無人機(jī)傾斜攝影在市政道路設(shè)計中的應(yīng)用

常 遠(yuǎn) 張 勝

(1. 吉林省交通規(guī)劃設(shè)計院, 吉林 長春 130021;2. 中國地質(zhì)調(diào)查局廊坊自然資源綜合調(diào)查中心, 河北 廊坊 065000)

0 引言

隨著城市建設(shè)力度的不斷加強,原有的一些市政道路已經(jīng)無法滿足現(xiàn)在人們正常的出行需求,對市政道路進(jìn)行改造能夠在一定程度上有效緩解交通壓力,為城市居民日常出行帶來巨大的便利。市政道路改造設(shè)計是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程,需要多個專業(yè)相互配合,以確保各環(huán)節(jié)銜接順暢[1]。市政道路改造設(shè)計對于測繪精度要求高,測繪成果要能準(zhǔn)確地擬合現(xiàn)有道路的平縱線型[2],特別是涉及重大橋梁改造時,要準(zhǔn)確施測出橋梁的平面及高程位置信息。

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是國際測繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來的一項高新技術(shù),該技術(shù)通過在無人機(jī)飛行平臺上搭載多鏡頭傳感器,能夠同時從一個垂直、多個傾斜的角度采集影像,從影像中提取地物的空間位置、建筑結(jié)構(gòu)、色彩與紋理等,然后按照統(tǒng)一的坐標(biāo)系迅速建立實景三維模型[3-6]。這種實景三維模型一方面能夠真實準(zhǔn)確地反映地物情況,另一方面能夠?qū)⒂脩粢敕先搜垡曈X的真實直觀世界,具有高精度、可量測的特點[7]。

近年來國內(nèi)學(xué)者對于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)開展了諸多研究。李紅梅等[8]利用無人機(jī)在公路設(shè)計路線附近建立傾斜攝影模型,更直觀更立體的實現(xiàn)在三維場景中的勘察設(shè)計工作。樂志豪等[9]利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行了實景三維建模,為道路項目測圖提供了新的解決方案。石磊[10]采用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)實施某道路測量,成果精度滿足設(shè)計及相關(guān)規(guī)范要求。劉兆等[11]以傾斜攝影測量技術(shù)在城市大比例尺地形測繪工作中的應(yīng)用為例,探討其成果質(zhì)量控制的主要技術(shù)要點。陳陳等[12]探討了基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的地理信息獲取和原始影像的處理方法。佘宏偉[13]對建筑信息模型(building information model,BIM)與傾斜攝影技術(shù)在道路橋梁優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。耿濤[14]探討融合BIM技術(shù)與無人機(jī)傾斜攝影技術(shù),精確完成工程量算、施工模擬、碰撞檢查等工作。郭長東等[15]采用低空無人機(jī)傾斜攝影測量,通過攝像影像解算獲取點云數(shù)據(jù),準(zhǔn)確地計算土石方量,極大地提高道路土石方量測繪工作效率。

國內(nèi)學(xué)者在無人機(jī)傾斜攝影建模技術(shù)方法、質(zhì)量控制、地形圖生產(chǎn)及與BIM結(jié)合方面做了相關(guān)研究,但是對于如何利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)系統(tǒng)性地生產(chǎn)滿足市政道路改造設(shè)計要求的地形圖的研究較少。針對市政道路改造設(shè)計,本文首選設(shè)計了應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)生產(chǎn)地形圖的技術(shù)流程,并通過具體項目案例驗證了精度的可靠性。

1 市政道路設(shè)計地形圖生產(chǎn)方法

結(jié)合無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的特點,針對市政道路改造工程,設(shè)計了應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行市政道路改造設(shè)計測圖的技術(shù)流程,該技術(shù)流程詳細(xì)闡述了從外業(yè)數(shù)據(jù)采集到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)建模,再到地形圖制作的過程。首先,基于高等級控制網(wǎng)做控制測量,構(gòu)建道路改造設(shè)計的基準(zhǔn)網(wǎng),其次,通過無人機(jī)獲取影像資料,進(jìn)而完成三維建模,制作三維實景模型,最后,利用三維實景模型生產(chǎn)地形圖,流程圖如圖1所示。

圖1 技術(shù)流程圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

上述技術(shù)流程中三維實景模型構(gòu)建的質(zhì)量至關(guān)重要,其直接影響后期地形圖生產(chǎn)的精度。對于本項目大范圍傾斜攝影模型生產(chǎn),因沒有大型的計算機(jī)集群系統(tǒng),無法將項目區(qū)域內(nèi)的傾斜影像數(shù)據(jù)一次性生產(chǎn)為一套模型,經(jīng)過反復(fù)論證,采取分區(qū)分塊的策略分別構(gòu)建每一個區(qū)域塊的傾斜攝影模型,最后再將每一個分區(qū)生產(chǎn)的模型進(jìn)行拼接,整合為一套模型。然而分區(qū)生產(chǎn)模型時為了保證生產(chǎn)的傾斜攝影模型相鄰兩塊區(qū)域之間不出現(xiàn)錯位的現(xiàn)象,影響后期生產(chǎn)地形圖的精度,在生產(chǎn)模型時相鄰兩個分區(qū)之間設(shè)置了一定的重疊度,并且在重疊區(qū)域內(nèi)保證足夠的相控點數(shù)量,這樣一方面能夠使相鄰分區(qū)之間相互咬合,保證最終生產(chǎn)的模型不出現(xiàn)錯位的現(xiàn)象,另一方面能夠有效控制模型精度,保證地形圖生產(chǎn)的質(zhì)量。

3 工程應(yīng)用及分析

為檢驗本文設(shè)計的上述技術(shù)流程的可行性及實用性,結(jié)合項目實際生產(chǎn)應(yīng)用場景,依托國道集阿公路遼源紅五星互通立交改建項目開展了生產(chǎn)項目實踐應(yīng)用,驗證上述技術(shù)路線的可行性與實用性。

3.1 工程概況

國道集阿公路遼源紅五星互通立交改建項目位于遼源市東南部新城,互通周邊4S店、加油站、糧庫等企業(yè)較多,互通南、北兩側(cè)緊鄰四梅鐵路及渭津河,部分路段處于與鐵路占地交叉范圍,對于互通改建測量及設(shè)計工作均提出了較高要求,勘測難度極大。

3.2 數(shù)據(jù)獲取與建模

傾斜攝影外業(yè)測量小組共計4人,2人布設(shè)相控點,2人進(jìn)行無人機(jī)傾斜航攝。外業(yè)測量利用六旋翼無人機(jī)搭載傾斜五鏡頭相機(jī)作業(yè),相機(jī)有效像素≥1.2億。傾斜攝影外業(yè)作業(yè)前最主要的工作是布設(shè)像控點,本項目在航攝區(qū)域內(nèi)均勻規(guī)劃并布設(shè)了34個像控點,采用實時動態(tài)測量(real time kinematic,RTK)技術(shù)準(zhǔn)確采集了外業(yè)布設(shè)的34個像控點的CGCS2000平面和1985國家高程坐標(biāo)。航攝實施時首先進(jìn)行航線規(guī)劃,本項目航線規(guī)劃時設(shè)置航向重疊度85%、旁向重疊度75%、航高120 m、下視影像分辨率1.5 cm,規(guī)劃航線完成后即按照規(guī)劃參數(shù)自動控制無人機(jī)執(zhí)行飛行任務(wù)。項目外業(yè)數(shù)據(jù)獲取歷時5 d,飛行24個架次,總共采集項目區(qū)域7.71 km2、80 504張傾斜影像。最后對于采集的傾斜影像,組建計算機(jī)集群系統(tǒng)生產(chǎn)傾斜攝影模型。

3.3 精度評定

為驗證利用無人機(jī)傾斜攝影模型生產(chǎn)地形圖能否達(dá)到市政道路改造設(shè)計對于地形圖精度的要求,依據(jù)《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》(CH/T 9015—2012),在項目區(qū)域范圍內(nèi)選取了若干特征點,分別對平面及高程精度做了檢驗。

3.3.1平面精度

平面精度檢核利用RTK技術(shù)外業(yè)實測特征點與制作的傾斜三維模型上直接獲取的同名點坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計分析,共選取檢查點30個,具體精度統(tǒng)計如表1所示。

表1 平面坐標(biāo)精度統(tǒng)計 單位：m

通過對30個平面精度檢核點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算得知,平面坐標(biāo)誤差都在0.2 m內(nèi),中誤差0.082 m,滿足1∶2 000大比例尺地形圖平面精度要求。

3.3.2高程精度

高程精度檢核利用RTK技術(shù)外業(yè)實測特征點與制作的傾斜三維模型上直接獲取的同名點坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計分析,共選取檢查點30個,具體精度統(tǒng)計如表2所示。

通過對30個高程精度檢核點的高程坐標(biāo)統(tǒng)計計算得知,高程誤差都在0.15 m內(nèi),中誤差為0.112 m,滿足1∶2 000大比例尺地形圖高程精度要求。

在檢驗傾斜攝影模型平面及高程精度均合格的基礎(chǔ)上,利用傾斜攝影模型生產(chǎn)了項目區(qū)域的地形圖,并成功應(yīng)用于遼源紅五星互通改造設(shè)計項目。

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)方式測繪地形圖普遍采用全站儀或RTK測量方法,全站儀測繪方法外業(yè)測量要耗費大量的人力,RTK測繪方式在城鎮(zhèn)作業(yè)時信號強度低,容易失鎖。相較于傳統(tǒng)測繪地形圖的方式,利用本文的測量方式,4人5 d即可完成7.71 km2的外業(yè)測量任務(wù),不僅極大地減少了外業(yè)測量時間,而且無人機(jī)飛行作業(yè)基本不受GPS信號干擾的影響,可見應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)極大地改善了原來生產(chǎn)地形圖工作的方式,提高了生產(chǎn)效率。

本文通過對市政道路改造設(shè)計區(qū)域進(jìn)行無人機(jī)傾斜攝影,建立了項目區(qū)域范圍內(nèi)的傾斜攝影模型,生產(chǎn)了項目區(qū)域范圍內(nèi)的地形圖,通過實際檢核成果精度,驗證其滿足市政道路改造設(shè)計的要求,本文的方法對于今后進(jìn)行市政道路改造項目的開展具有一定的借鑒指導(dǎo)作用。