張鴻飛

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092]

0 引言

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)是目前全球測繪領(lǐng)域新興的一門技術(shù)手段。其原理是將多個傳感器搭載在同一架飛行平臺上，對地物從多個角度進(jìn)行拍攝，獲取到更全面和完整的地物信息[1-2]。傾斜攝影測量中的三維數(shù)據(jù)可以真實(shí)地反映地物的具體位置、高度和外觀情況等屬性，很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測量手段的不足[3-4]。但是傾斜攝影測量技術(shù)也存在一些弊端，如非量測型數(shù)碼相機(jī)攝影物鏡存在光學(xué)畸變、機(jī)械畸變和電學(xué)畸變，缺少傾斜攝影測量像控點(diǎn)布設(shè)規(guī)范，機(jī)載POS精度不高等。本文結(jié)合高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目，通過對航測相機(jī)進(jìn)行檢校、航測參數(shù)調(diào)整、像控點(diǎn)布設(shè)方案優(yōu)化、數(shù)據(jù)嚴(yán)格檢核處理等，最終將該技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際工程當(dāng)中，數(shù)據(jù)精度可靠，效果良好。

1 非量測相機(jī)檢較

非量測型數(shù)碼相機(jī)攝影物鏡存在光學(xué)畸變、機(jī)械畸變和電學(xué)畸變。其中，光學(xué)畸變是影響像點(diǎn)坐標(biāo)的一個關(guān)鍵因素。光學(xué)畸變會使得物點(diǎn)、像點(diǎn)和投影中心點(diǎn)不共線，影像的形狀發(fā)生變形，同名光線不再相交，攝影影像精度降低。在獲取攝影影像之前，必須對非量測的數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行檢測。相機(jī)檢校參數(shù)包括內(nèi)方位元素和畸變參數(shù)。其中，內(nèi)方位元素包括主距、像主點(diǎn)在像片中心的位置。由于相機(jī)畸變的存在，攝影中心、像點(diǎn)、物方點(diǎn)之間不滿足共線條件方程，從而嚴(yán)重影響影像測量成果的精度。為了減小像片畸變，提高影像匹配，應(yīng)當(dāng)確定相機(jī)的內(nèi)參數(shù)與畸變參數(shù)。當(dāng)考慮圖像畸變時，共線條件方程式表示為[5-6]：

式中：Δx，Δy是由圖像畸變引起的像點(diǎn)坐標(biāo)的系統(tǒng)誤差；（x，y）是像點(diǎn)量測坐標(biāo)。ai，bi，ci（i=1，2，3）為3個外方位角元素所組成的方向余弦。（X，Y，Z）是物方控制點(diǎn)坐標(biāo)；（Xs，Ys，Zs）為攝影時像片的外方位線元素；（X0，Y0）為像主點(diǎn)在像片中心的位置；f為相機(jī)鏡頭焦距。綜合考慮徑向畸變與偏心畸變的畸變模型為：

2 像控點(diǎn)布設(shè)方案

像控點(diǎn)的布設(shè)方案和數(shù)量、平面和高程測量值會直接影響空中三角測量，從而影響模型精度。因此，像控點(diǎn)的布設(shè)在整個項(xiàng)目實(shí)施中尤為重要。根據(jù)每個項(xiàng)目的地形條件、攝影資料和信息處理方法，像控點(diǎn)布設(shè)的主要原則如下：

（1）像控點(diǎn)一般根據(jù)測區(qū)范圍統(tǒng)一布點(diǎn)，應(yīng)均勻、立體地布設(shè)在測區(qū)范圍內(nèi)。

（2）點(diǎn)位的分布應(yīng)避免形成近似直線。

（3）像控點(diǎn)需選擇較為尖銳的標(biāo)志物，以提高內(nèi)業(yè)精度。

（4）像控點(diǎn)標(biāo)志物應(yīng)與地表顏色形成鮮明對比，如深色地標(biāo)噴白色油器，白色地面噴紅色油漆。

（5）盡量選擇平坦地區(qū)，避免樹下、屋角等容易被遮擋的地方。

（6）像控點(diǎn)布設(shè)結(jié)束后，應(yīng)盡量進(jìn)行拍照記錄?，F(xiàn)場照片內(nèi)應(yīng)同時包含像控點(diǎn)及其周圍地物特征，并在照片內(nèi)清晰指出像控點(diǎn)所在位置及編號（默認(rèn)照片中對中桿所在位置即像控點(diǎn)位置）。

（7）若工作人員選擇地物特征點(diǎn)作為像控點(diǎn)，應(yīng)選擇較大地物，且提供現(xiàn)場照片2～4張，輔助內(nèi)業(yè)人員尋找像控點(diǎn)。

（8）布設(shè)像控點(diǎn)的人員應(yīng)提供像控點(diǎn)實(shí)際分布情況。圖1給出了像控點(diǎn)布設(shè)的實(shí)例。

圖1 像控點(diǎn)的布設(shè)

3 航測參數(shù)設(shè)定

在航測任務(wù)開始前，根據(jù)需求并結(jié)合現(xiàn)場情況綜合考慮設(shè)定航攝參數(shù)。參數(shù)包括航高、飛行速度、曝光間隔、像片重疊度、圖像分辨率、像幅范圍、航線間隔等。

3.1 航高

飛行高度又稱航高，是指無人機(jī)相對于攝影區(qū)域的平均平面的高度。根據(jù)不同的基準(zhǔn)面，航高可以分為絕對航高、相對航高、真實(shí)航高和攝影航高。其中，絕對航高是指相對于平均海平面的航高，是攝影物鏡在攝影瞬間的真實(shí)海拔高度。相對航高是指攝影機(jī)物鏡相對于某一基準(zhǔn)面的高度。真實(shí)航高是指飛機(jī)在攝影瞬間相對于實(shí)際地面的高度。攝影航高是指飛機(jī)相對于攝影分區(qū)的平均平面的高度。這里的航高指的是相對航高，即無人機(jī)相對于起航位置的航高。

3.2 飛行速度

飛行速度不僅直接影響飛行的平穩(wěn)性，而且與相片相移有關(guān)，影響著相片成像質(zhì)量。通常情況下，無人機(jī)傾斜攝影測量采用低速飛行模式，能夠保證飛行安全性，還能減少影像相移獲取符合質(zhì)量要求的像片。

3.3 曝光間隔

無人機(jī)在飛行過程中，采集影像數(shù)據(jù)相鄰兩次曝光時間之差為曝光間隔。它與基線長度和飛行速度有關(guān)。當(dāng)飛行速度和航高已知的情況下，航向重疊度由曝光時間間隔決定，曝光間隔只需不小于相機(jī)最小曝光間隔即可。

3.4 像片重疊度

像片重疊度分為航向重疊度和旁向重疊度。航向重疊度又稱“縱向重疊”，在無人機(jī)攝影中沿同一航線上的相鄰像片間對應(yīng)同一部分地面影像。通常情況下，前后兩張像片拍攝位置在空中各不相同，因此重疊部分對應(yīng)同一地面，像片影像卻不完全相同。沿航向重疊部分與整個像片的長度之比，稱為航向重疊度，用百分?jǐn)?shù)表示。同理，旁向重疊度又稱“橫向重疊”。旁向重疊部分的長度與整個像片長度之比，稱為“旁向重疊度”，用百分?jǐn)?shù)表示。

3.5 圖像分辨率

圖像分辨率是指一個像元大小。像元又稱像素點(diǎn)，即影像單元（picture element），是組成數(shù)字影像的最小單元，即一個像元代表地面面積多少。根據(jù)攝影測量，航高、焦距和圖像分辨率存在相似三角形關(guān)系，如圖2所示。

圖2 圖像分辨率

3.6 像幅范圍

像幅范圍是指一張影像所展示的實(shí)地面積大小。對于低空無人機(jī)航攝系統(tǒng)來說，如果數(shù)碼相機(jī)一旦選定，所用的鏡頭也一定，那么地面分辨率與航高成正比。當(dāng)航高越高時，地面分辨率的值越大，分辨率越低，像幅范圍越大。當(dāng)航高越低時，地面分辨率的值越小，分辨率越高，像幅范圍越小。

4 數(shù)據(jù)檢查處理

第一步，檢查影像質(zhì)量，補(bǔ)飛不合格區(qū)域，直至滿足要求。檢查的內(nèi)容包括飛行質(zhì)量檢查和影像質(zhì)量檢查。飛行質(zhì)量檢查包括航向重疊度、旁向重疊度、像片傾角和旋角、航線彎曲度和航高差。影像質(zhì)量檢查包括：觀察影像是否清晰、色調(diào)是否一致、層次是否鮮明、反差是否合理；觀察影像是否有重影、不清晰和位置偏移等情況；觀察影像是否有陰影、大范圍反光、不清晰點(diǎn)等突出問題，是否影響模型的建立與測圖。

第二步，進(jìn)行幾何校正，同名點(diǎn)匹配，區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差。

第三步，將平差后的數(shù)據(jù)賦予每張傾斜影像，使得它們具有空間位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)在三維空間中。

第四步，傾斜攝影進(jìn)行實(shí)時測量，相片上的每個像素對應(yīng)真實(shí)的地理坐標(biāo)位置。

5 高速公路改擴(kuò)建工程應(yīng)用實(shí)例

5.1 測區(qū)概況

工程位于上海市寶山區(qū)中部，線路呈東西走向，全長3.86 km，寬300 m。工程范圍包含跨線橋、互通式立交、建筑、道路、市政設(shè)施、綠地、施工區(qū)域等，地物類型較多，地形較為復(fù)雜。項(xiàng)目情況如圖3所示。

圖3 項(xiàng)目概況

5.2 飛行參數(shù)

航飛任務(wù)采用六旋翼無人機(jī)、五鏡頭相機(jī)。無人機(jī)及相機(jī)各項(xiàng)參數(shù)均通過檢驗(yàn)，符合航空攝影測量規(guī)范要求。表1給出了外業(yè)飛行參數(shù)。

表1 外業(yè)飛行參數(shù)

5.3 像控點(diǎn)的布設(shè)

在飛行作業(yè)前，對整個測區(qū)現(xiàn)場踏勘，結(jié)合現(xiàn)場具體情況選取路面上斑馬線、道路拐點(diǎn)、井蓋等明顯特征點(diǎn)作為像控點(diǎn)。像控點(diǎn)間距為200～300 m。像控點(diǎn)在航攝區(qū)域均勻分布，且覆蓋整個測區(qū)。像控點(diǎn)測量使用RTK測量方法。在測區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)24個像控點(diǎn)和9個檢查點(diǎn)。像控點(diǎn)分布及布設(shè)如圖4、圖5所示。

圖4 像控點(diǎn)分布圖

圖5 像控點(diǎn)的布設(shè)

5.4 空三平差計算

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理采用機(jī)載POS數(shù)據(jù)和像控點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行空三計算。部分控制點(diǎn)計算精度如圖6所示。

圖6 空三計算精度

由上面結(jié)果可以看出，空中三角測量精度較好，結(jié)果符合要求。空中三角測量完成后，開始生成OSGB三維模型、DOM、DSM等產(chǎn)品。

5.5 成果精度分析

在測圖軟件中利用三維測圖模塊進(jìn)行OSGB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，生成DSM格式文件，然后加載本地傾斜模型。采用二維、三維模型聯(lián)動繪制的方式，根據(jù)地形圖繪制規(guī)范進(jìn)行地形圖繪制。

三維實(shí)景模型測圖如圖7所示。

圖7 三維實(shí)景模型測圖

為了驗(yàn)證該方法繪制地形圖的平面和高程精度，用RTK結(jié)合全站儀的方式在地面測量部分平高檢查點(diǎn)。平高檢查點(diǎn)包含斑馬線角點(diǎn)、道路拐點(diǎn)、井蓋等明顯特征點(diǎn)。檢查點(diǎn)在測區(qū)均勻分布。將外業(yè)實(shí)測檢查點(diǎn)與模型測量點(diǎn)做檢查分析，并根據(jù)點(diǎn)位中誤差公式計算出每個檢查點(diǎn)的平面中誤差。圖8為檢查點(diǎn)殘差圖。

圖8 檢查點(diǎn)殘差圖

通過對地面標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行誤差統(tǒng)計，X方向中誤差0.039 m，Y方向中誤差0.022 m，Z方向中誤差0.054 m?？傮w分析，在三維模型上采集的數(shù)據(jù)精度可以滿足工程測量規(guī)范（GB/50026—2007）1∶500地形圖要求。

為了驗(yàn)證高速路面數(shù)據(jù)精度，使用RTK測量的方式，外業(yè)實(shí)測738個檢查點(diǎn)。然后將外業(yè)實(shí)測檢查點(diǎn)與模型測量點(diǎn)做檢查分析，并根據(jù)點(diǎn)位中誤差公式計算出每個檢查點(diǎn)的平面中誤差。殘差圖如圖9所示。

圖9 高速路面檢查點(diǎn)殘差圖

通過對高速路面、橋縫高程殘差進(jìn)行誤差統(tǒng)計，Z方向中誤差為0.038 m，高程殘差值都在10 cm以內(nèi)，最大為6.4 cm。利用傾斜三維模型提取高速路面高程數(shù)據(jù)精度可以滿足高速公路地形和斷面測量要求。

6 結(jié)語

本文將傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用在高速公路改擴(kuò)建工程中，并對成果進(jìn)行了詳細(xì)的精度分析，效果良好。

（1）研究了傾斜攝影測量技術(shù)在高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目中的應(yīng)用流程，通過一系列方案優(yōu)化，最終獲取了可以滿足規(guī)范和項(xiàng)目要求的測繪成果。

（2）解決了傳統(tǒng)測量方式無法直接進(jìn)行高速測量的問題，提高了工作效率，效果良好。

（3）在三維模型上采集的雨水箅子、雨污水井、路燈等道路附屬設(shè)施數(shù)據(jù)精度相對較高，可以直接進(jìn)行測繪生產(chǎn)。