文／李波 濟(jì)南城市建設(shè)集團(tuán) 山東濟(jì)南 250100

1、無(wú)人機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀

現(xiàn)如今針對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)的研究全球有幾十個(gè)國(guó)家在投入大量的人力物力進(jìn)行研究，有接近40 個(gè)國(guó)家在實(shí)際的測(cè)量工作中已經(jīng)使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行測(cè)量。有很多國(guó)家的無(wú)人機(jī)發(fā)展還在起步研究階段，然而我國(guó)針對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)已經(jīng)有了重大突破，我國(guó)的無(wú)人機(jī)技術(shù)已經(jīng)占據(jù)了大量的國(guó)外市場(chǎng)。

2、三維點(diǎn)云融合技術(shù)

為解決廠(chǎng)房改造中站式掃描儀獲取點(diǎn)云缺漏的技術(shù)難題，本文提出三維點(diǎn)云融合技術(shù)，采用站式掃描儀采集廠(chǎng)房墩柱、橫梁、門(mén)窗的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)使用無(wú)人機(jī)傾斜攝影獲取建筑外立面信息，將兩種測(cè)量成果進(jìn)行融合得到廠(chǎng)房完整三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)表明，該三維點(diǎn)云融合技術(shù)提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整性，讓設(shè)計(jì)圖件繪制容判讀、尺寸更準(zhǔn)確。對(duì)老舊廠(chǎng)房進(jìn)行改造設(shè)計(jì)首先應(yīng)對(duì)其現(xiàn)有狀況進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)繪，三維激光掃描技術(shù)因具有掃描速度快、掃描細(xì)節(jié)表現(xiàn)好、數(shù)據(jù)采集精度高等優(yōu)勢(shì)[1]，成為廠(chǎng)房改造設(shè)計(jì)的主要測(cè)繪方法。在大范圍廠(chǎng)房測(cè)繪實(shí)踐中，廠(chǎng)區(qū)內(nèi)經(jīng)常有掃描人員難以到達(dá)的隱蔽區(qū)域，單純采用站式掃描測(cè)量方法難以獲得建筑完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)。為快速獲取廠(chǎng)房外立面三維坐標(biāo)和紋理信息作為站式掃描的補(bǔ)充，本次實(shí)驗(yàn)引入輕量級(jí)無(wú)人機(jī)對(duì)廠(chǎng)區(qū)開(kāi)展傾斜攝影測(cè)量，通過(guò)無(wú)人機(jī)良好的視場(chǎng)角來(lái)解決站式 掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺漏的技術(shù)難題[2]。

3、研究背景與技術(shù)流程

3.1 研究背景實(shí)驗(yàn)區(qū)為某老舊紡織廠(chǎng)

廠(chǎng)房占地面積約1500m2，地勢(shì)平坦。廠(chǎng)區(qū)建筑以一層框架結(jié)構(gòu)為主，部分職工宿舍為二層房屋。整個(gè)紡織廠(chǎng)建筑密集，建筑間有圍墻阻隔、房屋窗戶(hù)多被封堵，掃描視野狹隘、通視困難。

3.2 技術(shù)流程

以無(wú)人機(jī)傾斜攝影、三維激光掃描為代表的測(cè)繪新技術(shù)近年得到較快發(fā)展，使測(cè)繪方式及應(yīng)用領(lǐng)域有了較大提升。實(shí)驗(yàn)通過(guò)站式掃描儀對(duì)廠(chǎng)房?jī)?nèi)部開(kāi)展三維掃描的同時(shí)，使用無(wú)人機(jī)傾斜攝影對(duì)地面視角難以獲取的廠(chǎng)房頂蓋，廠(chǎng)區(qū)外立面等區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充采集，最終將兩者獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行融合［4］，獲得廠(chǎng)區(qū)完整的三維位置信息與紋理影像數(shù)據(jù)，用于繪制立面圖、軸網(wǎng)圖、平面圖、頂視圖、剖面圖等圖件資料。

4、基本原理及技術(shù)指標(biāo)

4.1 三維激光掃描

三維激光掃描技術(shù)是測(cè)繪領(lǐng)域繼 GPS 之后又一次技術(shù)革命，他突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)，利用激光脈沖對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行掃描，可以大面積、大密度、快 速度、高精度地獲取地物的三維位置信息［5］。近年來(lái)，站式掃描測(cè)量系統(tǒng)，機(jī)載和車(chē)載激光雷達(dá)系統(tǒng)正逐漸廣泛地應(yīng)用于測(cè)繪生產(chǎn)研究的各個(gè)領(lǐng)域。本次實(shí)驗(yàn)需要掃描的對(duì)象主要分布在廠(chǎng)房?jī)?nèi)部，工作環(huán)境狹小。

本次實(shí)驗(yàn)選用帶有視覺(jué)追蹤自動(dòng)拼接功能的新型站式掃描儀，其掃描范圍為0.5m ～130m，掃描速率200 萬(wàn)點(diǎn)/秒，標(biāo)稱(chēng)點(diǎn)位精度在20m 距離內(nèi)為2.9mm。實(shí)驗(yàn)中相鄰兩設(shè)站點(diǎn)距離不大于20m，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換拼接后殘差不大于3mm。

4.2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影

傾斜攝影技術(shù)在攝影方式上區(qū)別于傳統(tǒng)的垂直航空攝影，突破了正射影像只能從垂直角度拍攝的約束［6］，通過(guò)無(wú)人機(jī)平臺(tái)掛載的傾斜相機(jī)，從不同的傾斜角度采集影像，模擬出符合視覺(jué)感受的真實(shí)立體世界。目前主流的傾斜攝影相機(jī)分為五鏡頭和單鏡頭兩類(lèi)，其中單鏡頭相機(jī)質(zhì)量輕便，能集成在輕量型無(wú)人機(jī)上，操控簡(jiǎn)便、成本低。本次實(shí)驗(yàn)選用相機(jī)主距為8.8mm，像元尺寸為2.412um 的某輕量型無(wú)人機(jī)對(duì)廠(chǎng)區(qū)開(kāi)展傾斜攝影。為獲得清晰度較好，分辨率較高的傾斜模型，需要在航飛前進(jìn)行航線(xiàn)設(shè)計(jì)，數(shù)碼航空攝影的地面分辨率取決于飛行高度，其值可按下式計(jì)算。

F/GSD=h 式中，h 為相對(duì)航高；f 為鏡頭焦距；a 為像元尺寸；GSD 為地面分辨率。由上式計(jì)算可知，本次實(shí)驗(yàn)為確保廠(chǎng)區(qū)地面分辨率優(yōu)于1.5cm，無(wú)人機(jī)航線(xiàn)設(shè)計(jì)階段所確定的相對(duì)航高應(yīng)不大于55m。

5、實(shí)驗(yàn)過(guò)程

5.1 坐標(biāo)系統(tǒng)匹配

地面三維激光掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可通過(guò)公共點(diǎn)云拼接成一個(gè)獨(dú)立坐標(biāo)系，無(wú)人機(jī)傾斜攝影可通過(guò)連接CORS基站直接獲取每張照片準(zhǔn)確的POS 信息。為GNSS 信號(hào)遮擋嚴(yán)重，移動(dòng)掃描測(cè)量方式難以開(kāi)展。站式掃描無(wú)須GNSS 信號(hào)，人工搬站靈活方便，并可通過(guò)公共點(diǎn)云拼接技術(shù)實(shí)現(xiàn)在巷道中或樓梯上的坐標(biāo)傳遞，將不同的站點(diǎn)坐標(biāo)納入統(tǒng)一的獨(dú)立坐標(biāo)體系，其坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程通常利用布爾莎7 參數(shù)模型。

將兩者獲取的成果納入一個(gè)坐標(biāo)系中首先應(yīng)布設(shè)控制標(biāo)靶。實(shí)驗(yàn)布設(shè)7 個(gè)直徑為18cm 的黑白相間圓形，并使用JSCORS 采集其三維坐標(biāo)，每個(gè)標(biāo)靶采集三次取平均值為最終成果用于站式掃描點(diǎn)云糾正的起算數(shù)據(jù)。控制標(biāo)靶應(yīng)均勻布設(shè)在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)，對(duì)GNSS 信號(hào)較差的廠(chǎng)房間狹小區(qū)域布設(shè)的標(biāo)靶點(diǎn)，使用JSCORS 直接采集有困難時(shí)也可以通過(guò)傾斜攝影間接獲取的標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)用于地面三維激光點(diǎn)云糾正，最終實(shí)現(xiàn)站式掃描與傾斜攝影坐標(biāo)系統(tǒng)匹配[7]。

5.2 站式掃描數(shù)據(jù)采集與處理

站式掃描儀在廠(chǎng)房點(diǎn)云采集時(shí)先布設(shè)掃描站點(diǎn)位置，設(shè)站時(shí)綜合考慮標(biāo)靶識(shí)別的點(diǎn)云密度，且測(cè)站間距離不宜超過(guò)20m。拼接原理為通過(guò)公共點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取同名點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)和殘差，并利用轉(zhuǎn)換模型實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云拼接[8]。點(diǎn)云拼接時(shí)，測(cè)站間拼接的鏈接應(yīng)盡量形成閉合環(huán)，通過(guò)對(duì)測(cè)站間鏈接的閉合情況檢查來(lái)確保拼接正確，避免計(jì)算機(jī)程序算法對(duì)公共點(diǎn)云的誤判。拼接后點(diǎn)云、點(diǎn)云配準(zhǔn)計(jì)算。掃描的老舊廠(chǎng)區(qū)共架設(shè)208 個(gè)測(cè)站，通過(guò)內(nèi)業(yè)測(cè)站拼接建立的213 個(gè)鏈接將所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)納入統(tǒng)一坐標(biāo)系中。拼接完成后，還需對(duì)所有點(diǎn)云進(jìn)行一次優(yōu)化計(jì)算，以提高整體點(diǎn)云拼接強(qiáng)度。為將實(shí)驗(yàn)區(qū)地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)與無(wú)人機(jī)傾斜攝影成果納入統(tǒng)一坐標(biāo)系，還需通過(guò)控制標(biāo)靶對(duì)整體點(diǎn)云進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算。計(jì)算時(shí)將整個(gè)點(diǎn)云視為一個(gè)剛體，糾正后點(diǎn)云上標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)與外業(yè)直接采集標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)較差如表1所示。

表1 點(diǎn)云標(biāo)靶殘差表

表1 顯示，標(biāo)靶殘差最大為0.032m，說(shuō)明整體點(diǎn)云拼接正確，坐標(biāo)配準(zhǔn)準(zhǔn)確無(wú)誤。然后將糾正后的點(diǎn)云導(dǎo)出為las格式數(shù)據(jù)，用于導(dǎo)入測(cè)圖軟件繪制各種設(shè)計(jì)圖件。

5.3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影

無(wú)人機(jī)傾斜攝影航飛前進(jìn)行實(shí)地踏勘，了解測(cè)區(qū)周邊是否有影響飛行安全的高大建筑。通過(guò)綜合航飛安全和分辨率需求，本次實(shí)驗(yàn)相對(duì)航高設(shè)為50m，航向重疊度和旁向重疊度均為80%，云臺(tái)角度為-60°；采用井字航線(xiàn)自主飛行，共獲取1700 余張照片，地面分辨率約1.4cm；在布設(shè)標(biāo)靶位置降低航高，補(bǔ)充手控拍照以獲取清晰標(biāo)靶照片。為從傾斜攝影模型中獲取較高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)建模采用contextcapture 軟件進(jìn)行。建模前從傾斜攝影照片中獲取相機(jī)像主點(diǎn)位置（x0，y0），相機(jī)畸變參數(shù)（k1，k2，k3，p1，p2），每張照片準(zhǔn)確的POS 信息，綜合相機(jī)主距（f），像元尺寸（a）等數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)免相控建模，模型重建結(jié)果需勾選傾斜模型osgb 格式和點(diǎn)云las 格式兩種［9］。在獲取的傾斜模型上量取7 個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)與外業(yè)直接采集的標(biāo)靶點(diǎn)進(jìn)行比較，其差值如表2所示。

表2 傾斜模型標(biāo)靶殘差表

表2 顯示，傾斜模型標(biāo)靶殘差最大為0.053m，說(shuō)明免相控建模結(jié)果正確，站式掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與傾斜攝影獲取的傾斜模型數(shù)據(jù)坐標(biāo)一致。為提高兩種方式獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的匹配程度，還可以在contextcapture 軟件中對(duì)無(wú)人機(jī)獲取的標(biāo)靶照片進(jìn)行刺點(diǎn)，通過(guò)相控點(diǎn)提高傾斜模型的精度。

5.4 點(diǎn)云融合及圖件繪制

立面圖繪制過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)因點(diǎn)云遮擋、掃描不全導(dǎo)致判讀不準(zhǔn)，難以對(duì)整個(gè)建筑架構(gòu)有全面把握。單純采用地面三維激光掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重，尤其是房頂和人員無(wú)法到達(dá)的隱蔽區(qū)域。此時(shí)通過(guò)疊加無(wú)人機(jī)視角的傾斜模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)可有效提高點(diǎn)云的完整性，讓各種圖件繪制容易判讀、尺寸更準(zhǔn)確。站式掃描儀僅能獲取房屋頂蓋的內(nèi)壁，無(wú)法獲得頂蓋上方的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。且因圍墻阻隔，人員無(wú)法進(jìn)入的隱蔽區(qū)域，站式掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)表現(xiàn)為黑色空洞。而無(wú)人機(jī)傾斜攝影依賴(lài)拍照平臺(tái)良好的視場(chǎng)角可獲得完整頂蓋點(diǎn)云，對(duì)于隱蔽區(qū)域也能獲取部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)。基于上述兩種方法獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為las 格式，共同加載到測(cè)圖軟件中即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)基于統(tǒng)一坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)融合。立面圖繪制時(shí)應(yīng)首先將點(diǎn)云進(jìn)行切片，后參照點(diǎn)云位置尺寸進(jìn)行立面圖繪制。為保持不同圖件中相同部件尺寸無(wú)較大誤差，可首先繪制平面圖，在平面圖上繪制出窗戶(hù)門(mén)框等部件；后切換至立面測(cè)圖，保留平面圖上的部件，繪制立面時(shí)參考平面圖相關(guān)尺寸。在老舊廠(chǎng)房改造項(xiàng)目中采用站式掃描儀對(duì)廠(chǎng)房?jī)?nèi)外開(kāi)展掃描能獲得房屋墩柱、橫梁、門(mén)窗等建筑細(xì)節(jié)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)受站式掃描儀站點(diǎn)位置限制，屋頂和人員無(wú)法到達(dá)的隱蔽區(qū)域點(diǎn)云缺失，通過(guò)使用輕量型無(wú)人機(jī)快速獲取掃描區(qū)域傾斜模型及點(diǎn)云數(shù)據(jù)可作為繪圖建模的有益補(bǔ)充［10］。

結(jié)語(yǔ)：

為進(jìn)一步提高無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在測(cè)繪工程測(cè)量中的應(yīng)用效率，首先需要確定無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，分析其在實(shí)際應(yīng)用中的應(yīng)用要點(diǎn)要求，且要注意對(duì)各干擾因素的有效控制，通過(guò)對(duì)各注意事項(xiàng)的有效控制，來(lái)保證測(cè)繪測(cè)量數(shù)據(jù)的精確性與可靠性，滿(mǎn)足工程建設(shè)需求，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用注意事項(xiàng)拍攝影像資料無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在測(cè)繪工程測(cè)量中的應(yīng)用越來(lái)越成熟，逐漸積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，可以作為后續(xù)工程測(cè)繪測(cè)量的指導(dǎo)依據(jù)。