎn)的密集程度，獲取遙感影像空中攝影瞬間的姿態(tài)參數(shù)，滿足后續(xù)成果的生產(chǎn)，減少外業(yè)像控點(diǎn)的過(guò)程。高精度處理過(guò)后，進(jìn)行空三點(diǎn)云加密處理，處理參數(shù)有像素比例、點(diǎn)云過(guò)濾器材成果平滑以及輸出文件格式［7］。

3.5 數(shù)字模型與正射影像圖

空三加密處理后進(jìn)行DOM（正射影像）與DSM（數(shù)字表面模型）參數(shù)設(shè)置，避免生成分塊狀的DSM與邊角區(qū)域過(guò)多的模糊扭曲。之后生成DSM數(shù)據(jù)集，利用正射影像編輯器調(diào)整拼接線，切換投影面，最終可以在混合影像中生成DOM（正射影像圖）與DSM圖，完成本次無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量對(duì)廣州南站區(qū)域地下空間及市政配套設(shè)施工程項(xiàng)目的建模應(yīng)用，如圖4～圖5所示。

圖4 正射影像Fig.4 Orthographic Image

圖5 DSM數(shù)字表面模型Fig.5 DSM Digital Surface Model

3.6 數(shù)據(jù)處理成果應(yīng)用

3.6.1 土石方填挖算量和土方平衡

傳統(tǒng)的土方量計(jì)算方法觀測(cè)效率低，地形復(fù)雜地區(qū)精度差，廣州南站區(qū)域地下空間及市政配套設(shè)施工程項(xiàng)目利用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量采集地面影像數(shù)據(jù)生成地面實(shí)景三維模型，在三維模型上對(duì)八號(hào)出入口進(jìn)行特征點(diǎn)采集，可以直觀、全面地采集碎部點(diǎn)坐標(biāo)，利用DTM 法根據(jù)坐標(biāo)文件計(jì)算土方量，最終得出出入口共需挖1 361.5 m3，如圖6 所示，經(jīng)驗(yàn)證后也得到了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理的肯定，認(rèn)可此方法提高了工作效率，減小了人工勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖6 土方量填挖結(jié)果Fig.6 The Result of the Earth-for-earth Excavation

工程建設(shè)開(kāi)發(fā)期，要將自然地貌平整，此時(shí)土方量的大小決定工程投資［8］。使用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量采集施工現(xiàn)場(chǎng)預(yù)設(shè)鋼筋加工區(qū)域高程點(diǎn)，平場(chǎng)面積為6 489.2 m2，最大高程8.977 m，最小高程7.354 m，可以得到準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)整平高度為7.769 m，如圖7 所示，不需要車(chē)輛內(nèi)、外運(yùn)輸土石，減少了工期消耗。

圖7 區(qū)域土方量整平結(jié)果Fig.7 The Result of the Regional Earth Mass Leveling

3.6.2 大比例尺地形圖繪制

以數(shù)字正射影像（DOM）、數(shù)字表面模型（DSM）數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，生成垂直攝影三維模型，如圖8 所示，實(shí)現(xiàn)二、三維聯(lián)動(dòng)顯示和立體測(cè)圖，依次繪制基坑、支撐梁、平臺(tái)、道路、植被等地物，然后根據(jù)項(xiàng)目需要補(bǔ)繪各類(lèi)建筑物并賦予相應(yīng)地物編碼，最終可以得到包含坐標(biāo)及高程信息的1∶500大比例尺線劃地形圖DLG，且精度滿足航空攝影測(cè)量數(shù)字化測(cè)圖規(guī)范［9］，如圖9所示。

圖8 項(xiàng)目三維模型建立Fig.8 Project 3D Model Construction

圖9 生成項(xiàng)目大比例尺地形圖Fig.9 Create a Large Scale Topographic Map of the Project

3.6.3 復(fù)核現(xiàn)場(chǎng)放樣坐標(biāo)及標(biāo)高

工程施工期，對(duì)梁、柱、墻、板面等測(cè)量放樣后，測(cè)量人員需對(duì)施工完成的插筋、支模等位置復(fù)核坐標(biāo)與標(biāo)高，以保證過(guò)程質(zhì)量，是測(cè)量人員不可規(guī)避的繁重任務(wù)。使用無(wú)人機(jī)航測(cè)生成的正射影像圖可以在圖上選點(diǎn)直接反映出需要復(fù)核點(diǎn)的坐標(biāo)及高程，通過(guò)和設(shè)計(jì)圖紙對(duì)比進(jìn)行復(fù)核［10］，將需要投入大量人員和時(shí)間的外業(yè)工作轉(zhuǎn)變?yōu)橹恍枰蝗思纯刹僮鞯膬?nèi)業(yè)任務(wù)，極大縮減了工程中測(cè)量人員的投入，提高了測(cè)量復(fù)核工作的效率，加快了工期進(jìn)度，如圖10所示。

3.6.4 清障環(huán)保及作業(yè)進(jìn)度監(jiān)察

無(wú)人機(jī)獲取的照片處理為三維點(diǎn)云之后，根據(jù)項(xiàng)目要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后期點(diǎn)云分類(lèi)處理，過(guò)濾掉不需要的物體，將植被、車(chē)輛和人造物體矢量化和提取。結(jié)合廣州市對(duì)于建筑工程項(xiàng)目提出了環(huán)境管理方面6個(gè)100%的要求，可以根據(jù)航拍照片的可見(jiàn)光折射程度，反映出施工區(qū)域揚(yáng)塵是否嚴(yán)重。日?？梢愿鶕?jù)定期的航攝圖片對(duì)比，檢查項(xiàng)目場(chǎng)地內(nèi)裸土覆蓋有無(wú)遺漏，除塵降塵設(shè)備布置是否覆蓋場(chǎng)地全部區(qū)域，對(duì)項(xiàng)目環(huán)保工作的策劃與實(shí)施提供參考，如圖11所示。

圖11 項(xiàng)目全景航攝圖實(shí)時(shí)監(jiān)察Fig.11 Project Panoramic Aerial Image Real-time Monitoring

對(duì)施工過(guò)程中出現(xiàn)多處違規(guī)堆棄的建筑材料，如“亂占”、“亂采”、“亂堆”、“亂建”等給項(xiàng)目造成重大安全隱患的問(wèn)題及時(shí)發(fā)現(xiàn)并清理［11］。日常也可以根據(jù)定期的航攝圖片對(duì)比，掌握項(xiàng)目階段性工作進(jìn)展，結(jié)合預(yù)定工期進(jìn)行分析，為項(xiàng)目場(chǎng)地策劃與施工安排提供更加高效、直觀、全面的數(shù)據(jù)支持，如圖12所示。

圖12 標(biāo)識(shí)現(xiàn)場(chǎng)“四亂”區(qū)域Fig.12 Identify the“Messy”Area of the Site

4 總結(jié)

4.1 總結(jié)

本次工程實(shí)踐通過(guò)使用大疆御2 Pro 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量，提出一套以還原施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字模型及三維模型為目標(biāo)的流程方案，通過(guò)無(wú)人機(jī)航攝現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的照片，軟件處理的成果包含工程的三維地理信息以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況影像資料［12］?？梢栽诠こ桃?guī)劃、設(shè)計(jì)和審查階段做現(xiàn)場(chǎng)勘查，利于全面了解施工地區(qū)及周邊的環(huán)境，在施工期間，無(wú)人機(jī)可以針對(duì)性地對(duì)面積、土石方體積、植被覆蓋度、工程外觀等進(jìn)行勘查、測(cè)量及繪制地形圖，減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)縮短了時(shí)間成本。

4.2 展望

相較于傳統(tǒng)測(cè)繪模式，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)為工程施工中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查提供了全新的方式。我們?cè)诮窈蟮墓こ讨行枰e極引進(jìn)，廣泛拓展應(yīng)用領(lǐng)域，探索無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)的實(shí)施和應(yīng)用路線，在輸出多種格式成果的基礎(chǔ)上，配合多款軟件（PhotoScan、3Dmax、Smart3D 等），可以用來(lái)生成實(shí)景三維模型［13］，提供準(zhǔn)確、可靠的信息，獲取更加全面的地物紋理細(xì)節(jié)，便于更加準(zhǔn)確地進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工，有效避免重建工作，縮短建設(shè)時(shí)間。