傾斜攝影測(cè)量協(xié)同三維測(cè)圖的應(yīng)用

摘" 要：為應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)大比例尺測(cè)圖人力成本高、管理難度大、作業(yè)效率低等難題，該文提出利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量，制作三維模型和正射影像，再通過在線協(xié)同作業(yè)平臺(tái)進(jìn)行三維測(cè)圖的方案。廣州白云新城的應(yīng)用表明，該方案滿足1∶500地形圖精度要求，其中檢測(cè)的地形點(diǎn)的平面位置中誤差為0.039 m，檢測(cè)的高程點(diǎn)的中誤差為0.034 m，并減少約60%的人力和時(shí)間成本。結(jié)果表明，傾斜攝影測(cè)量協(xié)同三維測(cè)圖方案極大提高管理效能，且成果精度可靠，作業(yè)效率高。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);傾斜攝影測(cè)量;實(shí)景三維模型;在線協(xié)同平臺(tái);大比例尺測(cè)圖

中圖分類號(hào)：P237" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）25-0163-04

Abstract： In order to deal with the problems of high manpower cost， difficult management and low operation efficiency of traditional large-scale mapping， this paper proposes to use UAV tilt photogrammetry to make three-dimensional model and orthophoto image， and then carry out three-dimensional mapping through online collaborative work platform. The application of Baiyun Metro in Guangzhou shows that the scheme meets the accuracy requirements of 1RU 500 topographic map， in which the plane error of the detected topographic point is 0.039 m， and the median error of the detected elevation point is 0.034 m， and the labor and time cost is reduced by about 60%. The results show that the tilt photogrammetry combined with 3D mapping scheme greatly improves the management efficiency， and the accuracy of the results is reliable and the operation efficiency is high.

Keywords： UAV; tilt photogrammetry; real-world 3D model; online collaborative platform; large-scale mapping

傾斜攝影技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，其通過在同一飛行平臺(tái)上搭載多鏡頭相機(jī)，同時(shí)獲取多個(gè)方向的影像，并利用定位定姿系統(tǒng)獲取高精度的位置和姿態(tài)信息，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，獲取三維實(shí)景模型和正射影像等產(chǎn)品。傾斜攝影測(cè)量提供了細(xì)節(jié)豐富、高精度的三維模型和高分辨率的正射影像，在傾斜三維模型中，可多角度查看地物，且通常無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪即可在模型中采集房角點(diǎn)而無(wú)需房檐改正，可直接獲取房屋高度、樓層、結(jié)構(gòu)和陽(yáng)臺(tái)飄樓等建筑物細(xì)節(jié)信息，從而極大減少了外業(yè)工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度。

然而，當(dāng)三維測(cè)圖范圍較大時(shí)，會(huì)在管理方面帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)：海量數(shù)據(jù)難以管理，容易造成數(shù)據(jù)泄密，存在大量接邊難題和成果格式不統(tǒng)一問題，質(zhì)檢難以回溯，生產(chǎn)進(jìn)度難以把控。因此，為解決上述問題，本文利用傾斜攝影測(cè)量方法獲取三維模型和正射影像，再通過協(xié)同在線作業(yè)模式，進(jìn)行三維測(cè)圖。

1" 總體技術(shù)流程

采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量，并利用協(xié)同作業(yè)模式進(jìn)行三維測(cè)圖總體技術(shù)流程如圖1所示。

1.1" 像控測(cè)量

為滿足大比例尺三維測(cè)圖的精度要求，需進(jìn)行像控點(diǎn)測(cè)量，用于后續(xù)刺點(diǎn)，以糾正偏差和連接地面坐標(biāo)。像控點(diǎn)應(yīng)均勻布設(shè)并有效覆蓋航攝區(qū)域，可選擇平整地面上明顯的道路交通標(biāo)線、斑馬線、塊狀角點(diǎn)等。通常采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)（Real-time kinematic，RTK）測(cè)量像控點(diǎn)并解算，其要求可參考相關(guān)測(cè)量規(guī)范。

1.2" 起飛前準(zhǔn)備

1.2.1" 資料收集和踏勘

調(diào)取測(cè)區(qū)已有基礎(chǔ)底圖，包括地形圖、影像圖，收集測(cè)區(qū)自然地理概況，進(jìn)行實(shí)地踏勘，選擇合適的起降場(chǎng)地，并調(diào)查測(cè)區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀地形起伏和高層建筑情況，為后續(xù)航攝計(jì)劃提供依據(jù)。

1.2.2" 空域報(bào)備

提前進(jìn)行空域報(bào)備，申請(qǐng)作業(yè)區(qū)域的空域計(jì)劃。

1.2.3" 航線規(guī)劃

待空域計(jì)劃批準(zhǔn)后，可詳細(xì)規(guī)劃航線，根據(jù)測(cè)區(qū)具體情況、測(cè)圖精度等，設(shè)計(jì)航行高度、航向重疊、旁向重疊和飛行速度等。

1.2.4" 組裝無(wú)人機(jī)及相關(guān)設(shè)備

在檢查完畢所有設(shè)備后，在起降地組裝無(wú)人機(jī)及相關(guān)設(shè)備，并進(jìn)行調(diào)試，確保無(wú)人機(jī)所有模塊正常工作。

1.3" 外業(yè)航飛

選擇光照充足的時(shí)段，待準(zhǔn)備就緒后，上傳航線，由專業(yè)飛手執(zhí)飛，無(wú)人機(jī)起飛后自動(dòng)執(zhí)行已設(shè)計(jì)的航線。相機(jī)按照預(yù)先設(shè)好的航線拍攝點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)定點(diǎn)航攝。本文所采用傾斜攝影測(cè)量方式，其通過飛行器搭載五鏡頭高精度相機(jī)，同時(shí)獲取垂直方向和4個(gè)傾斜方向（前視、后視、左視、右視，其像片傾角均為45°）的像片。與此同時(shí)，無(wú)人機(jī)的定位定向系統(tǒng)（Position and Orientation System， POS）記錄像片拍攝瞬間無(wú)人機(jī)的位置信息和姿態(tài)參數(shù)。待無(wú)人機(jī)完成作業(yè)返航后，將五鏡頭相機(jī)獲取的航攝像片和POS數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

1.4" 數(shù)據(jù)處理

1.4.1" 導(dǎo)入數(shù)據(jù)

在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，將航攝像片、POS數(shù)據(jù)和相機(jī)參數(shù)導(dǎo)入，并設(shè)置好空間參考系統(tǒng)。

1.4.2" 空中三角測(cè)量

即利用己知控制點(diǎn)，在航攝影像上進(jìn)行控制點(diǎn)加密，通過數(shù)學(xué)模型進(jìn)行解算求得加密點(diǎn)的平面位置和高程。通常基于共線方程，采用區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差進(jìn)行空中三角測(cè)量（以下簡(jiǎn)稱“空三”），如式（1）所示

其中：x0，y0為像主點(diǎn)坐標(biāo)，f為鏡頭的焦距，為已知值，x，y為像方坐標(biāo)系下的像點(diǎn)坐標(biāo)，（X，Y，Z）為物方點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)，（XS，YS，ZS）為攝站點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)，ai，bi，ci（i=1，2，3）為影像的3個(gè)外方位元素組成的9個(gè)方向余弦。

1.4.3" 刺點(diǎn)

刺點(diǎn)是將像控點(diǎn)坐標(biāo)人工準(zhǔn)確地輸入對(duì)應(yīng)航攝像片的地物點(diǎn)上。在自由網(wǎng)平差后，導(dǎo)入像控點(diǎn)三維坐標(biāo)，選擇坐標(biāo)系，進(jìn)行刺點(diǎn)，而后再次進(jìn)行空三（此時(shí)為控制網(wǎng)平差）。此外，需要設(shè)置一定的檢查點(diǎn)，檢查空三精度。

1.4.4" 生產(chǎn)三維模型等產(chǎn)品

設(shè)置好參數(shù)，包括三維模型成果格式、坐標(biāo)系統(tǒng)、模型原點(diǎn)和格網(wǎng)大小等，而后構(gòu)建三維模型。此外，還可生成正射影像和無(wú)畸變像片等成果。

1.5" 協(xié)同測(cè)圖

為提高三維測(cè)圖效率，加強(qiáng)項(xiàng)目精細(xì)化管理，本文采用在線協(xié)同平臺(tái)進(jìn)行管理和作業(yè)。協(xié)同平臺(tái)基于“數(shù)據(jù)工廠”模式，采用云環(huán)境，將數(shù)據(jù)、任務(wù)、人員、軟件和算法等有效連接起來(lái)，通過數(shù)據(jù)管理、任務(wù)劃分、在線作業(yè)和遠(yuǎn)程質(zhì)檢等，實(shí)現(xiàn)多人在線協(xié)作，形成“海量、彈性、可定制、協(xié)作、在線”的智能計(jì)算生產(chǎn)能力。從而實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)、跨區(qū)域、跨部門和跨作業(yè)階段的三維測(cè)圖模式。

本文以武漢天際航信息科技股份有限公司同我院研發(fā)的PMP生產(chǎn)體系主控平臺(tái)（以下統(tǒng)稱“PMP平臺(tái)”）作為在線協(xié)同三維測(cè)圖作業(yè)平臺(tái)。在該平臺(tái)中，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人創(chuàng)建項(xiàng)目，并上傳數(shù)據(jù)，此后，由平臺(tái)全過程管理所有數(shù)據(jù)，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人劃分測(cè)圖范圍后分發(fā)任務(wù)，并指派測(cè)圖員和質(zhì)檢員。當(dāng)測(cè)圖員在平臺(tái)中領(lǐng)取任務(wù)后，可進(jìn)入平臺(tái)集成的三維測(cè)圖系統(tǒng)中繪制地形圖，測(cè)圖員僅可見本人測(cè)區(qū)及一定緩沖區(qū)范圍的數(shù)據(jù)，不可下載與上傳數(shù)據(jù)，保障了數(shù)據(jù)安全，并在很大程度上解決了接邊問題，測(cè)圖員完成后提交至平臺(tái)。再由質(zhì)檢員進(jìn)入平臺(tái)對(duì)測(cè)圖員提交的成果進(jìn)行質(zhì)檢，當(dāng)質(zhì)檢完成后，若不通過，可由平臺(tái)退回至測(cè)圖員，測(cè)圖員需對(duì)各條質(zhì)檢記錄逐一響應(yīng)并修改后方可重新提交至平臺(tái);若通過，則在平臺(tái)中提交至項(xiàng)目負(fù)責(zé)任人。測(cè)圖及質(zhì)檢完成后，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人可在平臺(tái)下載測(cè)圖成果數(shù)據(jù)，并安排外調(diào)，而后，將外調(diào)反饋的問題上傳至平臺(tái)，流轉(zhuǎn)至測(cè)圖員，測(cè)圖員再修測(cè)整飾，通過最終質(zhì)檢后，上傳至平臺(tái)，由項(xiàng)目負(fù)責(zé)人下載最終成果，即完成三維測(cè)圖。協(xié)同作業(yè)模式中，數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)高效，可實(shí)時(shí)查詢項(xiàng)目狀態(tài)和作業(yè)效率等信息并進(jìn)行報(bào)表統(tǒng)計(jì)，達(dá)到生產(chǎn)和質(zhì)檢統(tǒng)一，全過程可監(jiān)控、可追溯，數(shù)據(jù)安全、成果質(zhì)量可保障。

2" 應(yīng)用案例

2.1" 項(xiàng)目概況

廣州白云新城數(shù)字孿生平臺(tái)試點(diǎn)項(xiàng)目需要以三維模型和正射影像為基礎(chǔ)，并測(cè)繪1∶500地形圖。本文以該項(xiàng)目為依托，利用傾斜攝影測(cè)量方式進(jìn)行協(xié)同三維測(cè)圖。該項(xiàng)目面積約3.5 km2，地勢(shì)平坦，地面要素主要為建設(shè)用地，區(qū)域內(nèi)最高建筑物為綠地中心，海拔約205 m。

2.2" 項(xiàng)目實(shí)施

該項(xiàng)目采用本文所述方案和流程執(zhí)行。其中無(wú)人機(jī)選用哈瓦M(jìn)EGA-V8III四軸八旋翼雙電無(wú)人機(jī)，其載荷重，穩(wěn)定性高，并搭載了差分GNSS定位系統(tǒng)和慣性測(cè)量裝置，在相機(jī)曝光瞬間獲取精確POS信息，定位精度達(dá)厘米級(jí)。此外，其搭載HAWWAR-YT-5POPC III五鏡頭相機(jī)（1個(gè)垂直方向鏡頭，前后左右各1個(gè)45°傾角的鏡頭）從而實(shí)現(xiàn)傾斜攝影測(cè)量，其鏡頭焦距為35 mm，圖像分辨率為6 000×4 000像素，傳感器尺寸為35.9 mm×24 mm，且5相機(jī)合焦點(diǎn)相同，曝光嚴(yán)格同步，保證了成像精度和POS的一致性。

本項(xiàng)目根據(jù)范圍內(nèi)地形情況，將攝區(qū)劃分為7個(gè)區(qū)塊，其中2個(gè)區(qū)塊因范圍內(nèi)存在高樓，故航高分別設(shè)為300 m和220 m，其余區(qū)塊均設(shè)為100 m，同一區(qū)塊均為相同航高。所有區(qū)塊均設(shè)計(jì)80%航向重疊和80%旁向重疊，航飛速度設(shè)計(jì)為8 m/s。此外，共布設(shè)64個(gè)像控點(diǎn)，均采用RTK按圖根控制點(diǎn)精度要求進(jìn)行測(cè)量。

本項(xiàng)目采用ContextCapture軟件進(jìn)行空三和建模，模型成果采用廣州2000坐標(biāo)系統(tǒng)，最終生成廣州白云新城三維模型和正射影像等產(chǎn)品，部分區(qū)域三維模型如圖2所示。

在三維模型和正射影像生成后，本項(xiàng)目基于PMP平臺(tái)進(jìn)行項(xiàng)目管理和協(xié)同作業(yè)，如圖3所示。該平臺(tái)集成了DP-Mapper三維測(cè)圖、DP-QC質(zhì)檢軟件等。其中，在數(shù)據(jù)上傳和下載、人員管理、任務(wù)分發(fā)、數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)、報(bào)表統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)查詢等方面均通過云平臺(tái)進(jìn)行交互，極大提高了項(xiàng)目管理效能。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人在PMP平臺(tái)創(chuàng)建項(xiàng)目，上傳基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并劃分任務(wù)后，測(cè)圖員通過PMP平臺(tái)進(jìn)入DP-Mapper，如圖4所示，利用三維模型和正射影像、無(wú)畸變影像等，實(shí)現(xiàn)多窗口二三維模型與無(wú)畸變影像的聯(lián)動(dòng)和裸眼測(cè)圖，從而進(jìn)行1∶500地形圖的全要素采集工作。而后質(zhì)檢員通過PMP平臺(tái)進(jìn)入DP-QC軟件，實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化在線質(zhì)檢。所有人員各司其職，按部就班，按照PMP平臺(tái)設(shè)定流程進(jìn)行在線協(xié)同作業(yè)。研究表明，相較于傳統(tǒng)測(cè)圖，采用該協(xié)同作業(yè)模式，減少了約60%的人力和時(shí)間成本，極大提高了作業(yè)效率，加強(qiáng)了項(xiàng)目管理和環(huán)保效能。

2.3" 精度分析

為檢驗(yàn)本項(xiàng)目模型精度，在進(jìn)行空三時(shí)，59個(gè)像控點(diǎn)參與平差，另外5個(gè)控制點(diǎn)用于精度檢驗(yàn)，精度檢驗(yàn)結(jié)果見表1。

其精度滿足航空攝影測(cè)量的空中三角測(cè)量規(guī)范的精度要求。

為研究?jī)A斜攝影測(cè)量協(xié)同三維測(cè)圖的精度可靠性，本文對(duì)基于協(xié)同平臺(tái)制作的1∶500地形圖進(jìn)行了精度檢驗(yàn)，即利用數(shù)字測(cè)圖方式選取測(cè)區(qū)范圍內(nèi)一定數(shù)量的地形點(diǎn)進(jìn)行平面精度檢核，并選取部分高程點(diǎn)進(jìn)行高程精度檢核。本文在研究區(qū)域隨機(jī)均勻選取了65個(gè)地形點(diǎn)和65個(gè)高程點(diǎn)進(jìn)行檢核，其精度檢核統(tǒng)計(jì)見表2。

根據(jù)GB 14912—2005《1∶5 001∶10 001∶2 000外業(yè)數(shù)字測(cè)圖技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，1∶500地形圖中，城鎮(zhèn)、工業(yè)建筑區(qū)、平地和丘陵地其點(diǎn)位中誤差不應(yīng)超過0.150 m，高程注記點(diǎn)的高程中誤差不應(yīng)大于基本等高距的1/3（1∶500地形圖基本等高距為0.5 m），即0.167 m。本文研究區(qū)域所選取的65個(gè)地形點(diǎn)的平面中誤差為0.039 m，所選取的65個(gè)高程點(diǎn)的高程中誤差為0.034 m，即本文研究區(qū)域內(nèi)其平面精度和高程精度均滿足1∶500大比例尺數(shù)字測(cè)圖要求。

3" 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了采用傾斜攝影測(cè)量方式進(jìn)行協(xié)同三維測(cè)圖的方法，以廣州白云新城1∶500地形圖測(cè)量為例，進(jìn)行了全流程的作業(yè)，并分析了三維模型的精度、三維測(cè)圖的精度及協(xié)同三維測(cè)圖的效益。研究結(jié)果表明，傾斜攝影測(cè)量協(xié)同三維測(cè)圖該方案可行，精度符合相關(guān)規(guī)范要求，多樣化成果契合當(dāng)下新型基礎(chǔ)測(cè)繪的需求。本文所采用的方案極大提升了項(xiàng)目管理效能，提高了作業(yè)效率，減少了外業(yè)工作，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，除外調(diào)過程外，均實(shí)現(xiàn)了無(wú)紙化辦公。因此可將本文方案推廣至大范圍地形圖測(cè)量。然而，該作業(yè)模式中，數(shù)據(jù)采集精度與三維模型精度有關(guān)，且依然需要外業(yè)調(diào)繪，這是三維測(cè)圖固有特點(diǎn)，此外，該作業(yè)模式其數(shù)據(jù)量巨大，數(shù)據(jù)需要高效流傳，因此，其對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)具有較高要求。

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