無(wú)人機(jī)傾斜攝影和激光掃描在竣工測(cè)量中的應(yīng)用

曹廣棟 韓 帥

(1. 南京市浦口區(qū)城市地下管線(xiàn)管理中心, 江蘇 南京 211800;2. 南京建信測(cè)繪技術(shù)有限公司, 江蘇 南京 211800)

0 引言

隨著技術(shù)發(fā)展,三維可視化的應(yīng)用已為規(guī)劃審批、管理和決策帶來(lái)了革命性的變化[1-2]。南京市政府辦公廳印發(fā)了《運(yùn)用建筑信息模型系統(tǒng)進(jìn)行工程建設(shè)項(xiàng)目審查審批和城市信息模型平臺(tái)建設(shè)試點(diǎn)工作方案》的通知,強(qiáng)調(diào)要運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息化手段推進(jìn)審批程序和管理方式的變革,建立具有規(guī)劃審查、施工圖審查、竣工驗(yàn)收備案等功能的三維可視化的城市信息模型(City Information Modeling,CIM)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)對(duì)房屋設(shè)計(jì)、建設(shè)到交付使用后的全壽命周期安全監(jiān)管[3]。傾斜攝影技術(shù)通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器,同時(shí)從垂直、傾斜等不同的角度采集影像,獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息[4-6]。影像數(shù)據(jù)處理后可生產(chǎn)4D產(chǎn)品、三維點(diǎn)云及實(shí)景三維模型[7],能夠較好地響應(yīng)CIM平臺(tái)建設(shè)的指標(biāo)要求,為規(guī)劃核實(shí)工作提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

1.1 技術(shù)方法

傳統(tǒng)竣工測(cè)量多為使用全站儀、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)接收機(jī)等測(cè)量設(shè)備,進(jìn)行全野外數(shù)字采集,內(nèi)業(yè)處理成圖。傾斜攝影技術(shù)可在短時(shí)間內(nèi)獲取大范圍的影像數(shù)據(jù),將傾斜攝影技術(shù)和全野外數(shù)字采集技術(shù)相結(jié)合,可較大地提升作業(yè)效率,有效降低項(xiàng)目成本。三維激光掃描技術(shù)是通過(guò)三維激光掃描儀發(fā)射激光,獲取被測(cè)物體表面三維坐標(biāo)、反射強(qiáng)度等多種信息的非接觸式主動(dòng)測(cè)量技術(shù)[8-10]。三維掃描激光點(diǎn)云與傾斜點(diǎn)云相比,具有密度大、精度高的特點(diǎn)。將兩者進(jìn)行結(jié)合可優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),既能保證生產(chǎn)效率,又能保證傾斜攝影被遮擋區(qū)域點(diǎn)云的完整性,提高數(shù)據(jù)精度。

1.2 項(xiàng)目測(cè)區(qū)概況

測(cè)區(qū)位于南京市浦口區(qū)橋林街道,如圖1所示,為已建成即將交付的住宅小區(qū)。范圍內(nèi)有高壓線(xiàn)塔,高度約40 m,建筑物多為18層,最高點(diǎn)為房屋頂部造型部分,相對(duì)地面高差近70 m,房屋結(jié)構(gòu)較為規(guī)整,外觀較為統(tǒng)一。小區(qū)內(nèi)有道路、綠化、車(chē)位、配電房等附屬設(shè)施。建筑存在較多空調(diào)機(jī)位、天井、大面積半落地玻璃窗、太陽(yáng)能電池板等。

圖1 測(cè)區(qū)位置及現(xiàn)場(chǎng)照片

1.3 技術(shù)流程

本項(xiàng)目在實(shí)施前進(jìn)行了踏勘、航飛數(shù)據(jù)試采、技術(shù)方法驗(yàn)證等準(zhǔn)備工作。制定全野外數(shù)字采集的控制網(wǎng)布設(shè)和采集技術(shù)方案,確定無(wú)人機(jī)安全飛行高度、規(guī)劃安全飛行航線(xiàn),選定全彩色激光掃描的單棟房屋。在統(tǒng)一時(shí)間框架內(nèi),使用相同的采集系統(tǒng),有效降低系統(tǒng)誤差對(duì)成果數(shù)據(jù)對(duì)比的影響,確保本次數(shù)據(jù)對(duì)比的真實(shí)性和可靠性。技術(shù)設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 技術(shù)設(shè)計(jì)流程圖

1.3.1傳統(tǒng)全野外數(shù)字采集

使用GNSS接收機(jī)連接南京連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)參考站(Continuously Operating Reference Stations,CORS)網(wǎng)布設(shè)首級(jí)控制網(wǎng),采用三維測(cè)量技術(shù)對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)部進(jìn)行控制網(wǎng)加密。數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和成果輸出嚴(yán)格按照《南京市建設(shè)工程(建筑類(lèi))規(guī)劃竣工測(cè)量技術(shù)規(guī)程(試行)》(NJCH010-2018,以下簡(jiǎn)稱(chēng)“竣工測(cè)量技術(shù)規(guī)程”)規(guī)定執(zhí)行。

1.3.2無(wú)人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)采集

本項(xiàng)目采用哈瓦測(cè)繪無(wú)人機(jī)搭載哈瓦傾斜五相機(jī)模塊,該飛行平臺(tái)安全性較高,具有GPS、磁系統(tǒng)、飛控等多系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì),攝影平臺(tái)有效像素1.92億。如圖3所示。

圖3 無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)

項(xiàng)目作業(yè)時(shí)間為冬季12月份,需充分考慮太陽(yáng)高度角和日照情況,選擇飛行時(shí)間為11:30～14:30之間,確保生產(chǎn)模型的視覺(jué)效果。因測(cè)區(qū)內(nèi)房屋較密且多為高層,航線(xiàn)規(guī)劃綜合考慮落差的因素,在確保整體模型優(yōu)于2 cm的情況下,選擇雙層航線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。具體如圖4、表1所示。

圖4 航線(xiàn)規(guī)劃

表1 航線(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)表

本項(xiàng)目共布設(shè)像控點(diǎn)20個(gè),其中地面像控點(diǎn)15個(gè),樓頂像控點(diǎn)5個(gè)。相控點(diǎn)平面測(cè)量和高程測(cè)量方法嚴(yán)格按照《數(shù)字航空攝影測(cè)量控制測(cè)量規(guī)范(CH/T 3006—2011)》要求執(zhí)行,技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足《全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量(RTK)技術(shù)規(guī)范(CH/T 2009—2010)》各項(xiàng)要求。

1.3.3三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

本項(xiàng)目選用FARO FocusS 350S作為激光數(shù)據(jù)的采集平臺(tái)。F350S三維掃描儀測(cè)量速度高達(dá)976 000點(diǎn)/s,掃描有效范圍可達(dá)350 m。本項(xiàng)目挑選了一棟代表性的房屋進(jìn)行三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集工作,對(duì)架站高度約為70 m。

1.4 數(shù)據(jù)成果

本項(xiàng)目全野外數(shù)字采集工作使用南方開(kāi)思9.0軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理。傾斜數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理嚴(yán)格使用ContextCapture Center軟件進(jìn)行刺像控點(diǎn)、空中三角測(cè)量、生成點(diǎn)云、融合三維激光點(diǎn)云、分別構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)、分別輸出實(shí)景三維模型等工作,如圖5所示。傾斜攝影模型、三維激光點(diǎn)云融合模型數(shù)據(jù)均使用地理信息工作站(Extend Geograph Platform of Sunway,EPS)進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集。三維激光點(diǎn)云內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)通過(guò)使用軟件將las格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為rcs格式,并完成不同層級(jí)的點(diǎn)云切割,使用南方CASS 3D軟件分別對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分層采集并輸出dwg格式數(shù)據(jù)成果。

圖5 傾斜攝影數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理流程

通過(guò)3種不同技術(shù)采集手段,獲得的成果包括：平面圖、立面圖、綠化圖、停車(chē)位圖、傾斜三維模型、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)、激光點(diǎn)云融合傾斜模型等,如圖6所示。并分別對(duì)傾斜實(shí)景三維模型、激光掃描數(shù)據(jù)和激光傾斜融合模型數(shù)據(jù)進(jìn)行了專(zhuān)項(xiàng)采集、精度指標(biāo)對(duì)比和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比。

圖6 傾斜模型

本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)比不同的數(shù)據(jù)成果,分析傳統(tǒng)作業(yè)模式和無(wú)人機(jī)傾斜攝影、激光點(diǎn)云相比的精度達(dá)標(biāo)情況。全野外數(shù)字采集成果經(jīng)檢查精度合格,本文以全野外數(shù)字采集成果作為精度比對(duì)工作的數(shù)據(jù)基準(zhǔn)。

2.1 平面精度對(duì)比

根據(jù)“竣工測(cè)量技術(shù)規(guī)程”規(guī)定,條件點(diǎn)位中誤差為5 cm,非條件點(diǎn)位中誤差為7 cm,竣工測(cè)量平面精度要求見(jiàn)表2。

表2 竣工測(cè)量平面精度表 單位：cm

2.1.1 全野外數(shù)字采集和傾斜攝影模型采集數(shù)據(jù)精度對(duì)比

本項(xiàng)目使用全野外數(shù)字采集和傾斜攝影兩種方法,在測(cè)區(qū)內(nèi)開(kāi)展了全要素采集工作。為保證對(duì)比數(shù)據(jù)的真實(shí)有效,參考外業(yè)檢查不低于10%的要求,在整個(gè)測(cè)區(qū)25棟房屋、100個(gè)條件點(diǎn)中隨機(jī)抽選了12個(gè)條件點(diǎn)作為全野外數(shù)字采集成果和全測(cè)區(qū)三維模型成果平面精度對(duì)比依據(jù),對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 全站儀與模型條件點(diǎn)精度對(duì)比表 單位：m

2.1.2多方法融合精度對(duì)比

通過(guò)前期現(xiàn)場(chǎng)踏勘,根據(jù)測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)情況,綜合考慮標(biāo)靶布設(shè)、儀器架站位置等因素,本項(xiàng)目選取了中心廣場(chǎng)前方的14號(hào)樓作為激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集對(duì)象。同時(shí)在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中,將傾斜攝影生成的空三數(shù)據(jù)和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了融合并生成融合模型。參考外業(yè)檢查不低于10%的要求,在該棟房屋12個(gè)明顯拐點(diǎn)中隨機(jī)選取了5個(gè)條件點(diǎn)進(jìn)行精度對(duì)比工作,結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 多方法融合條件點(diǎn)精度對(duì)比表 單位：m

2.2 垂直精度對(duì)比

根據(jù)“竣工測(cè)量技術(shù)規(guī)程”規(guī)定,地物點(diǎn)高程中誤差為4 cm。在本次數(shù)據(jù)對(duì)比中,通過(guò)選擇全野外數(shù)字測(cè)量時(shí)采集的高程點(diǎn)點(diǎn)位,并在模型數(shù)據(jù)內(nèi)進(jìn)行放樣,在相同的平面位置下選擇高程數(shù)據(jù)。在測(cè)區(qū)內(nèi)25棟建筑物中隨機(jī)選擇了10棟房屋作為對(duì)比基礎(chǔ),對(duì)比數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 垂直精度對(duì)比表 單位：m

2.3 邊長(zhǎng)精度對(duì)比

根據(jù)“竣工測(cè)量技術(shù)規(guī)程”規(guī)定,建設(shè)單位提供的施工圖進(jìn)行實(shí)地尺寸核實(shí),其實(shí)測(cè)邊長(zhǎng)與圖紙標(biāo)注限差見(jiàn)表6,因此,在本次數(shù)據(jù)比對(duì)工作當(dāng)中,參考限差范圍對(duì)邊長(zhǎng)采集精度進(jìn)行評(píng)估。

表6 實(shí)測(cè)邊長(zhǎng)D與圖紙標(biāo)注邊長(zhǎng)限差 單位：m

本次隨機(jī)選擇了測(cè)區(qū)內(nèi)25棟建筑物中的10棟房屋,進(jìn)行了全站儀采集數(shù)據(jù)邊長(zhǎng)與模型采集數(shù)據(jù)邊長(zhǎng)的數(shù)據(jù)對(duì)比,結(jié)果均滿(mǎn)足精度要求,具體見(jiàn)表7。

表7 邊長(zhǎng)精度對(duì)比表 單位：m

2.4 精度指標(biāo)對(duì)比分析

從表8可以看出,使用相同的方法分別對(duì)不同技術(shù)手段獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明,無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)、三維激光點(diǎn)云掃描技術(shù)以及兩者的融合模型在平面、高程精度方面均能夠滿(mǎn)足竣工測(cè)量精度要求。將三維激光點(diǎn)云和傾斜攝影測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合,也能夠?qū)o(wú)人機(jī)傾斜攝影的模型空洞和缺失等問(wèn)題進(jìn)行補(bǔ)充完善。

表8 精度匯總對(duì)比表 單位：m

2.5 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

“竣工測(cè)量技術(shù)規(guī)程”中要求測(cè)量成果包括：平面圖、立面圖、建筑分層平面布局圖、地下空間等,因?yàn)槭軆A斜攝影技術(shù)本身限制,無(wú)法對(duì)傳統(tǒng)竣工測(cè)量工作完全取代。因此,如何將傾斜攝影測(cè)量技術(shù)融入傳統(tǒng)竣工測(cè)量工作當(dāng)中,提升傳統(tǒng)作業(yè)方法的效率,減輕作業(yè)壓力,降低外業(yè)風(fēng)險(xiǎn),是本項(xiàng)目探討的關(guān)鍵所在。

2.5.1技術(shù)優(yōu)勢(shì)

通過(guò)對(duì)比表9～10可以發(fā)現(xiàn),無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的介入,主要在以下幾個(gè)方面得到有效提升：

表9 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比表

(1)減少外業(yè)工作量。通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影獲取的影像數(shù)據(jù)和三維模型?？梢杂糜趦?nèi)部道路、綠化、地面停車(chē)位、圍墻、建筑物外輪廓面等大量地表要素進(jìn)行內(nèi)業(yè)采集,大幅減少了傳統(tǒng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集的工作量。

(2)降低外業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。在保障高程精度的前提下,將一些危險(xiǎn)的測(cè)量工作通過(guò)三維模型的內(nèi)業(yè)采集完成,如女兒墻、高層建筑物樓頂?shù)?有效降低了外業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

表10 效率對(duì)比表

(3)提升成果質(zhì)量。傳統(tǒng)的測(cè)量作業(yè)方式,一天采集1 000～2 000個(gè)點(diǎn)位,需要內(nèi)外業(yè)有效結(jié)合確定圖紙的正確性。通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影獲取的三維模型可以清晰地將實(shí)景再現(xiàn),較好的提升數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,可減少甚至取代外業(yè)的調(diào)繪工作。

(4)豐富成果內(nèi)容。通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取航空影像數(shù)據(jù),可生產(chǎn)數(shù)字正射影像(Digital Orthophoto Map，DOM)、數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)、數(shù)字線(xiàn)劃圖(Digital Line Graphic，DLG)、數(shù)字柵格地圖(Digital Raster Graphic，DRG)、實(shí)景三維模型等多種數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包含準(zhǔn)確的時(shí)間系統(tǒng)框架和地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù),可以隨時(shí)調(diào)取并快速實(shí)現(xiàn)實(shí)景還原,可有效作為規(guī)劃核實(shí)的見(jiàn)證。同時(shí)數(shù)據(jù)可廣泛應(yīng)用于智能樓宇、物業(yè)智能化管理等平臺(tái)建設(shè)中。

2.5.2技術(shù)限制

受無(wú)人機(jī)傾斜攝影的技術(shù)限制,現(xiàn)階段,傳統(tǒng)作業(yè)方法是必不可少且無(wú)可取代的,主要包括：

(1)控制測(cè)量。對(duì)傾斜攝影模型而言,像控點(diǎn)的精度決定了整個(gè)模型的精度,根據(jù)“竣工測(cè)量技術(shù)規(guī)程”要求,規(guī)劃竣工測(cè)量的首級(jí)控制應(yīng)采用不低于一次附合圖根導(dǎo)線(xiàn)的平面控制點(diǎn)和同級(jí)圖根高程控制點(diǎn)。因此,對(duì)于首級(jí)控制網(wǎng)的布設(shè)和像控點(diǎn)的加密,控制測(cè)量是不可替代且至關(guān)重要的。

(2)地下空間、分層測(cè)量等。根據(jù)“竣工測(cè)量技術(shù)規(guī)程”要求,測(cè)量成果包含地下空間、分層布局圖、室內(nèi)地坪標(biāo)高等要素,傾斜攝影技術(shù)無(wú)法完成該部分?jǐn)?shù)據(jù)的采集。

(3)陽(yáng)臺(tái)、飄窗、天井等。本項(xiàng)目建筑物包含了較多的天井、飄窗和落地窗,因?yàn)檫M(jìn)深較大無(wú)陽(yáng)光照射、玻璃反光等因素,傾斜攝影技術(shù)無(wú)法準(zhǔn)確地判定陽(yáng)臺(tái)與房屋結(jié)構(gòu)的分界線(xiàn)、飄窗與房屋主體的分界線(xiàn)、狹長(zhǎng)天井準(zhǔn)確表面位置等,該部分?jǐn)?shù)據(jù)仍需外業(yè)傳統(tǒng)測(cè)繪采集。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文從精度和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)兩個(gè)方面對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在竣工測(cè)量項(xiàng)目中的應(yīng)用進(jìn)行了綜合對(duì)比和分析,采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)輔助竣工測(cè)量,能夠在有效提升作業(yè)和經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí),實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)時(shí)間點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景的永久保存。同時(shí)獲取二維和三維地理信息數(shù)據(jù),彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)量工作中二維數(shù)據(jù)的不足,在三維層面為規(guī)劃審批、輔助決策、城管執(zhí)法、物業(yè)管理等工作提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)保障。