無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在規(guī)劃核實(shí)測量中的應(yīng)用

文／于立濤 中冶地理信息（廣東）股份有限公司 廣東東莞 523000

引言：

基于規(guī)劃核實(shí)工作，有關(guān)監(jiān)督機(jī)構(gòu)能夠核查工程項(xiàng)目的施工計(jì)劃、規(guī)范條例、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境影響評(píng)測結(jié)果等有關(guān)文件，從而保證工程的建設(shè)安全、質(zhì)量過關(guān)，并取得理想的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。使用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，已然成為獲得高精準(zhǔn)度地理數(shù)據(jù)的首要方法。所以，需要在掌握技術(shù)有關(guān)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，探究此項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，充分掌握其應(yīng)用要點(diǎn)，為規(guī)劃核實(shí)測量工作的高效率、高質(zhì)量實(shí)施打下可靠基礎(chǔ)。

1.無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)概述

1.1 硬件系統(tǒng)

較常使用的比如經(jīng)緯M300RTK 無人機(jī)是一款功能強(qiáng)大的無人機(jī)設(shè)備，具備許多出色的特點(diǎn)，使其成為各種應(yīng)用領(lǐng)域的首選。首先，該無人機(jī)具備出色的圖像傳輸能力，能夠在高達(dá)15 千米的距離內(nèi)傳輸圖像，這對(duì)于需要遠(yuǎn)距離觀察和監(jiān)測的任務(wù)非常有用[1]。不論是在航拍、災(zāi)害監(jiān)測還是安全巡邏等領(lǐng)域，M300RTK 無人機(jī)都能提供清晰、穩(wěn)定的圖像傳輸。其次，其配備了六向定位與避障功能，能夠精確地確定自身的位置，并且能夠在飛行過程中避免障礙物，因此能夠?yàn)橛脩籼峁└嗟牟僮黛`活性。此外，該無人機(jī)還擁有高強(qiáng)度的IP45 防護(hù)等級(jí)，能夠在惡劣的環(huán)境條件下正常運(yùn)行[2]。其主要包含下述幾項(xiàng)功能：（1）定位與跟蹤。可以快速準(zhǔn)確找出靜止物體，并通過AR 技術(shù)將其影像顯示在各類圖像資源中。這使得用戶可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的定位并動(dòng)態(tài)追蹤，同時(shí)可以和其他用戶共享位置信息。（2）操控設(shè)備。借助AI 算法來處理收集的地理信息，這些信息經(jīng)過整理與分類后，轉(zhuǎn)化為具有更高應(yīng)用價(jià)值與精細(xì)度的測量結(jié)果。通過利用雙重操縱系統(tǒng)使得操作者只用輕輕點(diǎn)擊，便可以方便地控制飛機(jī)與相機(jī)，讓任務(wù)規(guī)劃布置以及團(tuán)隊(duì)成員間的協(xié)作更為方便。（3）態(tài)勢感應(yīng)。此無人機(jī)目前推出的最新的駕駛輔助系統(tǒng)，這一系統(tǒng)能夠全面記錄各類駕駛參數(shù)和環(huán)境信息，進(jìn)而顯著提升操作效率。除此之外，該系統(tǒng)還配備了AirSense 功能，使得在高速行駛時(shí)操縱更為輕松，并能夠?qū)崿F(xiàn)最長達(dá)40 米的避障距離，以保障操控人員的安全性。PilotApp 具備多種定位與監(jiān)控模式，如傳感器、動(dòng)力系統(tǒng)以及圖像等多重雙向備份。（4）健康防控。健康管理系統(tǒng)可迅速獲取部件健康狀況并采集異常信息。并且，還配備了BS60 電池箱，便于迅速充電、儲(chǔ)運(yùn)，進(jìn)而提高飛行效率。而TB60 電池則具備較大的容量，可提供雙電池?zé)崽鎿Q功能，節(jié)省操作時(shí)間。

1.2 軟件系統(tǒng)

大疆智圖DJITerra 作為一款全方位的工具，它融合了無人機(jī)傾斜拍照與三維建模功能，為土地測量帶來了極大的便利和精確性。DJITerra 具備智能的自主調(diào)節(jié)拍照參數(shù)的能力，可基于實(shí)際環(huán)境情況靈活地調(diào)整拍照的高度、速度以及方向，進(jìn)而提供準(zhǔn)確的拍照位置。這種自適應(yīng)性使得測量過程更加精準(zhǔn)，可以縮小圖片與實(shí)際地貌之間的誤差[3]。（1）為保證測量的準(zhǔn)確性，使用DJITerra進(jìn)行土地測量需要事先定義測量范圍內(nèi)每個(gè)角落的三維坐標(biāo)。通過精準(zhǔn)地標(biāo)定測量范圍的各個(gè)角點(diǎn)，可以減小測量誤差，提高測量結(jié)果的可靠性。此外，DJITerra 還能夠用于核驗(yàn)路徑的坐標(biāo)誤差，并以此決定最合適的測量值，進(jìn)一步提升測量的精度和可信度。（2）DJITerra 提供了多種測量方法，包括KML 文件輸出和飛行測量。通過將數(shù)據(jù)輸出到KML 文件中，用戶可以方便地進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理。而飛行測量則利用無人機(jī)飛行的方式進(jìn)行測量，不僅可以覆蓋更廣的區(qū)域，還可以獲取更多的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，提供更全面的測量結(jié)果。（3）結(jié)合傾斜攝影技術(shù)，DJITerra 允許用戶事先準(zhǔn)備目標(biāo)地區(qū)并設(shè)置相關(guān)的參考值，例如飛行的時(shí)間長度、圖片的分辨率以及測量的范圍，從而設(shè)定最優(yōu)的航路規(guī)劃，確保測量過程高效而準(zhǔn)確。（4）DJITerra 還提供了調(diào)整傾斜云臺(tái)角度和其它有關(guān)參數(shù)的功能，使得用戶可以獲得更具可視化效果的測量結(jié)果，使目標(biāo)物體和其所在的測量范圍更清晰地呈現(xiàn)出來。

2.無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在規(guī)劃竣工核實(shí)測繪過程中的應(yīng)用

2.1 攝影測量

2.1.1 測區(qū)分析

（1）仔細(xì)分析測區(qū)的空域條件，包括是否在禁飛區(qū)內(nèi)、是否存在飛行障礙物等。必要時(shí)，還需申請(qǐng)相關(guān)部門的許可證和審批手續(xù)，確保飛行過程的合法性和安全性。（2）了解測區(qū)的地形地貌，包括有否存在部隊(duì)駐地、通信設(shè)施等。此外，還需要檢查測區(qū)周邊的電磁環(huán)境，以避免因信號(hào)干擾導(dǎo)致的無人機(jī)失控或數(shù)據(jù)錯(cuò)誤等情況。（3）根據(jù)測區(qū)地形高差狀況和任務(wù)要求，確定不同的航高，注意無人機(jī)的可飛行高度和飛行速度。（4）對(duì)測區(qū)范圍的建筑物、電力設(shè)施等進(jìn)行檢查，確保不存在超出無人機(jī)航高限制的障礙物。如有必要，還需采取相應(yīng)的措施，如設(shè)置警示標(biāo)識(shí)、排除障礙物等。

2.1.2 航線設(shè)計(jì)

（1）在設(shè)計(jì)無人機(jī)的技術(shù)方案時(shí)，需要考慮地形高差和航線距離的限制。地形高差需要控制在無人機(jī)相對(duì)航高的1/4 范圍內(nèi)，以確保飛行過程中不會(huì)發(fā)生意外碰撞或遭遇危險(xiǎn)地形。同時(shí)，設(shè)計(jì)航線的總航程不得超過無人機(jī)的最大航程，以確保飛行任務(wù)的順利完成。（2）在建筑體低矮且稀疏的地帶，可以采用常規(guī)方法進(jìn)行航線敷設(shè)，即按照直線路徑進(jìn)行飛行。然而，在碰到較高建筑體或房屋分布較為密集的地帶時(shí)，就需要采取一些特殊措施。交叉敷設(shè)是一種常見的方法，可以通過在不同方向上交叉飛行，增加航線的覆蓋面積。此外，還可以增加旁向和航向的重疊，以確保航線上的覆蓋效果更為完整和準(zhǔn)確[4]。（3）實(shí)際和設(shè)計(jì)航高之間的差距應(yīng)保持在一定范圍內(nèi)，通常要求低于50 米，以確保飛行高度的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。此外，無人機(jī)的最大和最小航高之間的差距也應(yīng)控制在50 米以下，以避免過大的高度變化對(duì)飛行安全造成影響。相鄰航線上相鄰像片的航高差需要盡量低于30 米，以確保航攝圖像的連續(xù)性和一致性。（4）為了避免陰影對(duì)航攝圖像的影響，攝區(qū)的太陽高度角應(yīng)達(dá)到40°以上，同時(shí)陰影倍數(shù)應(yīng)控制在1.2 以下，以確保圖像中的細(xì)節(jié)清晰可見，并減少后期處理的復(fù)雜度。特別是在高層建筑體分布較為集中的城市中心區(qū)域，最佳的航攝時(shí)間通常是在正午前后2 小時(shí)內(nèi)。這個(gè)時(shí)間段兼具光照強(qiáng)度適宜和陰影較少的特點(diǎn)，有利于獲取高質(zhì)量的航攝數(shù)據(jù)。

2.1.3 現(xiàn)場踏勘

選擇合適的起降場地能夠保證航拍任務(wù)的順利進(jìn)行。距離機(jī)場10 公里以上可以避免與其他飛行器發(fā)生沖突，通視效果佳和地勢平坦可以保證無人機(jī)的正常起降和飛行。此外，無明顯凸起物和水塘也能保證無人機(jī)飛行的穩(wěn)定性和安全性。因此，在選擇起降場地時(shí)，需要根據(jù)任務(wù)需求和周邊環(huán)境進(jìn)行綜合考慮，確保起降場地符合多項(xiàng)要求。干擾源的存在會(huì)嚴(yán)重影響無人機(jī)的飛行安全和數(shù)據(jù)質(zhì)量。因此，在選擇起降場地時(shí)需要注意周圍是否有干擾源，并且應(yīng)該避開這些區(qū)域。風(fēng)力也是影響無人機(jī)飛行的一個(gè)重要因素，過大的風(fēng)力可能會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)失控或者飛行不穩(wěn)定。因此，在實(shí)地踏勘時(shí)需要根據(jù)天氣預(yù)報(bào)或現(xiàn)場觀察來判斷風(fēng)力大小，并根據(jù)判斷結(jié)果決定是否起飛。在風(fēng)力過大的情況下，應(yīng)當(dāng)及時(shí)通知相關(guān)人員并采取相應(yīng)的措施，以確保無人機(jī)的飛行安全[5]。

2.1.4 航空攝影

當(dāng)確定好航線之后，需要實(shí)施無人機(jī)的組裝和檢查。正確地組裝無人機(jī)機(jī)身是保證飛行安全的基礎(chǔ)，需要仔細(xì)檢查螺旋槳的安裝、傳感器的連接等，確保每個(gè)部件都牢固可靠。同時(shí)，還要檢查相機(jī)的連接正常與否，確保相機(jī)鏡頭已經(jīng)打開，以及存儲(chǔ)卡安裝正確與否。在機(jī)身組裝和相機(jī)連接都確認(rèn)無誤后，還需要檢查網(wǎng)絡(luò)連接和電池電量。網(wǎng)絡(luò)連接的正常運(yùn)行對(duì)于實(shí)時(shí)傳輸圖像和數(shù)據(jù)非常重要，例如網(wǎng)絡(luò)RTK 的連接是否穩(wěn)定。而充足的電池電量則是保證飛行時(shí)間和任務(wù)順利完成的關(guān)鍵因素。當(dāng)所有的檢查項(xiàng)都正常無誤后，連接電源，再次核對(duì)航線設(shè)計(jì)。同時(shí)，根據(jù)具體拍攝需求，對(duì)相機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。通常情況下，將相機(jī)調(diào)整至M 檔，以便手動(dòng)控制曝光和焦距。基于不同的天氣條件，還需要調(diào)整ISO 感光度與曝光時(shí)間，以確保獲得最佳的圖像效果。一切準(zhǔn)備就緒后，無人機(jī)便可以開始開展航空攝影工作。

2.2 三維模型構(gòu)建

應(yīng)當(dāng)仔細(xì)分析測區(qū)控制網(wǎng)的主點(diǎn)坐標(biāo)，在進(jìn)行影像的拍攝時(shí)，會(huì)形成一些畸變參數(shù)。這些畸變參數(shù)需要明確定義，以便對(duì)影像進(jìn)行校正和處理。在獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，通過連接點(diǎn)云中的點(diǎn)，形成表面三角面片，將其自動(dòng)轉(zhuǎn)換成TIN 模型。為了獲得最佳視角影像紋理，需要從影像數(shù)據(jù)中獲取合適的紋理信息，并自動(dòng)將其應(yīng)用到模型上，以增加模型的真實(shí)感和細(xì)節(jié)。在建立模型的過程中，可以使用Tile 劃分計(jì)算的方法，對(duì)三維模型進(jìn)行分析和挑選適宜的影像匹配單元。同時(shí)，需要自動(dòng)選取各個(gè)視角下的最佳像對(duì)模型，并進(jìn)行自由平差，以消除圖像中的誤差，提高模型的準(zhǔn)確性。基于生成的密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以實(shí)行三維建模。在建模過程中，還可以對(duì)模型加以平滑與優(yōu)化處理，以進(jìn)一步提高其質(zhì)量和真實(shí)性。基于三維TIN 模型的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可以對(duì)DEM 數(shù)據(jù)實(shí)行配對(duì)生成，以此達(dá)成自動(dòng)化紋理映射的目標(biāo)。

2.2.1 數(shù)據(jù) Tile 劃分

基于作業(yè)區(qū)的具體范圍，確定建模區(qū)域再把項(xiàng)目劃分成多個(gè)區(qū)塊實(shí)行建模時(shí)，應(yīng)當(dāng)控制各區(qū)塊建模的Tile 劃分原點(diǎn)維持一致。而且對(duì)于Tile 劃分的大小根據(jù)計(jì)算機(jī)性能來確定，通常設(shè)置為0.1 千米＊0.1 千米，劃分操作可以使用軟件自動(dòng)完成。

2.2.2 點(diǎn)云匹配

點(diǎn)云匹配是數(shù)字三維重建的核心過程之一，主要是將多源影像數(shù)據(jù)中的點(diǎn)云信息進(jìn)行精確匹配。在實(shí)行三維場景重建任務(wù)前，需要對(duì)空間框架與處理規(guī)則加以確定，以保證后續(xù)處理的準(zhǔn)確性和可靠性。點(diǎn)云匹配的過程中，需要形成高精準(zhǔn)度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并進(jìn)行構(gòu)網(wǎng)算法的更新改進(jìn)，將異常或是突起的不規(guī)則點(diǎn)云篩選除去，讓多視影像密集和實(shí)際需求相符合。

2.2.3 TIN 網(wǎng)構(gòu)建

TIN 網(wǎng)是一種用于表達(dá)現(xiàn)實(shí)三維場景的不規(guī)則三角網(wǎng)，它是基于數(shù)字點(diǎn)云所形成的。在TIN 網(wǎng)構(gòu)建過程中，首先需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)行切塊操作，并行處理每個(gè)塊，從而加速TIN 網(wǎng)的構(gòu)建過程，做到在處理大規(guī)模點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)提高計(jì)算效率和減少資源消耗。同時(shí)，基于計(jì)算機(jī)的性能水平，可以根據(jù)需要設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí)別，確保在處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)能夠充分利用計(jì)算資源。

2.2.4 白模生成

白模主要用于表示物體的形狀、結(jié)構(gòu)和空間關(guān)系，為后續(xù)的建模和渲染工作提供基礎(chǔ)。通過白模，可以更好地理解和分析現(xiàn)實(shí)場景的三維結(jié)構(gòu)，為虛擬環(huán)境的構(gòu)建和可視化呈現(xiàn)提供必要的參考。

2.2.5 紋理映射

在這一過程中，通過圖像實(shí)行收集和處理分析，利用有關(guān)圖像加工工具，如 Photo Scan 等，運(yùn)用紋理映射算法對(duì)每一模型自動(dòng)賦予紋理，并最終輸出 OSGB 格式的三維模型成果。在此環(huán)節(jié)，傾斜影像所攜帶的高精度空間坐標(biāo)信息起到了關(guān)鍵作用，確保了紋理和對(duì)應(yīng)坐標(biāo)的準(zhǔn)確匹配，從而實(shí)現(xiàn)了高精度的城市實(shí)景三維模型生成。

2.3 傾斜模型三維測圖

在傾斜模型三維測圖中，應(yīng)用的坐標(biāo)系統(tǒng)是2000 國家大地坐標(biāo)系與3 度帶中央子午線。這種坐標(biāo)系統(tǒng)能夠提供高精度的地理位置信息，并與現(xiàn)有的地圖和測繪數(shù)據(jù)相匹配。同時(shí)，高程基準(zhǔn)采用的是1985 國家高程基準(zhǔn)。在進(jìn)行測圖之前，需要確定基準(zhǔn)和地形高度間的夾角。根據(jù)規(guī)定，這個(gè)夾角通常設(shè)為1°，以保證測量的地形誤差值和基準(zhǔn)高度的夾角不超過0.1°。

2.4 內(nèi)部數(shù)據(jù)收集

在完成模擬與重建3D 模型這一步驟后，需要對(duì)模型的精度進(jìn)行評(píng)估，以確保其符合精度要求。若是模型精度不夠，需要重新進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，直至滿足要求。一旦模型符合精度標(biāo)準(zhǔn)，就可以采用專門的數(shù)據(jù)收集軟件為其收集數(shù)據(jù)，以更加全面地了解內(nèi)部區(qū)域的地理特點(diǎn)以及地形狀況。無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)所獲取的圖像是經(jīng)由多角度攝得的，所以基于這些圖像創(chuàng)建的3D 模型能夠用來線路規(guī)劃和圖像收集中，獲得的地物地貌特點(diǎn)邊界與角點(diǎn)，由多角度收集編繪，當(dāng)3D 模型數(shù)據(jù)收集結(jié)束之后，便可得到模型內(nèi)建筑體與其它地形元素的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

2.5 成果精度分析及誤差

在實(shí)施地形圖測繪時(shí)，必須遵守城市測量規(guī)范，以確保數(shù)據(jù)符合要求。傾斜攝影測量技術(shù)被廣泛應(yīng)用于地形圖的制作中，其可以獲得高精度的矢量信息，符合測繪規(guī)定。然而，在進(jìn)行外業(yè)航拍作業(yè)時(shí)，也需要保證照片分辨率滿足精度要求，這對(duì)空三角測量準(zhǔn)確度以及構(gòu)建模型的質(zhì)量都有著直接影響。Smart3D 自動(dòng)空中三角測量加密技術(shù)是一種較新的技術(shù)，可減少誤差并提升空三數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。不過，在實(shí)際應(yīng)用過程中，人工干預(yù)仍然是必要的，以進(jìn)一步提高編繪地形圖的精度和準(zhǔn)確性。此外，也需要注意現(xiàn)場環(huán)境和客觀因素對(duì)數(shù)據(jù)采集的影響，如天氣、地形等因素，以及設(shè)備操作問題等。

3.應(yīng)用案例

3.1 工程概況

本項(xiàng)目處在廣東省東莞市厚街鎮(zhèn)海逸豪庭項(xiàng)目。東莞冠亞環(huán)崗湖商住區(qū)建造有限公司厚街鎮(zhèn)海逸豪庭G2b 期住宅發(fā)展項(xiàng)目核實(shí)測量任務(wù)。

3.2 相關(guān)設(shè)備及相關(guān)處理軟件

本項(xiàng)目所使用的主要設(shè)備為大疆多旋翼M600pro 型無人機(jī)和Riy-D2 傾斜攝影相機(jī)。測量過程中，使用華測X10 Pro 型GPS（RTK）接收機(jī)進(jìn)行定位。該接收機(jī)采用網(wǎng)絡(luò)（RTK）定位法，結(jié)合東莞市GPS 連續(xù)運(yùn)行參考站（YCCORS）系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)高精度的定位和測量。通過在測量區(qū)域內(nèi)設(shè)置像控點(diǎn)，并利用這些控制點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，可以提高測量的精度和準(zhǔn)確性。在數(shù)據(jù)處理方面，本項(xiàng)目使用Context Capture Center 軟件。該軟件具有強(qiáng)大的圖像處理和三維重建功能，通過對(duì)采集到的傾斜攝影圖像進(jìn)行處理和匹配，可以得到高質(zhì)量的三維模型數(shù)據(jù)，為后續(xù)的測量和分析提供基礎(chǔ)。此外，本項(xiàng)目還使用EPS 三維測圖系統(tǒng)進(jìn)行竣工圖的采集。

3.3 航線布設(shè)及數(shù)據(jù)獲取

在設(shè)計(jì)航線方案時(shí)，需要考慮拍攝角度和航線覆蓋率等因素，以確保邊緣航線也能夠獲取有效影像數(shù)據(jù)。在本項(xiàng)目中，為了滿足這個(gè)要求，設(shè)定了總共24 條航線，航向與旁向重疊度為80%-70%。這樣，不僅可以保證每張照片都有足夠的重疊部分，還能夠避免出現(xiàn)影像死角。此外，飛行高度與旁向間距的選取，直接影響到圖像分辨率和覆蓋范圍。而航向間距則直接決定航線的數(shù)量和長度。在本項(xiàng)目中，選擇了飛行高度為120 米，旁向間距為33-59 米，航向間距為16-20 米，獲取道路清晰的圖像，并保證數(shù)據(jù)采集的效率。最終，通過5 組傾斜影像數(shù)據(jù)的采集，得到了共計(jì)5000 多張照片，每張都具備相應(yīng)的POS 數(shù)據(jù)。

3.4 數(shù)據(jù)解算總結(jié)

輸入影像信息相應(yīng)的POS 數(shù)據(jù)，相對(duì)定向、匹配提前特征點(diǎn)與已連接點(diǎn)、區(qū)域網(wǎng)平差，生產(chǎn)測區(qū)的空中三角測量結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，有效將特征點(diǎn)提取出來，創(chuàng)建三角網(wǎng)與映射問題，生成三維傾斜模型。

3.5 矢量測圖

使用EPS 三維測圖系統(tǒng)，基于傾斜數(shù)據(jù)對(duì)建筑體以及點(diǎn)狀物實(shí)施測量，在實(shí)際采集過程中，需要對(duì)各種地物賦予對(duì)應(yīng)編碼，編繪竣工圖。

結(jié)語：

把無人機(jī)技術(shù)和傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)用，可以同時(shí)發(fā)揮二者的優(yōu)勢，尤其是在規(guī)劃核實(shí)測量中應(yīng)用具備突出的優(yōu)越性，已然成為今后發(fā)展的主要方向。不過，就目前而言，依舊存在一些技術(shù)難點(diǎn)與改進(jìn)空間，因此需要持續(xù)展開研究分析，以此促進(jìn)此次技術(shù)的進(jìn)一步完善。