石 磊

(上海新地海洋工程技術(shù)有限公司，上海 200083)

2021年國家發(fā)布了十四五規(guī)劃及2035年遠景目標(biāo)綱要，將數(shù)字化建設(shè)作為推動經(jīng)濟社會發(fā)展重要的戰(zhàn)略手段。由于傳統(tǒng)人工測繪生產(chǎn)方式產(chǎn)生的成果形式相對單一，難以滿足數(shù)字化應(yīng)用的廣泛需求，為迎接數(shù)字時代，提高測繪產(chǎn)品內(nèi)在價值，采用無人機傾斜攝影測量方式可以獲取更多類型的測繪成果，在數(shù)字化成果應(yīng)用方面具有較好的前景。無人機傾斜攝影測量相對傳統(tǒng)人工測量，外業(yè)采集效率高、作業(yè)成本低、作業(yè)靈活等優(yōu)點，以某道路工程測量項目為例，采用無人機傾斜攝影測量技術(shù)對道路地形地貌進行修測，同時采集縱、橫斷面高程數(shù)據(jù)，根據(jù)人工測量成果與無人機傾斜測量成果較差計算無人機傾斜攝影測量成果精度，旨在為類似項目的實施提供參考數(shù)據(jù)。

1 無人機傾斜攝影測量技術(shù)

無人機傾斜攝影測量技術(shù)即通過在同一飛行平臺上搭載五鏡頭相機或單鏡頭相機，同時從下視、前視、后視、左視、右視5個不同方向采集影像，結(jié)合影像照片POS數(shù)據(jù)，通過高效的數(shù)據(jù)采集及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件生成傾斜三維模型。傾斜三維模型能讓用戶從多個角度觀察，更加真實再現(xiàn)地物的實景，彌補了傳統(tǒng)正射影像及DLG線劃圖在三維空間屬性的不足；通過配套軟件的應(yīng)用，可以直接基于成果影像進行高度、長度、面積、角度的量測，實時獲取多維度數(shù)據(jù)。同時輸出DSM、DOM、DEM、DLG等多種成果。

無人機傾斜攝影的飛行高度是航線設(shè)計的基礎(chǔ)，航攝高度需要根據(jù)任務(wù)要求選擇合適的地面分辨率，然后結(jié)合傾斜相機的性能，按照下式計算：

H=f×GSD/α

式中，H—航攝高度，m；f—鏡頭焦距，mm；α—像元尺寸，mm；GSD—地面分辨率，m。

無人機傾斜攝影測量技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)采集(影像采集、像控點測量)、空中三角測量、多視影像密集點匹配、數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)生成、紋理貼合、實景三維建模、三維測圖及外業(yè)調(diào)繪與補測等步驟。其中，最關(guān)鍵步驟是通過空中三角測量解算出像片的外方位元素，在此基礎(chǔ)上，通過多視影像密集匹配算法獲得點云，并紋理貼合生成三維模型。無人機傾斜攝影測量外業(yè)采集及內(nèi)業(yè)處理作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 無人機傾斜攝影測量作業(yè)流程

2 工程案例

2.1 工程概況

本項目測區(qū)位于上海市浦江鎮(zhèn)魯匯地塊，測區(qū)面積0.067Km2，其中包含4條馬路、一個6幢樓的小區(qū)，樓高在50～65m高多層建筑。道路綠化覆蓋有密有疏、瀝青路面是上海地區(qū)比較典型的路道狀況，基本代表多數(shù)道路測量項目概況。參照CHZ 3004—2010《低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》對測區(qū)航線進行合理設(shè)計，確保目標(biāo)攝區(qū)完全覆蓋。航高依據(jù)周邊建筑高度而定。

2.2 測量方法

傾斜攝影測量：外業(yè)采集采用大疆經(jīng)緯M300RTK搭載睿鉑D2- PSDK五鏡頭，內(nèi)業(yè)處理采用瞰景Smart3D三維建模軟件生成osgb格式的三維模型，DLG線劃圖生產(chǎn)采用南方測繪Cass3D專用三維測圖軟件。

傳統(tǒng)人工測量：采用索佳SET1X全站儀(測距2+2ppm 測角1″)采集道路上具有明顯特征的地形地物點平面及高程，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。

通過Cass3D采集的特征點三維坐標(biāo)與全站儀人工采集的相同特征點的三維坐標(biāo)進行比對，獲取兩者成果較差，求出無人機傾斜攝影測量特征點的片面與高程成果精度，對無人機傾斜測量成果進行評價。睿鉑D2- PSDK五鏡頭技術(shù)參數(shù)見表1。

2.3 控制測量

平面控制測量采用網(wǎng)絡(luò)RTK的方式進行，利用上海CORS系統(tǒng)采集控制點的上海城市平面坐標(biāo)(x，y)，RTK平面控制點測量流動站的技術(shù)要求滿足：①觀測開始前應(yīng)對儀器進行初始化，并得到固定解，當(dāng)長時間不能獲得固定解時，斷開通信鏈路，再次進行初始化操作；②每次觀測之間流動站重新初始化；③作業(yè)過程中，如出現(xiàn)衛(wèi)星信號失鎖，重新初始化，并經(jīng)重合點測量檢測合格后，方能繼續(xù)作業(yè)；④每次作業(yè)開始前，均進行至少1個同等級或高等級已知點的的檢核，平面坐標(biāo)較差不大于7cm；⑤數(shù)據(jù)采集器設(shè)置控制點的單次觀測的平面收斂精度應(yīng)≤±2cm；⑥RTK平面控制點測量流動站觀測時采用三角架對中、整平，每次觀測歷元數(shù)不少于20個，采樣間隔2～5s，各次測量的平面坐標(biāo)較差不大于±4cm。

表1 睿鉑D2- PSDK五鏡頭參數(shù)

本項目為無人傾斜攝影測量與傳統(tǒng)人工測量2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，無人機傾斜攝影測量像控點間距為150米，共布設(shè)4個，像控檢查點6個，與像控點距離由近及遠布設(shè)。

2.4 無人機傾斜攝影測量

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100m，分辨率13.7208mm/pixel，航向和旁向重疊度分別為80%、75%，航線外擴測區(qū)1倍的航高即外擴100m，共計采集3345張影像。像控點布設(shè)4個，檢查點由近到遠布設(shè)6個具體布設(shè)如圖2所示。

圖2 像控點布設(shè)示意圖及航線規(guī)劃圖

2.5 空三計算

無人機外業(yè)影像好后，利用SkyScanner導(dǎo)出傾斜相機數(shù)據(jù)同時寫入位置信息、相機相關(guān)參數(shù)及姿態(tài)矯正等信息生成工程區(qū)塊索引、空三任務(wù)xml文件，一鍵導(dǎo)入瞰景 Smart 3D進行空三計算?？杖嬎阋话惴譃?次計算，第1次為姿態(tài)輔助平差模式，計算完成后導(dǎo)入自定義坐標(biāo)系文件prj，然后導(dǎo)入像控點、檢查點進行刺點工作，完成后啟動第2次空三計算，以控制點平差方式計算，控制點水平誤差中位數(shù)8.4mm、高程誤差中位數(shù)0.7mm，檢查點水平誤差中位數(shù)35mm，高程誤差0.3mm，模型相對精度滿足相關(guān)要求，空三計算成果見表2—3。

表2 像控點誤差匯總表

表3 檢查點誤差匯總表

2.6 三維建模成果及DLG線化圖生產(chǎn)

瞰景Smart 3D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Cass3D三維測圖軟件進行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)進行后期成果精度比對。

圖3 傾斜模型成果

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)特征點進行計算分析，經(jīng)計算平面中誤差3.3cm，高程中誤差1.9cm。其中高程中誤差3cm以內(nèi)檢查點占72%，5cm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，以下是特征點提取分布圖及誤差分布維度分析如圖4—5所示。

圖4 特征點提取分布及DLG成果圖

圖5 誤差分布維度分析圖

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12.10m和14.00m，模型量測值分別為12.11m和14.01m，道路寬度差值、斷面高程差值均1cm左右，滿足相關(guān)要求，如圖6所示。圖7模型中道路路沿石上下高差、角點清晰可辨保證了斷面提取的精度。

圖6 道路斷面對比成果圖

圖7 三維模型中道路及路沿石

2.8 工作效率分析

無人機傾斜攝影測量：外業(yè)布設(shè)像控點及外業(yè)飛行2人組用時2h，內(nèi)業(yè)集群建模用時4.5h左右，三維測圖用時1.5h，共計8h左右完成全部作業(yè)，提交成果DLG線畫圖、三維模型、點云、正射影像等眾多成果。

傳統(tǒng)人工測量：外業(yè)控制點布設(shè)及地形測量3人組用時2個工作日15h左右，內(nèi)業(yè)地形圖繪制用時2h，提交DLG線畫圖成果。

無人機傾斜攝影測量工作效率提升近3倍，大面積測繪效率提升更為明顯，且同時成果生成更為豐富，優(yōu)勢明顯高于傳統(tǒng)測量手段。

3 結(jié)語

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

(2)無人機傾斜攝影測量誤差除無人機飛控平臺、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。