◎ 鄧樑斌 潘挺志 中交廣州航道局有限公司

由于快速、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)使無人機(jī)攝影測量技術(shù)發(fā)展迅速。BIM技術(shù)是工程建設(shè)中的全生命周期信息管理技術(shù)，在工程領(lǐng)域?qū)θS實(shí)景建模的支持與互動(dòng)日益迫切。無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)以其高效率、高精度的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于4D產(chǎn)品采集和3D場景建模，是今后快速成圖、建模的一種方法。

1.工程概況

本工程位于廈門翔安區(qū)東南海面，大嶝島和小嶝島之間，為廈門新機(jī)場提供建設(shè)用地，南側(cè)距金門島約3km，地理坐標(biāo)位于東經(jīng)118°20′至118°22′、北緯24°32′至24°34′。工程主要施工內(nèi)容為陸域形成與地基處理，陸域形成面積約為170萬m2，填砂量約為2030萬m3。

2.無人機(jī)攝影測量

此次攝影測量任務(wù)區(qū)是在大嶝島、小嶝島與廈門翔安區(qū)東南海域的交界處，此地是廈門新機(jī)場的施工場地，由于在冬季進(jìn)行，地面植被覆蓋程度比較低，對(duì)消除點(diǎn)云噪聲和提高模型的準(zhǔn)確率是有利的。本論文以拓普康天狼星無人機(jī)的飛行平臺(tái)、數(shù)據(jù)平臺(tái)、數(shù)據(jù)后處理等為主要內(nèi)容進(jìn)行測量，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 天狼星無人偵察機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)

2.1 數(shù)據(jù)采集

在飛行規(guī)劃軟件中，結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際狀況進(jìn)行航線規(guī)劃，設(shè)計(jì)的飛行高度為400m，地面取樣5cm，航線交迭程度大于80%，側(cè)面交迭程度大于60%。在整個(gè)地區(qū)總共5架飛機(jī)，共獲得1292幅有效照片。

2.2 數(shù)據(jù)處理外業(yè)

完成工作后，對(duì)現(xiàn)場外業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，通過驗(yàn)收后進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的整理。內(nèi)業(yè)工作首先使用了Agisoft Photoscan Professional，實(shí)現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)的高自動(dòng)化后處理；并將POS數(shù)據(jù)與其自身的高精度POS數(shù)據(jù)相結(jié)合，利用空三解計(jì)算并生成云數(shù)據(jù)；然后再構(gòu)造DEM，最后對(duì)其進(jìn)行高分辨率的紋理處理，從而建立 DSM，獲得普通的二維DOM。在此過程中，還可以將空三解算結(jié)果、點(diǎn)云等其他資料分別推導(dǎo)出來，供其他途徑應(yīng)用[1]。

2.3 數(shù)據(jù)分析

內(nèi)業(yè)作業(yè)結(jié)束后，對(duì)DEM、DSM等成果進(jìn)行人工目視檢查。初步的目測結(jié)果顯示，沒有發(fā)現(xiàn)測區(qū)和數(shù)據(jù)遺漏，模型整體光滑，成果沒有異常，內(nèi)部處理達(dá)到了初步的要求。為了確保測量的準(zhǔn)確性，不但要進(jìn)行定性的目測，而且要有定量的資料支持。為了檢驗(yàn)內(nèi)業(yè)成果的品質(zhì)，在數(shù)據(jù)收集之前在測區(qū)內(nèi)均勻地設(shè)置了18個(gè)控制點(diǎn)，以便檢驗(yàn)內(nèi)部工作的質(zhì)量，現(xiàn)場使用白色的十字標(biāo)靶標(biāo)點(diǎn)，外業(yè)使用GNSS-RTK（4次平均）進(jìn)行測量。首先，對(duì)應(yīng)點(diǎn)的三維坐標(biāo)（4次平均）可在內(nèi)業(yè)所建立的3D場景模型中獲??；然后對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行作差，并將各個(gè)方向模型上的誤差進(jìn)行比較；最后通過計(jì)算中誤差，可以定量地反映模型的精度品質(zhì)。

從GNSS-RTK坐標(biāo)與模型坐標(biāo)之間的差異可以看出，模型平面精度最大偏差為9.8cm，平均7.6cm，中誤差7.8cm；高程精度最大偏差為1 5.2 c m，平均5.3 c m，中誤差6.5cm；模型的高精度與平面相比有很大的差異，誤差也比較大，這表明衛(wèi)星的定位相對(duì)于地面而言，其高程較低。此模式的精度達(dá)到1∶500的制圖要求，可以為以后1∶500 DLG制圖提供高質(zhì)量的基礎(chǔ)資料，并證明了用攝影法所獲得的三維真實(shí)場景模型是比較準(zhǔn)確的。

結(jié)果表明，B13區(qū)與其他控制區(qū)相比存在著嚴(yán)重的高程異常，由此可以推斷出B13區(qū)存在著很大的偶然誤差。通過對(duì)B13號(hào)點(diǎn)處的高壓線路進(jìn)行了分析，得出了GNSS-RTK數(shù)據(jù)采集過程中所接收到的數(shù)據(jù)有很大的偏差，因此該方法的坐標(biāo)值與其他點(diǎn)相比有顯著差異。GPS測量規(guī)程中明確規(guī)定了這樣的測量條件，必須加以特別的關(guān)注和規(guī)避。為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，B13號(hào)的數(shù)據(jù)暫時(shí)不會(huì)被納入到數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性分析中，而剩下的17個(gè)數(shù)據(jù)也足以進(jìn)行精確度的評(píng)估[2]。

2.4 三維虛擬現(xiàn)實(shí)建模與BIM技術(shù)的結(jié)合

用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)攝影測量獲得的三維真實(shí)地理模型，可以有效地解決BIM技術(shù)在現(xiàn)場建模中的不足，從而使得 BIM技術(shù)能夠快速準(zhǔn)確的進(jìn)行現(xiàn)場建模。利用攝影測量技術(shù)構(gòu)建的三維立體景觀模型，能夠提供地表、高程、紋理等信息，還可以方便地獲取長度、面積、體積、坡度等的資料，而BIM技術(shù)中的某些信息也是基于這些信息而形成的。在后期可以通過BIM技術(shù)對(duì)目標(biāo)建筑（構(gòu)筑物）進(jìn)行建模，并將其與3D現(xiàn)實(shí)場景相結(jié)合，從而形成一個(gè)完整的工程項(xiàng)目建模體系。通過對(duì)橋梁模型進(jìn)行三維真實(shí)場景的疊加，得出了一個(gè) BIM系統(tǒng)，見圖1，為 BIM的后期設(shè)計(jì)提供了一定的依據(jù)和支撐。

圖1 三維立體實(shí)景建模+BIM技術(shù)

3.傾斜攝影測量模型的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 影像匹配

相對(duì)于傳統(tǒng)的正視模式，傾斜攝影具有多種視角的優(yōu)勢(shì)，并使圖像的冗余信息更加豐富。該方法能夠利用多余的信息對(duì)多視圖中的錯(cuò)誤進(jìn)行校正，為了保證圖像的正確匹配需要使用多種基本元素。針對(duì)基于特征的圖像匹配技術(shù)的強(qiáng)適用性和較高匹配準(zhǔn)確率，提出了一種新的特征匹配算法。

3.2 多視影像聯(lián)合平差

多視圖的聯(lián)合校正是在多視圖的幾何基礎(chǔ)上，將POS外部的方向與飛行平臺(tái)得到的信息相結(jié)合。首先通過對(duì)多視角圖像進(jìn)行匹配，獲取準(zhǔn)確的外方位元素，并采用特征匹配的方法進(jìn)行圖像特征匹配。其次通過對(duì) POS數(shù)據(jù)的分析，建立了相應(yīng)的誤差方程，并對(duì)其進(jìn)行了聯(lián)合求解，以確保校正的準(zhǔn)確性。波束平差模型具有較強(qiáng)的理論和較高的加密精度，將其應(yīng)用于空中三角網(wǎng)平差。在完成了空中三角測量后，會(huì)產(chǎn)生帶有表面紋理信息的自動(dòng)結(jié)點(diǎn)[3]。

3.3 多視影像密集匹配

多視點(diǎn)密集匹配是以三個(gè)空間為基礎(chǔ)而構(gòu)成的自動(dòng)結(jié)點(diǎn)。根據(jù)相關(guān)的密集匹配算法構(gòu)造了密集點(diǎn)云。多視圖密集匹配算法采用多基匹配算法，對(duì)圖像基線進(jìn)行定位，并將各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的匹配，采用傾斜攝影方法建立的三維模型為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。所以，利用密度較大的點(diǎn)云來構(gòu)建網(wǎng)格，三維點(diǎn)云的數(shù)據(jù)具有很高的通道性。點(diǎn)云結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格采用不規(guī)則三角形網(wǎng)格，由密集的點(diǎn)云組成三角分割計(jì)算方法。任意的地形目標(biāo)信息都可以用一個(gè)三角形的風(fēng)扇來表達(dá)，而所有的三角形都是一個(gè)完整的三角形網(wǎng)格模型。

3.4 紋理映射

紋理映射的實(shí)質(zhì)就是在三維空間中，空間點(diǎn)和平面上的點(diǎn)面的對(duì)應(yīng)。將與二維空間點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的色彩和灰度值映射到三維目標(biāo)表面，得到了與實(shí)際色彩視覺一致的真實(shí)3D模型。多視點(diǎn)影像會(huì)在多幅影像中呈現(xiàn)同樣的置換信息，所以在紋理映射時(shí)，必須清除多視圖圖像。

4.無人機(jī)傾斜攝影的應(yīng)用

隨著無人機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，在大型立體建模中應(yīng)用無人機(jī)攝影測量技術(shù)已成為當(dāng)前的主流方法。傾斜照相技術(shù)雖然才出現(xiàn)了20多年，但是它已經(jīng)在各行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。山區(qū)高速公路由于線路長且復(fù)雜、植被茂密、地形復(fù)雜、臨建設(shè)計(jì)不但需要大量的工程勘察，而且存在著一定的安全隱患，利用傾斜攝影技術(shù)，建立了一個(gè)真實(shí)的立體空間模型，克服了傳統(tǒng)的步行踏勘方法所造成的視覺上的局限，以點(diǎn)帶面，造成了后續(xù)的便道、臨時(shí)場站建設(shè)不合理，不經(jīng)濟(jì)。

4.1 航空攝影計(jì)劃編制

在進(jìn)行航空攝影之前，必須搜集有關(guān)工程的地形圖、路線圖、重點(diǎn)構(gòu)筑物設(shè)計(jì)圖、交通圖、天氣預(yù)報(bào)、空中限制區(qū)等資料，確定航拍范圍，并根據(jù)現(xiàn)場地形條件、能見度等因素制訂航空攝影計(jì)劃。為了保證以后的三維模型準(zhǔn)確定位，必須把航空攝影系統(tǒng)和高程系統(tǒng)與施工圖紙結(jié)合起來，為了提高航空攝影數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，必須在現(xiàn)有控制點(diǎn)上建立一個(gè)加密控制點(diǎn)，并將其設(shè)在露天開闊、視野好的地方。

4.2 全景拍攝

利用無人駕駛的五目專業(yè)攝像機(jī)，根據(jù)預(yù)定的計(jì)劃，完成整個(gè)工程的全景拍攝，拍攝的區(qū)域?yàn)閿M建設(shè)的高速公路沿線300～500m，此外還將建設(shè)項(xiàng)目所在地、臨時(shí)場站、棄土場、臨時(shí)便道等場地。為了提高成圖的準(zhǔn)確性，在攝影時(shí)可以適當(dāng)?shù)亟档惋w行高度和速度，并在合適的天氣條件下進(jìn)行攝影，以保證充足的光照，太陽的角度應(yīng)該超過45°，而影子不應(yīng)該超過1倍。

4.3 三維實(shí)景成像

利用ContextCapture對(duì)GIS后期的數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。ContextCapture是一個(gè)完整的三維建模軟件，功能齊全，能夠迅速地為不同的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)工程提供真實(shí)的三維模型，利用傾斜攝影技術(shù)對(duì)影像進(jìn)行拍照，并依據(jù)影像參數(shù)、控制點(diǎn)等相關(guān)信息，計(jì)算、輸出對(duì)應(yīng)的 GIS結(jié)果，為工程全局控制和后期深度處理提供依據(jù)。尤其注重畫面的清晰度、對(duì)比性、色彩飽和、色彩鮮艷、色彩均勻，而且同一功能部件的色彩也基本一樣，而且層次更加豐富，該系統(tǒng)能夠識(shí)別出符合地面分辨率的小型地面目標(biāo)，并能構(gòu)建出清晰的立體模型。在拍攝時(shí)要盡量避免出現(xiàn)片狀云、大面積煙霧、陰影、鏤空等問題，以保證后續(xù)數(shù)據(jù)的正確性。有缺漏或不符合規(guī)定的，要補(bǔ)錄[4]。

4.4 使用效果評(píng)價(jià)

利用無人機(jī)的傾斜拍攝，利用3D的實(shí)景建模技術(shù)，對(duì)重點(diǎn)項(xiàng)目周邊進(jìn)行了真實(shí)的模擬，讓專業(yè)人士可以從高空俯瞰，全面掌握工程的真實(shí)地形，為以后的施工組織提供了科學(xué)、直觀、高效且合理的決策依據(jù)，使施工的工作效率得到了很大的提升。

通過建立該模式的坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)，可以有效地解決項(xiàng)目區(qū)地形復(fù)雜、地勢(shì)陡峭等問題，同時(shí)，也能減少工作中的危險(xiǎn)，增加工作的效率。充分運(yùn)用三維真實(shí)場景，完整直觀地記錄地表河流、植被和農(nóng)田，在設(shè)置臨時(shí)設(shè)施時(shí)，能夠正確避開上述區(qū)域，從而有利于環(huán)境保護(hù)，并為綠色公路的建設(shè)提供依據(jù)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)的3D數(shù)字實(shí)景，把工程的實(shí)體和周邊的環(huán)境融合在一起，形成一個(gè)電子的沙盤，充分展現(xiàn)項(xiàng)目區(qū)域的全景，方便項(xiàng)目管理各個(gè)層次的溝通、交流、傳達(dá)與落實(shí)。

5.結(jié)語

在BIM技術(shù)中運(yùn)用攝影測量技術(shù)，可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，為有關(guān)人士提供大范圍的真實(shí)地理環(huán)境，并為專業(yè)人士提供準(zhǔn)確的地理信息資料。目前BIM技術(shù)發(fā)展到目前為止，三維和BIM的結(jié)合還存在著轉(zhuǎn)化環(huán)境和轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)不一致的問題，會(huì)造成原資料的疏漏或差錯(cuò)，無法達(dá)到良好的非破壞性轉(zhuǎn)化與融合，這也是BIM技術(shù)快速發(fā)展所迫切需要解決的問題。