無人機攝影測量在工程建設中的應用

張 際 澤， 劉 禮

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

巴丹托魯水電站(Batang Toru HEPP)位于印度尼西亞北蘇門答臘省南部的巴丹托魯(Batang Toru)河上，工程區距省會棉蘭(Medan)市約400 km，距離西蘇門答臘省省會巴東市約410 km。工程以發電為主，工程等別為二等大(2)型，總裝機容量為510 MW(4×127.5 MW)，最大壩高71.5 m,正常蓄水位高程427.5 m,對應庫容3.87×106m3。

印尼巴丹托魯水電站建設在人跡罕至的高山密林地區，該工程地形條件復雜，多懸崖峭壁，測量難度極大。若采用常規測量作業方式，現場勞動強度大、效率低且測量人員野外作業極不安全，經研究決定，該項目采用無人機攝影測量手段輔助野外測量作業，取得了較好的效果。

2 無人機攝影測量方法

2.1 測量原理

無人機低空攝影測量技術以獲取高分辨率數字影像為應用目標，以無人駕駛飛機為飛行平臺，以高分辨率數碼相機為傳感器，通過3S技術在系統中集成應用，最終獲取小面積、真彩色、大比例尺、現勢性強的航測遙感數據，然后以數字影片為基礎，由計算機軟件進行影像處理和影像匹配，自動識別相應像點及坐標，運用解析攝影測量的方法確定所攝物體的三維坐標并輸出數字高程模型和正射數字影像，或圖解線劃等高線圖以及帶等高線的正射影像圖等地理信息。

2.2 無人機及軟件

該項目攝影測量選用大疆精靈4 Pro無人機及自帶攝影鏡頭。無人機攝影測量需滿足以下要求[2]：

(1)環境光線穩定；

(2)無人機起飛地點地勢開闊，地面平坦，有穩定的GPS信號；

(3)避免雨天等特殊天氣。

常用的攝影測量數據處理軟件：

(1)飛行控制軟件：飛馬無人機管家。

(2)三維實景建模軟件：ContxetCapture(簡稱CC)。

(3)地形圖繪制軟件：SV360智能三維測繪系統。

2.3 航線設計

依據測量任務書，利用《飛馬無人機管家》的智航線設計功能進行航線、航高、重疊度等航飛參數設計。考慮到測區為零散分布的高山區域，為保障航飛像片的精度，飛行模式選用變高飛行。

2.4 像控點布設

現場實施無人機測量前，需要在測區范圍內由人工布設像控點。相鄰像控點間距根據測圖精度確定，間距為150～400 m[3]。像控點使用標靶布設，標靶為L型標記，線寬約30 cm，長100 cm。使用RTK測量像控點坐標(L型標記拐角內側點坐標)。

2.5 攝影測量

采用鋰電池動力無人機執行航飛任務。航飛模式為正攝變高飛行，航飛高度為73～150 m，空間分辨率(GSD)為2～5 cm，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%。

2.6 空三處理

將無人機采集到的像片上傳至CC軟件，導入像控點坐標。選中其中一個像控點，在像片中查找含有該像控點的像片并一一刺點。當所有含有像控點的像片刺點完成后進行空三處理。空三處理完成后，檢查空三處理結果，直至全部像控點空三處理合格。

2.7 三維建模

空三處理合格后，利用CC建模軟件開始自動三維建模，生成DSM/DOM模型。

2.8 模型檢查

實景三維模型生成后，在三維模型中提取像控點、特征點、檢查點三維坐標，與現場RTK測量的三維坐標進行比較，判斷模型的精度及準確性。三維模型檢查合格后，可用模型進行設計方案選擇、道路勘探、地形圖繪制、項目管理等工作。

3 應用案例

3.1 大壩地形圖測量

3.1.1 地形條件

大壩區域河面寬約20 m，兩岸地勢陡峭，植被茂密，地形平均坡度大于40°，給測量工作帶來了很大困難。測量壩區地形時GPS不能使用，全站儀免棱鏡能在河兩岸互相測量部分河對岸上的部分地形點。河面寬度及河面上30 m范圍內全部不能測量，故大壩部分地形圖主要采用無人機攝影測量。

3.1.2 技術要求

根據美標測量規范，大壩區地形圖設計比例為1∶500，等高線間距為1 m，其特征點坐標、高程點高程的RMSE限差要求見表1。

表1 地形圖精度要求(美標)[4]表

3.1.3 無人機攝影測量

該項目外業控制測量平面采用墨卡托投影、印尼國家坐標系，高程采用印尼國家高程基準。航測像控點布設主要利用GPS-RTK接收機進行坐標點量測，整個大壩區域共布設8個像控點，11個檢查點。

大壩區地面起伏較大，最大高差為210 m，因此，無人機攝影測量選擇正攝變高飛行，飛行相對地面高度為73 m，空間分辨率(GSD)為2 cm，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%。整個航攝飛行時間為30 min，分兩次完成，共拍攝463張航片。

3.1.4 三維建模

航片拍攝完成后，將具有空間信息數據的航片導入CC建模軟件，經空三處理、像控刺點、建模等流程生成實景三維模型。

3.1.5 模型檢查分析

三維模型生成后(圖1)，共檢查了平面特征點11個點，高程點檢查了13個點，其誤差統計見表2、3。

圖1 大壩三維模型圖

表2 特征點坐標檢查統計表

表3 高程點高程檢查統計表

經比較得知，11個平面特征點坐標誤差最大的為9.2 cm，RMSE值為：X=0.023 m，Y=0.053 m；高程點高程最大誤差為13.7 cm,RMSE值為：H=0.048 m；其數字模型滿足美標規范要求。

最后，打開SV360智能繪圖軟件，加載三維模型，繪制設計所需要的地形圖。

3.2 R4路勘測

3.2.1 R4路現場實際情況

R4道路位于巴丹托魯河右岸、廠房下游，設計路線長5 493.701 m，其中K2+462.020～K2+872.737跨過兩個高邊坡塌方段。毛路修到K1+800位置時據現場工作人員反映，按照設計線路，高邊坡塌方處道路不能通過，需要技術部確定施工方案。項目負責人要求測量協助工程技術人員進行現場踏勘，測量并采集數據，以供技術部研究制定道路線性方案。

R4毛路K0+000～K1+800段初步形成路基，但沒有整修成型，車輛不能行使，需步行30 min。K1+800～K2+462.02段由于沒有清理，植被密集、溝壑縱橫，比較難走，行走需時間3 h。如果采用常規測量，往返的路上就要花7～8 h，現場工作沒法開展，經研究決定采用無人機攝影測量。

3.2.2 無人機攝影測量

R4道路K2+462.02～K2+872.737段河寬40 m，左岸有長300 m、寬20 m左右的河灘，適合布設像控點和無人機起飛。無人機攝影測量選擇正攝變高飛行，飛行高度為90 m，空間分辨率(GSD)為2.5 cm，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%。

3.2.3 成果應用

三維模型生成后(圖2)，由技術部根據三維模型研究確定路線方案。

圖2 R4道路K2+462.02～K2+872.737段三維模型圖

4 無人機攝影測量具有的優點及優勢

攝影測量生成的實景三維模型主要具有以下優點:

(1)機動、靈活和安全性高。無人機具有靈活機動的特點，受空中管制和氣候的影響較小，能夠在惡劣環境下直接獲取影像，即便是設備出現故障，也不會出現人員傷亡，具有較高的安全性。

(2)成本相對較低、操作簡單。無人機低空航攝系統使用成本低，耗費低，對操作員的培養周期相對較短，系統的保養和維修簡便，無需機場起降，是當前唯一將攝影與測量集為一體的航攝方式，可實現測繪單位按需開展航攝飛行作業這一理想生產模式。

(3)周期短、效率高。對于面積較小的大比例尺地形測量任務(10～100 km2)，受天氣和空域管理的限制較多，大飛機航空攝影測量成本高;采用全野外數據采集方法成圖，作業量大，成本亦較高。而將無人機遙感系統進行工程化、實用化開發，則可利用其機動、快速、經濟等優勢，在陰天、輕霧天也能獲取合格的影像，從而將大量的野外工作轉入內業，既能減輕勞動強度，又能提高作業的效率和精度。

(4) 真實性。傾斜影像能讓用戶從多個角度觀察，可以更真實地再現地物的實際情況，無限逼近真實世界，彌補了傳統正射影像的不足。

(5)可量測性。傾斜影像通過配套軟件的應用，可以直接基于成果影像進行高度、長度、面積、角度的量測，實時獲取數據。

(6) 豐富紋理。與傳統垂直影像相比，傾斜影像具有自己獨特的優勢: 它能提供豐富的建筑物立面信息。有了建筑物的立面信息，即獲取了建筑物表面紋理，對于三維建模等方面具有深遠的影響。

5 結 語

此次無人機攝影測量在巴丹托魯項目成功應用的經驗表明：多數情況下，無人機攝影測量技術可以取代勞動強度大、工作效率低、傳統的地形圖測量方式，其具有操作簡便、速度快、采集信息量大等優點，可為工程建設項目管理全壽命周期進行增值，使建設過程更經濟、高效和便捷[5]。