無人機(jī)傾斜攝影測量在城市建筑物竣工測量中的應(yīng)用

吳國榮，李甫群，彭軍文，黃江雄

(長沙市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，湖南 長沙 410007)

1 引 言

隨著城市的發(fā)展，城市規(guī)劃在城市管理和建設(shè)中扮演著越來越重要的角色。規(guī)劃竣工驗(yàn)收測量是規(guī)劃監(jiān)督測量的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，是城市規(guī)劃行政主管部門進(jìn)行建筑規(guī)劃竣工驗(yàn)收的主要依據(jù)，具有權(quán)威性和法律意義[1]。

傾斜攝影測量技術(shù)是指通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時(shí)從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜等5個(gè)不同的角度采集影像[2]，該技術(shù)通過低空多視鏡頭攝影獲取高清立體影像數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成三維地理信息模型[3]。本項(xiàng)目采用以傾斜攝影測量、實(shí)景三維建模技術(shù)為主，以傳統(tǒng)竣工測量為輔的路線。該作業(yè)方式能有效減少野外作業(yè)工作量，將能在室內(nèi)三維實(shí)景上采集完成的要素在室內(nèi)完成，最后在野外進(jìn)行必要的補(bǔ)測、調(diào)繪，最終得到符合要求的竣工測量成果。該成果還能為規(guī)劃驗(yàn)收提供更為豐富、直觀的數(shù)據(jù)信息，輔助行政審批部門管理決策[4，7，9]。

2 技術(shù)流程

2.1 儀器及軟件

野外作業(yè)采用無人機(jī)航空傾斜攝影測量方法完成。同時(shí)對于控制測量、主要建筑物技術(shù)指標(biāo)采集、地下綜合管線測量、航攝漏洞等則采用全野外“全站儀+GPS RTK”數(shù)字測圖方法完成。內(nèi)業(yè)處理將影像、相機(jī)參數(shù)、定位定姿信息、像控點(diǎn)成果作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用Bentley Context Capture軟件在全數(shù)字?jǐn)z影測量工作站上完成空中三角測量。數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查以及地理信息數(shù)據(jù)集庫更新采用清華山維EPS2008地理信息工作站。

2.2 作業(yè)流程

鑒于該項(xiàng)目測區(qū)面積大，建筑物數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及項(xiàng)目工期要求緊，我們大膽創(chuàng)新地使用“無人機(jī)航空傾斜攝影實(shí)景三維建模技術(shù)+傳統(tǒng)竣工測量技術(shù)”的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和成果資料的整理，作業(yè)過程中利用到的關(guān)鍵技術(shù)及其作用如下：

(1)無人機(jī)傾斜航空攝影測量技術(shù)

利用無人機(jī)搭載五鏡頭的傾斜相機(jī)組，拍攝地面的傾斜航片，以此獲取航片資料，為攝影測量技術(shù)輔助竣工測量打下數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(2)GPS虛擬基站技術(shù)

無人機(jī)航攝時(shí)，配有后差分PPK模塊，需要GPS虛擬基站數(shù)據(jù)才能實(shí)施POS數(shù)據(jù)的后差分改正。本項(xiàng)目GPS虛擬基站技術(shù)是在長沙市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院“長株潭GNSS CORS系統(tǒng)”中，虛擬項(xiàng)目區(qū)域位置和航飛時(shí)刻的靜態(tài)基站數(shù)據(jù)，用以實(shí)現(xiàn)后差分姿態(tài)位置改正，以提高POS初始值的準(zhǔn)確度。

(3)五鏡頭聯(lián)合空三技術(shù)

本項(xiàng)目通過無人機(jī)同時(shí)獲取了5個(gè)相機(jī)鏡頭的航片，通過五鏡頭聯(lián)合空三平差技術(shù)，使得每個(gè)鏡頭的照片數(shù)據(jù)可以統(tǒng)一到相同的位置上來，并且通過聯(lián)合平差，5個(gè)鏡頭的數(shù)據(jù)都具有相同的精度，保證了后續(xù)實(shí)景三維建設(shè)和傾斜三維測繪竣工圖要素的實(shí)施可靠性。

(4)實(shí)景三維建模技術(shù)

利用實(shí)景三維建模技術(shù)，建立每個(gè)區(qū)塊的實(shí)景三維，將野外的實(shí)景搬到室內(nèi)來多角度顯示、測繪[8]。利用航攝成果匹配出實(shí)景地表的DSM，三維建模的同時(shí)獲取每個(gè)位置包括建筑等高出地面地物的側(cè)面真實(shí)紋理。通過該技術(shù)的實(shí)施，得到了實(shí)景三維場景，為竣工圖要素航內(nèi)測繪創(chuàng)建基礎(chǔ)環(huán)境。

(5)“傳統(tǒng)立體模型測圖”聯(lián)合“三維實(shí)景模型測圖”技術(shù)

傳統(tǒng)立體模型測圖是利用下視鏡頭的航片空三建模，該方法局部區(qū)域會含有投影差，進(jìn)入三維實(shí)景界面進(jìn)行三維實(shí)景模型測圖，場景視角可以隨意旋轉(zhuǎn)，消除投影差，提高作業(yè)速度，確保成果精度。

本項(xiàng)目作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 作業(yè)流程圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 測區(qū)概況

本項(xiàng)目位于長沙市開福區(qū)青竹湖鎮(zhèn)，東為青竹湖路，南為開福大道，北臨高爾夫球場，測區(qū)面積42.01萬平方米，建有雙拼、聯(lián)排及獨(dú)棟形式的別墅共計(jì)271棟。

圖2 測區(qū)范圍航拍圖

3.2 項(xiàng)目實(shí)施

(1)航攝數(shù)據(jù)來源

本項(xiàng)目采用了無人機(jī)加載高精度PPK、GPS/IMU、五鏡頭傾斜攝影平臺，同時(shí)從垂直、前方、后方、左側(cè)、右側(cè)5個(gè)不同角度以大范圍、高精度、高分辨率的方式全方位感知復(fù)雜場景，采集多源POS、航片數(shù)據(jù)。本次傾斜攝影主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

傾斜攝影主要技術(shù)參數(shù) 表1

攝影航線圖如圖3所示。

圖3 攝影航線圖

(2)空三測量

基于CSCORS在測區(qū)構(gòu)建的虛擬基站數(shù)據(jù)，對高精度PPK位置信息進(jìn)行后差分處理，結(jié)合GPS/IMU定位定姿數(shù)據(jù)融合解算，獲取高精度的定位定姿信息[5，6]，將影像、相機(jī)(按國家有關(guān)主管部門要求進(jìn)行檢驗(yàn))參數(shù)、定位定姿信息、像控點(diǎn)成果作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用Bentley ContextCapture軟件在全數(shù)字?jǐn)z影工作站上完成空中三角測量。空三測量采用全數(shù)字加密方法，以像片上量測的像點(diǎn)坐標(biāo)為依據(jù)，采用嚴(yán)密的數(shù)學(xué)模型，按最小二乘原理用少量地面控制點(diǎn)為平差條件，采用光束法為測圖求解可靠的定向點(diǎn)。空三加密控制點(diǎn)平差如圖4所示。

圖4空三加密控制點(diǎn)平差

(3)室內(nèi)立體測圖

本項(xiàng)目基于未畸變下視影像、下視影像外方位元素、空三解算后相機(jī)參數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行傳統(tǒng)立體測圖。采用航天遠(yuǎn)景MapMaxtrix全數(shù)字?jǐn)z影測量工作站進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集，直接將加密像對導(dǎo)入工作站，然后在全數(shù)字采編一體化平臺EPS的立體測圖菜單下調(diào)用立體像對進(jìn)行航測室內(nèi)立體測圖，采集本項(xiàng)目竣工測量要素，如圖5所示。

圖5傳統(tǒng)立體測圖

(4)三維實(shí)景竣工測圖

這是一種全新的立體測圖方法，它是通過立體多視角全方位、高精度提取地物地貌及其屬性信息。這種方法內(nèi)業(yè)繪圖人員無須佩戴立體眼鏡，降低了傳統(tǒng)竣工測量的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了繁重的外業(yè)全數(shù)字測圖工作內(nèi)容，極大地節(jié)約了資源、能源以及人力，真正做到了節(jié)能減排、創(chuàng)新環(huán)保。過程展示如圖6所示。

圖6三維實(shí)景竣工測圖

(5)數(shù)據(jù)成果

正射影像圖、實(shí)景三維模型采用航空傾斜攝影測量方法獲取；DLG竣工測量成果基于“實(shí)景三維模型+傳統(tǒng)立體測圖+傳統(tǒng)竣工測圖”三種聯(lián)合手段獲得。作業(yè)過程中還能獲取大量的中間成果，如：目標(biāo)區(qū)域點(diǎn)云、三維模型、DEM、DOM等，這些成果能為其他勘測設(shè)計(jì)工作服務(wù)，可謂達(dá)到“一舉多得”“外事內(nèi)做”“節(jié)能減排”的目標(biāo)。部分成果如圖7所示。

圖7項(xiàng)目部分成果圖

3.3 結(jié)果分析

為了保證測量成果的精度和可靠性，本次試驗(yàn)采用全數(shù)字野外采集與傾斜航空攝影測量成果比對的方法進(jìn)行精度評定，結(jié)果表明，測量精度滿足《城市測量規(guī)范》(CJJ/T 8-2011)中建筑規(guī)劃竣工測繪相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。部分精度對比結(jié)果如表2所示。

精度統(tǒng)計(jì)表 表2

4 結(jié) 語

本項(xiàng)目利用多鏡頭傾斜攝影測量的一系列技術(shù)輔助城市小區(qū)竣工測量，是一種降低成本、改善工作環(huán)境、高效率、高精度的作業(yè)方式。通過將無人機(jī)航空傾斜攝影測量技術(shù)、GPS虛擬基站技術(shù)、五鏡頭聯(lián)合空三技術(shù)、實(shí)景三維建模技術(shù)、“傳統(tǒng)立體模型測圖”聯(lián)合“三維實(shí)景模型測圖”技術(shù)、室內(nèi)三維實(shí)景竣工要素拾取技術(shù)等多技術(shù)結(jié)合，有效實(shí)現(xiàn)了將外業(yè)工作搬到室內(nèi)來實(shí)現(xiàn)的愿景。這一方式的運(yùn)用，使得外業(yè)測繪不再因?yàn)橛晏斓⒄`工期，不再因?yàn)閻毫拥墓ぷ鳝h(huán)境傷害員工身體，是環(huán)保節(jié)能、高效、高精度的技術(shù)融合路線。傳統(tǒng)竣工測量與多鏡頭傾斜攝影測量技術(shù)的完美融合，是本項(xiàng)目的技術(shù)亮點(diǎn)。通過本項(xiàng)目技術(shù)路線的嘗試，我們可以將該技術(shù)延伸到其他外業(yè)測繪領(lǐng)域，比如：線路測量、現(xiàn)狀地形圖測繪、規(guī)劃監(jiān)督執(zhí)法測繪等。