常 遠(yuǎn) 張 勝

(1. 吉林省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院, 吉林 長(zhǎng)春 130021;2. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局廊坊自然資源綜合調(diào)查中心, 河北 廊坊 065000)

0 引言

隨著城市建設(shè)力度的不斷加強(qiáng),原有的一些市政道路已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)在人們正常的出行需求,對(duì)市政道路進(jìn)行改造能夠在一定程度上有效緩解交通壓力,為城市居民日常出行帶來(lái)巨大的便利。市政道路改造設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,需要多個(gè)專業(yè)相互配合,以確保各環(huán)節(jié)銜接順暢[1]。市政道路改造設(shè)計(jì)對(duì)于測(cè)繪精度要求高,測(cè)繪成果要能準(zhǔn)確地?cái)M合現(xiàn)有道路的平縱線型[2],特別是涉及重大橋梁改造時(shí),要準(zhǔn)確施測(cè)出橋梁的平面及高程位置信息。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù),該技術(shù)通過(guò)在無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)上搭載多鏡頭傳感器,能夠同時(shí)從一個(gè)垂直、多個(gè)傾斜的角度采集影像,從影像中提取地物的空間位置、建筑結(jié)構(gòu)、色彩與紋理等,然后按照統(tǒng)一的坐標(biāo)系迅速建立實(shí)景三維模型[3-6]。這種實(shí)景三維模型一方面能夠真實(shí)準(zhǔn)確地反映地物情況,另一方面能夠?qū)⒂脩粢敕先搜垡曈X(jué)的真實(shí)直觀世界,具有高精度、可量測(cè)的特點(diǎn)[7]。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)開(kāi)展了諸多研究。李紅梅等[8]利用無(wú)人機(jī)在公路設(shè)計(jì)路線附近建立傾斜攝影模型,更直觀更立體的實(shí)現(xiàn)在三維場(chǎng)景中的勘察設(shè)計(jì)工作。樂(lè)志豪等[9]利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了實(shí)景三維建模,為道路項(xiàng)目測(cè)圖提供了新的解決方案。石磊[10]采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)實(shí)施某道路測(cè)量,成果精度滿足設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范要求。劉兆等[11]以傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在城市大比例尺地形測(cè)繪工作中的應(yīng)用為例,探討其成果質(zhì)量控制的主要技術(shù)要點(diǎn)。陳陳等[12]探討了基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的地理信息獲取和原始影像的處理方法。佘宏偉[13]對(duì)建筑信息模型(building information model,BIM)與傾斜攝影技術(shù)在道路橋梁優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。耿濤[14]探討融合BIM技術(shù)與無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù),精確完成工程量算、施工模擬、碰撞檢查等工作。郭長(zhǎng)東等[15]采用低空無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量,通過(guò)攝像影像解算獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù),準(zhǔn)確地計(jì)算土石方量,極大地提高道路土石方量測(cè)繪工作效率。

國(guó)內(nèi)學(xué)者在無(wú)人機(jī)傾斜攝影建模技術(shù)方法、質(zhì)量控制、地形圖生產(chǎn)及與BIM結(jié)合方面做了相關(guān)研究,但是對(duì)于如何利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)系統(tǒng)性地生產(chǎn)滿足市政道路改造設(shè)計(jì)要求的地形圖的研究較少。針對(duì)市政道路改造設(shè)計(jì),本文首選設(shè)計(jì)了應(yīng)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)生產(chǎn)地形圖的技術(shù)流程,并通過(guò)具體項(xiàng)目案例驗(yàn)證了精度的可靠性。

1 市政道路設(shè)計(jì)地形圖生產(chǎn)方法

結(jié)合無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的特點(diǎn),針對(duì)市政道路改造工程,設(shè)計(jì)了應(yīng)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行市政道路改造設(shè)計(jì)測(cè)圖的技術(shù)流程,該技術(shù)流程詳細(xì)闡述了從外業(yè)數(shù)據(jù)采集到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)建模,再到地形圖制作的過(guò)程。首先,基于高等級(jí)控制網(wǎng)做控制測(cè)量,構(gòu)建道路改造設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)網(wǎng),其次,通過(guò)無(wú)人機(jī)獲取影像資料,進(jìn)而完成三維建模,制作三維實(shí)景模型,最后,利用三維實(shí)景模型生產(chǎn)地形圖,流程圖如圖1所示。

圖1 技術(shù)流程圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

上述技術(shù)流程中三維實(shí)景模型構(gòu)建的質(zhì)量至關(guān)重要,其直接影響后期地形圖生產(chǎn)的精度。對(duì)于本項(xiàng)目大范圍傾斜攝影模型生產(chǎn),因沒(méi)有大型的計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng),無(wú)法將項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)的傾斜影像數(shù)據(jù)一次性生產(chǎn)為一套模型,經(jīng)過(guò)反復(fù)論證,采取分區(qū)分塊的策略分別構(gòu)建每一個(gè)區(qū)域塊的傾斜攝影模型,最后再將每一個(gè)分區(qū)生產(chǎn)的模型進(jìn)行拼接,整合為一套模型。然而分區(qū)生產(chǎn)模型時(shí)為了保證生產(chǎn)的傾斜攝影模型相鄰兩塊區(qū)域之間不出現(xiàn)錯(cuò)位的現(xiàn)象,影響后期生產(chǎn)地形圖的精度,在生產(chǎn)模型時(shí)相鄰兩個(gè)分區(qū)之間設(shè)置了一定的重疊度,并且在重疊區(qū)域內(nèi)保證足夠的相控點(diǎn)數(shù)量,這樣一方面能夠使相鄰分區(qū)之間相互咬合,保證最終生產(chǎn)的模型不出現(xiàn)錯(cuò)位的現(xiàn)象,另一方面能夠有效控制模型精度,保證地形圖生產(chǎn)的質(zhì)量。

3 工程應(yīng)用及分析

為檢驗(yàn)本文設(shè)計(jì)的上述技術(shù)流程的可行性及實(shí)用性,結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用場(chǎng)景,依托國(guó)道集阿公路遼源紅五星互通立交改建項(xiàng)目開(kāi)展了生產(chǎn)項(xiàng)目實(shí)踐應(yīng)用,驗(yàn)證上述技術(shù)路線的可行性與實(shí)用性。

3.1 工程概況

國(guó)道集阿公路遼源紅五星互通立交改建項(xiàng)目位于遼源市東南部新城,互通周邊4S店、加油站、糧庫(kù)等企業(yè)較多,互通南、北兩側(cè)緊鄰四梅鐵路及渭津河,部分路段處于與鐵路占地交叉范圍,對(duì)于互通改建測(cè)量及設(shè)計(jì)工作均提出了較高要求,勘測(cè)難度極大。

3.2 數(shù)據(jù)獲取與建模

傾斜攝影外業(yè)測(cè)量小組共計(jì)4人,2人布設(shè)相控點(diǎn),2人進(jìn)行無(wú)人機(jī)傾斜航攝。外業(yè)測(cè)量利用六旋翼無(wú)人機(jī)搭載傾斜五鏡頭相機(jī)作業(yè),相機(jī)有效像素≥1.2億。傾斜攝影外業(yè)作業(yè)前最主要的工作是布設(shè)像控點(diǎn),本項(xiàng)目在航攝區(qū)域內(nèi)均勻規(guī)劃并布設(shè)了34個(gè)像控點(diǎn),采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量(real time kinematic,RTK)技術(shù)準(zhǔn)確采集了外業(yè)布設(shè)的34個(gè)像控點(diǎn)的CGCS2000平面和1985國(guó)家高程坐標(biāo)。航攝實(shí)施時(shí)首先進(jìn)行航線規(guī)劃,本項(xiàng)目航線規(guī)劃時(shí)設(shè)置航向重疊度85%、旁向重疊度75%、航高120 m、下視影像分辨率1.5 cm,規(guī)劃航線完成后即按照規(guī)劃參數(shù)自動(dòng)控制無(wú)人機(jī)執(zhí)行飛行任務(wù)。項(xiàng)目外業(yè)數(shù)據(jù)獲取歷時(shí)5 d,飛行24個(gè)架次,總共采集項(xiàng)目區(qū)域7.71 km2、80 504張傾斜影像。最后對(duì)于采集的傾斜影像,組建計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)生產(chǎn)傾斜攝影模型。

3.3 精度評(píng)定

為驗(yàn)證利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影模型生產(chǎn)地形圖能否達(dá)到市政道路改造設(shè)計(jì)對(duì)于地形圖精度的要求,依據(jù)《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》(CH/T 9015—2012),在項(xiàng)目區(qū)域范圍內(nèi)選取了若干特征點(diǎn),分別對(duì)平面及高程精度做了檢驗(yàn)。

3.3.1平面精度

平面精度檢核利用RTK技術(shù)外業(yè)實(shí)測(cè)特征點(diǎn)與制作的傾斜三維模型上直接獲取的同名點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,共選取檢查點(diǎn)30個(gè),具體精度統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 平面坐標(biāo)精度統(tǒng)計(jì) 單位：m

通過(guò)對(duì)30個(gè)平面精度檢核點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算得知,平面坐標(biāo)誤差都在0.2 m內(nèi),中誤差0.082 m,滿足1∶2 000大比例尺地形圖平面精度要求。

3.3.2高程精度

高程精度檢核利用RTK技術(shù)外業(yè)實(shí)測(cè)特征點(diǎn)與制作的傾斜三維模型上直接獲取的同名點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,共選取檢查點(diǎn)30個(gè),具體精度統(tǒng)計(jì)如表2所示。

通過(guò)對(duì)30個(gè)高程精度檢核點(diǎn)的高程坐標(biāo)統(tǒng)計(jì)計(jì)算得知,高程誤差都在0.15 m內(nèi),中誤差為0.112 m,滿足1∶2 000大比例尺地形圖高程精度要求。

在檢驗(yàn)傾斜攝影模型平面及高程精度均合格的基礎(chǔ)上,利用傾斜攝影模型生產(chǎn)了項(xiàng)目區(qū)域的地形圖,并成功應(yīng)用于遼源紅五星互通改造設(shè)計(jì)項(xiàng)目。

4 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)方式測(cè)繪地形圖普遍采用全站儀或RTK測(cè)量方法,全站儀測(cè)繪方法外業(yè)測(cè)量要耗費(fèi)大量的人力,RTK測(cè)繪方式在城鎮(zhèn)作業(yè)時(shí)信號(hào)強(qiáng)度低,容易失鎖。相較于傳統(tǒng)測(cè)繪地形圖的方式,利用本文的測(cè)量方式,4人5 d即可完成7.71 km2的外業(yè)測(cè)量任務(wù),不僅極大地減少了外業(yè)測(cè)量時(shí)間,而且無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)基本不受GPS信號(hào)干擾的影響,可見(jiàn)應(yīng)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)極大地改善了原來(lái)生產(chǎn)地形圖工作的方式,提高了生產(chǎn)效率。

本文通過(guò)對(duì)市政道路改造設(shè)計(jì)區(qū)域進(jìn)行無(wú)人機(jī)傾斜攝影,建立了項(xiàng)目區(qū)域范圍內(nèi)的傾斜攝影模型,生產(chǎn)了項(xiàng)目區(qū)域范圍內(nèi)的地形圖,通過(guò)實(shí)際檢核成果精度,驗(yàn)證其滿足市政道路改造設(shè)計(jì)的要求,本文的方法對(duì)于今后進(jìn)行市政道路改造項(xiàng)目的開(kāi)展具有一定的借鑒指導(dǎo)作用。