倾斜摄影和机载Lidar 技术在工程测量中的应用研究

史丰博

（天水三和数码测绘院有限公司，甘肃 天水 741000）

工程测量的任务分为2 个部分，一是研究几何形状，二是研究物体在空间的位置坐标。传统的工程测量采用水准仪、全站仪等设备进行数据采集，这种作业方式效率低、成本高、风险性高、工作量大，对于部分地区作业难度也大。随着导航定位精度的提高和GPS-RTK 技术的成熟，工程测量作业方式发生了改变，较以往的作业方式效率提升了不少，但是对于大型项目，仍然不能满足项目工期的需求。这几种作业方式获取数据都是在地面上完成，随着无人机技术的迅速发展和非量测数码相机成本的下降，以及小像幅影像解算技术的完善，让传统的工程测量作业方式从地面转到空中成为可能。无人机垂直摄影是挂载垂直镜头，从空中对地面拍摄，依据共线方程和地面像控点，从而加密出像片上任何一点的三维坐标，这较GPS-RTK 技术，提升了效率，有了很大的进步，但是这种作业控制是利用GPSRTK 做的，加上无人机影像畸变等问题，导致生产的数据成果精度较低，对于精度要求高的项目，很难满足项目精度需求[1]。随着倾斜摄影技术的出现和多视影像密集匹配算法的完善，利用多视影像进行自动化建模，可以获取同一地物多个角度的数据，增加了冗余度，使匹配精度更加准确，且生产的模型可以360°观察与测量，对于垂直摄影难以解决的屋檐改正问题，倾斜摄影完美解决了[2]。这种作业方式精度有较大提升，甚至可以达到地籍测绘精度的需求，但是建模效率低，对于部分项目该作业方式仍然有一定的局限性。随着激光雷达技术的发展与体积重量的减轻，无人机搭载Lidar 技术成了一种弥补倾斜摄影建模效率低的方式[3]。Lidar 技术可谓“所见即所得”，从空中对地面发射激光束，完成对地面的拍摄，就可以获取地面任一点的三维坐标，具有非常高的效率。本研究主要对倾斜摄影技术和机载Lidar 技术的原理和作业流程进行简单说明，并对2种作业方式在工程测量中的多方面应用进行了分析，总结了两种作业方式的优缺点。

1 倾斜摄影技术介绍

1.1 倾斜摄影原理

倾斜摄影测量是相对传统摄影测量来说的，是指在无人机飞行平台上搭载倾斜摄影航摄仪，对地面数据进行全方位、多角度采集，然后利用倾斜摄影测量软件产生测绘数据。常见的倾斜摄影航摄仪搭载五镜头相机，即一个下视和前、后、左、右4 个侧视。下视相机主要从垂直角度获取地面物体信息，侧视镜头从侧面对物体进行拍摄，获取地面物体侧面信息。通过实践发现，当倾斜镜头与地面夹角为45°的时候，获取的数据建模效果最好，采集的数据盲区少，影像边缘畸变对建模影响可以降到最小，因此常见的五镜头侧视相机夹角与垂直镜头夹角均为45°。

1.2 倾斜摄影建模流程

倾斜摄影建模首先要获取影像数据，在获取数据前，要对测区进行勘察，如是禁飞区，还要申请空域，然后进行像控布设与航线规划，外业数据采集完成后，内业进行数据解算与模型生产，具体流程如图1 所示。

图1 倾斜摄影建模流程图

2 机载Lidar 技术介绍

2.1 机载Lidar 采集数据原理

机载Lidar 主要由激光发射装备、全球定位系统（GPS）和惯性导航系统（INS）组成。是一种主动式的探测技术，即激光发射器发射脉冲，脉冲碰到障碍物后返回，借助高精度的时间进行计算，可对地面物体进行高精度测量。

2.2 机载Lidar 数据处理流程

具体流程如图2 所示。

图2 机载Lidar 数据处理及应用

3 倾斜摄影成果和机载Lidar 成果的应用

基于倾斜摄影技术生产的成果主要有实景三维模型、高精度的数字正射影像图和数字表面模型，基于机载Lidar 技术主要获得的数据成果为点云数据。以下就对二者在工程测量中的多方面应用进行分析介绍。

3.1 在大比例尺地形图测量中的应用

实景三维模型符合人的视觉体验，且精度高，盲区少，用来生产大比例尺地形图，是非常不错的一种作业方式，较传统的立体虚拟像对测图，该方式对作业员技术水平要求低，学习起来更容易掌握。由于在空中三角测量环节约束条件多，所以倾斜摄影生产的数据精度较垂直摄影精度更高。但是对于植被多的区域，倾斜摄影技术受到高程精度的局限，在大比例尺测图中，高程精度不能满足项目需求。鉴于此，可采用机载Lidar 技术，点云对植被具有一定的穿透作用，可直接穿透植被，获取到高精度的地面点高程，从而弥补倾斜摄影技术的不足。目前常使用的基于实景三维模型测图的软件有北京清华三维的EPS，浙江迪澳普地理信息技术有限公司的SV365，武汉航天远景的MapMatrix3D，浙江泰乐的TSD 软件、南方数码的CASS3D 软件和易绘软件等，在支持模型测图的同时，这些软件也支持直接基于点云的测图。软件的完善，也为两种技术在大比例尺地形图测绘中提供了保障，让两种技术在大比例尺地形图测绘中发挥更大的价值。

3.2 在农村房地一体地籍测绘中的应用

垂直摄影无法实现屋檐改正，且精度很难满足地籍测绘精度需求。倾斜摄影获取影像，生产实景三维模型，可直接在模型上进行屋檐改正，且精度可以达到地籍测绘精度的需求，可在农村房地一体地籍测绘中实施。由于机载Lidar 是垂直地面进行作业，无法获取屋檐下的数据，因此无法进行屋檐改正，不可用于地籍测绘项目。

3.3 在土方量计算中的应用

传统的土方量测量，利用GPS-RTK 进行全野外采点，效率非常低，且效率和土方量估算的精度成反比，因此想要更精确的估算土方量，就必须采集更多的点，这样效率太低，严重影响到后续工序的进度。三维实景模型，可以通过设置高程点采样密度，来实现对土方量的精准估算，但是这种作业方式最大的缺点是建模效率太低，且对于非裸露的地方，高程不精准，估算出来的土方量和实际的土方量差异大，不便于对工程的工作量进行评估。机载Lidar 在土方量估算中就占据了绝对优势，利用其具有穿透植被的性能，可以直接获取高精度地面高程，从而计算出精准的土方量。对于激光雷达无法直接穿透获取地面高程的物体，可借助点云滤波软件，对获取的点云数据进行滤波，得到准确的地形数据，从而获得高精度的土方量估算值，可为工程预算提供准确的资料，对后续工序的正常开展提供保障。

3.4 在道路工程测量中的应用

实景三维模型是“一张皮”模型，可以获取模型上任一点的三维坐标。机载Lidar 获取的点云数据虽然是离散的点，但是也可以通过内插的方式获取任意点的三维坐标，且两种成果精度非常高，可以满足绝大多数工程测量项目。在道路工程测量中，可利用两种成果对道路进行高程控制测量和平面控制测量，且根据项目需要，可基于两种成果数据直接采集道路两侧带状区域的地形图，并且将设计位置测设在实地。可直接基于实景三维模型采集道路中心线方向以及垂直于中心线方向的高程起伏情况，并基于以上数据直接绘制横纵断面图。并且可以定期进行航摄，从而对道路施工进度进行控制。

3.5 在建筑立面图中的测量

传统的建筑物立面图测量采用全站仪进行全野外作业，效率低、风险高，成本高。鉴于此，可采用倾斜摄影技术来对立面图进行制作。基于实景三维模型，在EPS、SV365 等软件中，将模型成果导入后，对模型成果进行裁切，确保所采集的面不被其他地物所遮挡，调整要采集的面为正视图，通过采集三个点作为立面图的投影面，然后直接在模型上进行立面图的采集与输出，较传统利用全站仪进行采集，在精度符合建筑物对立面图精度要求的前提下，可以大大提升作业效率，节约成本，使利润达到最大化。机载Lidar 是垂直从空中对地发射激光点云，无法获取建筑物侧面信息，因此不能使用该成果进行立面图的采集，但可采用地面Lidar 对建筑物进行360°的扫面，然后直接基于点云进行立面图的采集与编辑，得到建筑物立面图，在老旧小区改造、美丽乡村建设等项目中发挥着重要的作用。

3.6 在地质灾害监测中的应用

近年来，地质灾害频频发生，给人的生命和财产带来严重威胁。传统的作业方式，寻找灾害点效率低，不能很好地发现和监测灾害点，让灾害监测难以真正实施开来。倾斜摄影技术，可以实现近低空飞行，搭载的高分辨率相机，可以对地面大于2 cm的裂缝进行辨识，使灾害监测的手段有了提升。通过近低空飞行获取数据，生产实景三维模型，然后对模型进行查看，发现灾害点，并借助灾害模拟平台，将实景三维模型导入，通过以往滑坡时裂分的宽度、水平位置、垂直位移等数据，结合降雨量，模拟灾害点可能发生滑坡的条件，对滑坡后可能带来的灾害进行模拟评估,并对滑坡后的救援方案进行合理设计，确保一旦发生滑坡，可以第一时间采取合理的救援方案实施救助，将损失降到最低。

3.7 在水利工程中的应用

倾斜摄影直接获取的成果是影像，在水利工程中，可基于影像为水利工程测量提供正射影像，也可基于多视影像密集匹配技术，生产实景三维模型，为水利工程设计方案提供依据。可以基于模型生成水库周边的地形图，对水库的水位进行监测，也可监测水库周边可能发生的滑坡灾害等。倾斜摄影只是获取表面信息，并不能获取水下的地形。Lidar具有穿透性强的特点，可对水域进行穿透作业，直接获取水下地形，为安全航海等提供保障。

4 结束语

文章对倾斜摄影和机载Lidar 技术进行了说明，并对2 种成果在工程测量中的多方面应用进行了分析，得出了2 种技术的优缺点，可为同行作业人员提供有效参考，具有一定的实用性和借鉴意义。