无人机倾斜摄影测量技术在线型工程测量中的应用
浏览量：0发布时间：2023-08-18 14:41:15
摘 要：以浙江省某高速公路竣工复测项目为例，对无人机倾斜摄影测量技术在线型工程测量中的实景三维模型、真正射影像制作以及带状地形图测制等过程进行了应用探讨，同时对测量精度进行了验证。实践表明：该技术仅需少量的外业工作，就可快速获取到符合相关规范要求的数字化测绘成果，大幅提升了线型工程测量的工作效率，值得推广应用。
关键词：无人机；倾斜摄影测量；线型工程；实景三维模型
1 引言
近年来，为提升经济活力，国家不断增加了基础设施的投资力度，其中，以线型工程居多。线型工程主要包括公路、铁路、石油与燃气管线、供水渠道、高压输电线路工程等，与块状工程相比，线型工程具有投资大、战线长、专业性强、质量标准高、自然环境与社会环境复杂等客观因素[1]，测量作为线型工程最基础的工作，其为线型工程的勘测设计、施工安装以及运营管理提供了重要的数据图件和技术支撑。
传统的线型工程测量手段在实际工作中遇到了以下三方面的问题：
①采用常规测绘仪器如 GPS 和全站仪进行全野外实测，存在工期长、劳动强度大、精度随着线型工程的长度增加而降低等弊端；
②载人大飞机的航测方法受制于空域申请困难，受天气等外在因素影响大，而且使用成本较高；
③基于遥感测绘的手段因受卫星重访周期的影响，影像现势性不高，现阶段精度还难以达到要求。当前，随着测绘行业逐渐向着信息化、智能化的方向发展，以无人机倾斜摄影测量为代表的先进技术已在测绘领域得到广泛应用，其突破了传统测绘方法的技术瓶颈，仅需少量的外业工作，就可快速、高精度地获取到能真实反映地形地貌的三维实景模型数据，通过专业软件进一步处理还可以生成满足各行业生产需求的多种数字化测绘产品，极大地扩展了航空摄影测量技术的应用范围[2]。
2 无人机倾斜摄影测量技术简介
2.1 倾斜摄影测量技术原理
倾斜摄影测量技术是国际遥感领域近年来新兴发展的一项对地观测技术，我国自 2010 年开始引进国内，现已得到迅猛发展。该技术有效融合了近景摄影测量与传统航测技术的优势，但又与传统航测只能单架次获取地面物体下视影像不同，其在飞行平台上增加了与下视方向成 15° 以上的前、后、左、右 4 个倾斜镜头，加上一个下视镜头共五个镜头同时曝光不仅能采集到地面物体的多视角高清立体倾斜影像，同时还能获取到地物的侧面纹理信息[3]（如图 1 所示），所拍摄的影像再借助于全自动高性能后处理系统， 可快速构建出具有地物准确位置和清晰纹理的高分辨率真三维场景，借助于专业数据处理软件不但可以实现地物的三维数字化精准量测，还可进一步生成多种数字化测绘产品，满足各行业的生产用图需求。
图 1 无人机倾斜影像获取示意图
2.2 无人机倾斜摄影测量技术生产流程
无人机倾斜摄影测量是以当下流行的便携、灵活的无人机作为飞行平台，飞机携带五镜头倾斜相机进行影像的采集，其应用于线性工程测量的主要技术流程有：倾斜影像数据采集（外业航飞、像控测量）、倾斜三维建模数据处理（数据预处理、空三处理）、实景三维模型制作、真正射影像制作、带状地形图测制、外业调绘补测[4]（如图 2 所示）。
图 2 无人机倾斜摄影测量技术生产流程
3 实例应用
3.1 项目概况
浙江省“三湾工程”（乐清湾、台州湾、三门湾大桥及接线工程）已于 2019 年 1 月通车运营，该工程是国家高速公路网甬莞高速（编号 G1523）的重要组成部分，三湾工程设计速度 100km/h，全长 147.31km，连接线 18.71km，路基宽度 33.5m。为满足项目土地专项验收、新增建设用地组件报批、不动产登记发证等工作需求，本项目拟采用无人机倾斜摄影测量技术来完成全线竣工复测工作。
3.2 倾斜影像数据采集
（1）外业航飞本项目采用深圳前海雅棋公司生产的哈瓦五镜头倾斜摄影无人机进行外业航飞（如图 3 所示），该型号无人机具有带状区域航线模式，同时具备长航时、图传距离能够达到 10km，适用于长距离线型工程航测。根据区域围线，建立本次飞行计划，在飞行软件中按现场情况设置合理的飞行参数，航向重叠为 75%，旁向重叠为 70%，本项目按照作业范围线路方向敷设航线，一架次航程小于飞行器能到达的最远航程，采用用地红线外扩 ≥130m 以确保本次航测作业全部覆盖摄区。选择有利的气象条件进行外业航飞，最终飞行 30 多个架次，共获取到测区 16978 张倾斜影像，覆盖面积为 32km²。经检查本次航摄摄区未有漏洞，目标区域边界全部覆盖，影像色彩鲜明、反差适中，无明显模糊、重影和错位现象，可用于后期产品的制作。
图 3 哈瓦五镜头倾斜摄影无人机
（2）像控测量为保证成图精度，本项目像控测量全部采用平高点单航带布设方案，按分段 6 点法进行布设[5]。采用 ZJCORS 网络 RTK 系统进行像控点测量，测量时每个控制点观测次数不少于 2 次，每次采样间隔应重启仪器，取各次测量中数作为最终结果。
3.3 倾斜三维建模数据处理
（1）数据预处理航摄飞行获取的原始影像数据使用与相机镜头配套的专业软件进行图像后处理，对每架次飞行获取的影像数据进行及时、认真地检查和预处理，对不合格的区域需进行补飞，确保所有的影像清晰、色彩柔和无反差、拼接无明显重影和错位现象。
（2）空三处理空三处理使用 CC 软件，CC 软件的 AT 模块采用光束法局域网平差，支持垂直影像和倾斜影像同时导入参与空三计算[6]，根据外业测定的像控点成果提取特征点和同名像对，再通过连接点匹配、相对定向、区域网联合平差等步骤，最终获取到空中三角测量成果。
（3）实景三维模型制作本项目利用 Smart3D 软件进行实景三维模型的生产，由于模型制作的计算任务量较大，为提高数据处理速度，处理过程中将摄区分割成多个模型单元进行处理，同时工作站采用并行 CPU 框架硬盘[7]。以空三成果作为数据源，Smart3D 软件无需人工干预就能全自动快速生成逼真的实景三维模型。
（4）真正射影像制作根据实景三维模型与空三成果文件，以 Tile 为单位进行格网正射与贴图匹配处理，制作测区真正射影像（TDOM），部分示意图如图 4 所示。
（5）带状地形图测制采用清华山维 EPS 立体测图软件对以上数据进行导入，制作工程文件，由作业员在工程中进行点、线、面等矢量信息绘制，按照大比例尺测图国标标准设定图层与符号，快速、精确地制作高速公路及沿线地物等要素矢量数据。测图成果为初级线划图，经软件导出为 DWG 格式，并采用 CASS9.1 软件进行图形数据编辑。
（6）外业调绘补测矢量数据测图完毕，经粗略编辑后的数字线化图打印输出进行外业调绘，主要工作内容为采用电子调绘的方式对原图上错绘和遗漏的地物、地貌进行补测，测注高程注记点，同时调注各种地理名称、房屋层数结构等，赋予属性信息，外业调绘完成后再转内业进行成果整理，经质量检查合格后完成带状地形图的测制。
3.4 精度检查
为了检测本次实景三维模型成果以及带状地形图的精度，均匀选取三维模型与地形图内房角以及地面具有明显特征的若干个检查点，利用全站仪和 ZJCORS 网络 RTK 实测的方法，将实测坐标与从模型及地形图上量测的解析坐标进行比对，经统计分析后的结果如表 1 所示。 
从表 1 的检查结果可以看出：实景三维模型像控点的平面位置中误差为 2.81cm，高程中误差为 3.35cm；检查点的平面位置中误差为 3.89cm，高程中误差 4.97cm。带状地形图检查点的平面中误差为 4.21cm，高程中误差为 5.23cm，均满足《三维地理信息模型数据产品规范》（CH/T9015-2012）以及《公路勘测规范》（JTGC10-2018）的相关精度要求[8][9]。
4 结束语
本项目利用无人机倾斜摄影测量技术仅用少数工日就成功完成了 147.31km 的公路竣工测量任务，相比传统的工测手段，该技术大大提高了工作效率，节约了人力物力，而且其构建的实景三维模型真实逼真、纹理丰富，生成的真正射影像以及带状地形图在精度上完全满足线型工程的实际生产需求，为线型工程测量提供了一条崭新的技术思路[10]。针对线型工程战线长、专业性强等特点，通过本次应用，我们总结出以下两点建议：
（1）选用长航时、图传距离长的无人机，这样就可以减少飞行架次，节省外业时间。
（2）针对建模处理工作量大的问题，建议工作站采用并行 CPU 框架硬盘，专用硬盘存储可保证快速数据读取及高效计算，处理能力得到极大提高。
关键词：无人机；倾斜摄影测量；线型工程；实景三维模型
1 引言
近年来，为提升经济活力，国家不断增加了基础设施的投资力度，其中，以线型工程居多。线型工程主要包括公路、铁路、石油与燃气管线、供水渠道、高压输电线路工程等，与块状工程相比，线型工程具有投资大、战线长、专业性强、质量标准高、自然环境与社会环境复杂等客观因素[1]，测量作为线型工程最基础的工作，其为线型工程的勘测设计、施工安装以及运营管理提供了重要的数据图件和技术支撑。
传统的线型工程测量手段在实际工作中遇到了以下三方面的问题：
①采用常规测绘仪器如 GPS 和全站仪进行全野外实测，存在工期长、劳动强度大、精度随着线型工程的长度增加而降低等弊端；
②载人大飞机的航测方法受制于空域申请困难，受天气等外在因素影响大，而且使用成本较高；
③基于遥感测绘的手段因受卫星重访周期的影响，影像现势性不高，现阶段精度还难以达到要求。当前，随着测绘行业逐渐向着信息化、智能化的方向发展，以无人机倾斜摄影测量为代表的先进技术已在测绘领域得到广泛应用，其突破了传统测绘方法的技术瓶颈，仅需少量的外业工作，就可快速、高精度地获取到能真实反映地形地貌的三维实景模型数据，通过专业软件进一步处理还可以生成满足各行业生产需求的多种数字化测绘产品，极大地扩展了航空摄影测量技术的应用范围[2]。
2 无人机倾斜摄影测量技术简介
2.1 倾斜摄影测量技术原理
倾斜摄影测量技术是国际遥感领域近年来新兴发展的一项对地观测技术，我国自 2010 年开始引进国内，现已得到迅猛发展。该技术有效融合了近景摄影测量与传统航测技术的优势，但又与传统航测只能单架次获取地面物体下视影像不同，其在飞行平台上增加了与下视方向成 15° 以上的前、后、左、右 4 个倾斜镜头，加上一个下视镜头共五个镜头同时曝光不仅能采集到地面物体的多视角高清立体倾斜影像，同时还能获取到地物的侧面纹理信息[3]（如图 1 所示），所拍摄的影像再借助于全自动高性能后处理系统， 可快速构建出具有地物准确位置和清晰纹理的高分辨率真三维场景，借助于专业数据处理软件不但可以实现地物的三维数字化精准量测，还可进一步生成多种数字化测绘产品，满足各行业的生产用图需求。
图 1 无人机倾斜影像获取示意图
2.2 无人机倾斜摄影测量技术生产流程
无人机倾斜摄影测量是以当下流行的便携、灵活的无人机作为飞行平台，飞机携带五镜头倾斜相机进行影像的采集，其应用于线性工程测量的主要技术流程有：倾斜影像数据采集（外业航飞、像控测量）、倾斜三维建模数据处理（数据预处理、空三处理）、实景三维模型制作、真正射影像制作、带状地形图测制、外业调绘补测[4]（如图 2 所示）。
图 2 无人机倾斜摄影测量技术生产流程
3 实例应用
3.1 项目概况
浙江省“三湾工程”（乐清湾、台州湾、三门湾大桥及接线工程）已于 2019 年 1 月通车运营，该工程是国家高速公路网甬莞高速（编号 G1523）的重要组成部分，三湾工程设计速度 100km/h，全长 147.31km，连接线 18.71km，路基宽度 33.5m。为满足项目土地专项验收、新增建设用地组件报批、不动产登记发证等工作需求，本项目拟采用无人机倾斜摄影测量技术来完成全线竣工复测工作。
3.2 倾斜影像数据采集
（1）外业航飞本项目采用深圳前海雅棋公司生产的哈瓦五镜头倾斜摄影无人机进行外业航飞（如图 3 所示），该型号无人机具有带状区域航线模式，同时具备长航时、图传距离能够达到 10km，适用于长距离线型工程航测。根据区域围线，建立本次飞行计划，在飞行软件中按现场情况设置合理的飞行参数，航向重叠为 75%，旁向重叠为 70%，本项目按照作业范围线路方向敷设航线，一架次航程小于飞行器能到达的最远航程，采用用地红线外扩 ≥130m 以确保本次航测作业全部覆盖摄区。选择有利的气象条件进行外业航飞，最终飞行 30 多个架次，共获取到测区 16978 张倾斜影像，覆盖面积为 32km²。经检查本次航摄摄区未有漏洞，目标区域边界全部覆盖，影像色彩鲜明、反差适中，无明显模糊、重影和错位现象，可用于后期产品的制作。
图 3 哈瓦五镜头倾斜摄影无人机
（2）像控测量为保证成图精度，本项目像控测量全部采用平高点单航带布设方案，按分段 6 点法进行布设[5]。采用 ZJCORS 网络 RTK 系统进行像控点测量，测量时每个控制点观测次数不少于 2 次，每次采样间隔应重启仪器，取各次测量中数作为最终结果。
3.3 倾斜三维建模数据处理
（1）数据预处理航摄飞行获取的原始影像数据使用与相机镜头配套的专业软件进行图像后处理，对每架次飞行获取的影像数据进行及时、认真地检查和预处理，对不合格的区域需进行补飞，确保所有的影像清晰、色彩柔和无反差、拼接无明显重影和错位现象。
（2）空三处理空三处理使用 CC 软件，CC 软件的 AT 模块采用光束法局域网平差，支持垂直影像和倾斜影像同时导入参与空三计算[6]，根据外业测定的像控点成果提取特征点和同名像对，再通过连接点匹配、相对定向、区域网联合平差等步骤，最终获取到空中三角测量成果。
（3）实景三维模型制作本项目利用 Smart3D 软件进行实景三维模型的生产，由于模型制作的计算任务量较大，为提高数据处理速度，处理过程中将摄区分割成多个模型单元进行处理，同时工作站采用并行 CPU 框架硬盘[7]。以空三成果作为数据源，Smart3D 软件无需人工干预就能全自动快速生成逼真的实景三维模型。
（4）真正射影像制作根据实景三维模型与空三成果文件，以 Tile 为单位进行格网正射与贴图匹配处理，制作测区真正射影像（TDOM），部分示意图如图 4 所示。
（5）带状地形图测制采用清华山维 EPS 立体测图软件对以上数据进行导入，制作工程文件，由作业员在工程中进行点、线、面等矢量信息绘制，按照大比例尺测图国标标准设定图层与符号，快速、精确地制作高速公路及沿线地物等要素矢量数据。测图成果为初级线划图，经软件导出为 DWG 格式，并采用 CASS9.1 软件进行图形数据编辑。
（6）外业调绘补测矢量数据测图完毕，经粗略编辑后的数字线化图打印输出进行外业调绘，主要工作内容为采用电子调绘的方式对原图上错绘和遗漏的地物、地貌进行补测，测注高程注记点，同时调注各种地理名称、房屋层数结构等，赋予属性信息，外业调绘完成后再转内业进行成果整理，经质量检查合格后完成带状地形图的测制。
3.4 精度检查
为了检测本次实景三维模型成果以及带状地形图的精度，均匀选取三维模型与地形图内房角以及地面具有明显特征的若干个检查点，利用全站仪和 ZJCORS 网络 RTK 实测的方法，将实测坐标与从模型及地形图上量测的解析坐标进行比对，经统计分析后的结果如表 1 所示。
4 结束语
本项目利用无人机倾斜摄影测量技术仅用少数工日就成功完成了 147.31km 的公路竣工测量任务，相比传统的工测手段，该技术大大提高了工作效率，节约了人力物力，而且其构建的实景三维模型真实逼真、纹理丰富，生成的真正射影像以及带状地形图在精度上完全满足线型工程的实际生产需求，为线型工程测量提供了一条崭新的技术思路[10]。针对线型工程战线长、专业性强等特点，通过本次应用，我们总结出以下两点建议：
（1）选用长航时、图传距离长的无人机，这样就可以减少飞行架次，节省外业时间。
（2）针对建模处理工作量大的问题，建议工作站采用并行 CPU 框架硬盘，专用硬盘存储可保证快速数据读取及高效计算，处理能力得到极大提高。
材料参考来源：浙江测绘
