基于无人机倾斜摄影测量系统的线性工程测量应用研究

张梁杰

（浙江纳智土地勘测规划设计有限公司，浙江 杭州 311400）

1 引言

为提升经济活力，我国持续加大了交通、水利、电力、燃气管线等基础设施的投资力度，这些工程具有跨度长、规模大、总体呈线性分布等特征[1]。测量作为线性工程最基础的工作，为线性工程的勘测设计、施工安装以及运营管理提供了重要的数据图件和技术支撑[2]。

由于线性工程特殊的地形条件,常规的线性工程测量手段通常存在工期长、劳动强度大、精度低、成本高等弊端。基于无人机平台的倾斜摄影测量技术的广泛应用，突破了传统垂直摄影测量方法的技术瓶颈，通过挂载多镜头传感器可以快速获取到地面多角度的高分辨率影像数据，可以快速生成高精度三维实景模型，省去了过多的外业测量流程，提高了数据生产的效率与质量，为线性工程测量提供了一套崭新的解决方案。

2 无人机倾斜摄影测量系统简介

2.1 无人机平台

随着无人机与数码相机技术的不断发展，基于无人机平台的数字航摄技术已显示出其独特的优势，无人机与航空摄影测量相结合，使得“无人机数字低空遥感”成为航空遥感领域的一个崭新发展方向。无人机航拍可应用于国家重大工程建设、灾害应急与处理、国土监察、资源开发、新农村和小城镇建设等方面，尤其在基础测绘、土地资源调查监测、土地利用动态监测、数字城市建设和应急救灾测绘数据获取等方面，已经得到广泛的应用。

2.2 倾斜摄影测量

摄影测量技术在新时代测绘工作中应用十分广泛，通过该技术可以更高效、精确地获取地理信息要素。但是，随着人们对精度要求的不断提高，传统摄影测量只能获取正射影像的问题也逐渐暴露出来。为弥补这一缺点，倾斜摄影测量技术应运而生。倾斜摄影测量技术有效融合了近景摄影测量与传统航测技术优势，但又与传统航测只能单架次获取地面物体下视影像的方式不同，其在飞行平台上增加了与下视方向成15°以上的前、后、左、右4个倾斜镜头，加上一个下视镜头共五个镜头，同时曝光采集地面物体的多视角高清立体倾斜影像[3]（如图1 所示），再借助于全自动高性能后处理系统，可快速构建出具有地物准确位置和清晰纹理的高分辨率真三维实景图和多种数字化测绘产品，满足各行业的生产用图需求。

图1 无人机倾斜摄影测量示意图

2.3 无人机倾斜摄影测量的优势

倾斜摄影测量自出现至今，已发展成一项较为成熟的测绘手段。该技术克服了以往航测过程中只能获取地物垂直视角影像的缺点，可同时获取多视角影像，通过获取的多角度影像，快速建立实景三维模型。总体来说，无人机倾斜摄影测量的优点有以下几方面：

（1）反映测区地物的真实情况。在倾斜摄影测量技术问世前，传统的航测只能获取垂直方向上的影像。利用倾斜摄影测量，可以获取多角度的影像和更加准确的地理信息，更加真实地反映测区地物的真实情况。

（2）自动化程度高。无人机倾斜摄影测量系统数据处理过程无需过多人工干预，可自动完成实景三维模型的建立，在已生成三维模型的基础上进行地形要素采集，并进一步生成多种数字化测绘产品。

（3）室内可实现数据的立体量测。通过配套软件的应用，可直接基于成果影像进行包括高度、长度、面积、角度、坡度等数据的量测，扩展了倾斜摄影技术在行业中的应用。

（4）数据量小易于智慧管理。相较于传统的人工三维建模技术，倾斜摄影获取的影像及输出的模型数据量要小得多，其影像的数据及模型数据格式可采用成熟的技术进行网络发布，快速实现共享及应用。

3 实例应用

3.1 项目背景

本次施测的嘉绍高速公路地处杭嘉湖平原嘉兴境内，地势平坦，水系发达，公路沿线多桥梁涵洞，两侧零星分布居民地及工厂企业，植被以水田为主，视野开阔。经过前期的现场踏勘及技术调研，本项目存在几个工作难点:（1）高速公路指挥部要求工期非常短，20 天内必须提交40km 1 ∶1000 带状图的全部成果；（2）该路段已于2013 年7 月通车，路面车流量大，如果采用传统方法派大量人员上路测绘存在重大安全隐患；（3）全封闭道路有铁丝网与外界隔断，人员进出不便，地形图实测难度大。

为解决上述困难，按时完成工作任务，最终决定采用无人机倾斜摄影测量系统进行施测。

3.2 生产流程

无人机倾斜摄影测量系统应用于线性工程测量的主要生产流程如图2 所示。

3.3 倾斜影像数据采集

（1）外业航飞

本项目采用华测导航公司的P330 Pro 纯电动垂起固定翼无人机进行倾斜数据采集（如图3 所示），P330 Pro 平台具有长航时、多载荷等优势，飞机搭载睿铂DG3 倾斜摄影相机，适用于线性工程的倾斜数据采集。根据区域围线，制定本次飞行计划，设置无人机航飞的高度为200m，获取影像地面分辨率为0.05m，航向重叠度为80%，旁向重叠度为70%。本项目按照作业范围线路方向敷设航线，一架次航程小于飞行器的最远航程，采用用地红线外扩≥200m 以确保本次航测作业全部覆盖摄区。选择有利的气象条件进行外业航飞，最终飞行30 多个架次，共获取测区16978 张倾斜影像，覆盖面积为25km2。经检查本次航摄摄区未有漏洞，目标区域边界全部覆盖，影像色彩鲜明、反差适中，无明显模糊、重影和错位现象，可用于后期产品的制作。

图2 生产流程

图3 华测P330 Pro纯电动垂起固定翼无人机

（2）像控测量

为保证成图精度，本项目像控测量全部采用平高点单航带布设方案，按分段6 点法进行布设。采用ZJCORS 网络RTK 系统进行像控点测量，测量时每个控制点观测次数不少于2 次，每次采样间隔应重启仪器，取各次测量中数作为最终结果。

3.4 倾斜三维建模数据处理

（1）数据预处理航摄飞行获取的原始影像数据，使用与相机镜头配套的专业软件进行图像后处理，对每架次飞行获取的影像数据进行及时、认真的检查和预处理，对不合格的区域需进行补飞，确保所有的影像清晰、色彩柔和无反差、拼接无明显重影和错位现象。

（2）空三处理

空三处理使用Context Capture 软件，该软件的AT 模块采用光束法局域网平差，支持垂直影像和倾斜影像同时导入参与空三计算，根据外业测定的像控点成果提取特征点和同名像对，再通过连接点匹配、相对定向、区域网联合平差等步骤，最终获取到空中三角测量成果。

（3）实景三维模型制作

本项目利用Smart3D 软件进行实景三维模型的生产，由于模型制作的计算任务量较大，为提高数据处理速度，在处理过程中将摄区分割成多个模型单元进行处理，同时工作站采用并行CPU 框架硬盘。以空三成果作为数据源,Smart3D 软件无需人工干预就能全自动快速生成逼真的实景三维模型。测区部分正射影像和实景三维模型如图4 所示。

图4 测区部分正射影像和实景三维模型

（4）带状地形图测制

在实景三维模型建立完成后，基于Cass3D 进行带状地形图要素采集，内容主要有宅基地及其上定着物与附着物，道路、水系等。测图成果为初级DWG 格式的线划图，采用CASS9.1 进行图形数据的编辑。

（5）外业调绘补测

矢量数据测图完毕，经粗略编辑后的数字线化图打印输出进行外业调绘，对原图上错绘和遗漏的地物、地貌进行补测，测注高程注记点，同时调注各种地理名称、房屋层数结构等，赋予属性信息，外业调绘完成后再转内业进行成果整理，经质量检查合格后完成带状地形图的测制。

3.5 精度检查

为了检测本次实景三维模型成果以及带状地形图的精度，均匀选取三维模型与地形图内房角以及地面具有明显特征的若干个检查点，利用全站仪和ZJCORS网络RTK 实测的方法，将实测坐标与从模型及地形图上量测的解析坐标进行比对，经统计分析后的结果如表1 所示。

表1 实景三维模型与带状地形图精度检查统计

从表1 的检查结果可以看出:实景三维模型像控点的平面位置中误差为2.81cm,高程中误差为3.35cm ；检查点的平面位置中误差为3.89cm,高程中误差为4.97cm。带状地形图检查点的平面中误差为4.21cm,高程中误差为5.23cm,均满足《三维地理信息模型数据产品规范》(CH/T9015-2012)以及《公路勘测规范》（JTG C10-2018）的相关精度要求[4]。

4 结束语

无人机倾斜摄影测量系统具有机动灵活、高效、成本低、精度高等优势，本项目利用该技术成功完成了40km 的高速公路测量任务，其构建的三维实景模型真实逼真、纹理丰富，生成的正射影像以及带状地形图在精度上完全满足线性工程的实际生产需求，为线性工程测量提供了一条崭新的技术思路。针对线性工程战线长、专业性强等特点，通过本次应用，提出以下两点建议：

（1）选用长航时、图传距离长的无人机，这样就可以减少飞行架次，节省外业时间。

（2）针对建模处理工作量大的问题，建议工作站采用并行CPU 框架硬盘，专用硬盘存储可保证快速数据读取及高效计算[5]，处理能力极大提高。