倾斜摄影在城市道路竣工测量中的应用分析

童杨津，丁进选*，赵文峰，蔡 军，李 广，陈弘祖

（1.深圳市长勘勘察设计有限公司，广东 深圳 518003；2.贺州学院，广西 贺州 542899；3.广州天派空间科技有限公司，广州 510055）

近年，无人机倾斜摄影测量技术已成为国内测绘领域应用研究的热点，相较传统测量方式，因其自动化程度高、能大大缩短外业时间等优点在各类测绘项目均有应用研究[1-6]。城市道路竣工测量作为城市道路规划监督的重要环节，其结果是判定城市道路工程施工是否符合规划设计要求及能否顺利竣工验收的重要依据。因此，选择合适的高精度、高效的测量方法实施是城市道路竣工测量项目首要考虑的问题。徐宁等[7]利用车载三维激光测量系统进行城市道路竣工测量，结果表明平面精度及高程精度分别可达11.0 cm、6.6 cm，同时能有效缩短作业时间。杨铭[8]从精度及内外业作业效率等方面对比了地面三维激光扫描、背包式移动扫描、无人机倾斜摄影等3种方法在城市道路竣工测量中的应用表现，结果显示平面及高程精度均优于5 cm，满足道路竣工测量的要求，作业效率较传统方法优势明显。然而影响倾斜摄影测量精度的因素较多，如相机镜头、飞行相对高度、刺点精度等，同时实测-设计数据符合性比对也是竣工测量工作中的重要组成部分，其比对方法的简便性也是选择竣工测量方法需考虑的因素之一。

为此，本文以深圳市某道路改造工程竣工测量为例，利用低空无人机对项目测区进行倾斜摄影并生成实景三维模型，通过空三精度、模型精度、设计-实测数据比对方法等方面分析倾斜摄影测量在城市道路竣工测量的普适性，同时尝试采用倾斜摄影点云+三维激光点云融合建模，为后续道路竣工测量提供新的思路。

1 项目概况

项目位于深圳市龙岗区，道路呈东西走向，全长约3.3 km。本次道路改造将原来的主线双向四车道或六车道改造成双向八车道，红线规划宽度为50～65 m，路幅实际控制宽度为50 m，整个标段设有3座人行天桥。该项目于2017年2月开工建设，2019年10月全线竣工。本次竣工测量的内容主要包括道路部分、管线部分（管线部分不在本论文研究范围内）和桥梁部分的内容。道路部分主要包括道路起、终点位置测绘，道路纵、横断面图测绘及1∶500竣工现状图测绘，桥梁部分为人行天桥桥长、桥宽、桥高测量及桥墩、桥体平面位置测量等。三维模型俯视图如图1所示。

图1 三维模型俯视图

2 试验方案

2.1 控制测量

竣工测量前，沿道路两侧按折线形布测平高控制点26个，为尽量减少控制点间的误差对模型精度的影响，控制点平面坐标和高程分别按二级、四等水准[9]要求进行施测。

2.2 飞行方案

本项目采用致睿智控六旋翼无人机进行航测，该无人机搭载5镜头相机，相幅大小为15.6 mm×23.5 mm，倾斜相机镜头焦距均为35mm，下视相机镜头焦距为25mm，总像素达1.2亿。考虑项目周边现场情况及检验倾斜摄影在城市道路竣工测量的普适性，飞行高度设定为150m，其余参数如飞行速度设为10 m/s，飞行航向、旁向重叠率分别设置为85%和80%，共飞行4个架次，相片总数达11 664幅。航线示意图如图2所示。

图2 航线示意图

3 数据处理及分析

3.1 数据处理及精度分析

采用建模软件进行空三处理和三维建模，26个控制点中有9个控制点设置为检查点，以重投影中误差、光线距离中误差、平面误差及高程误差等作为控制点、检查点空三精度指标，控制点、检查点空三精度分别如图3（a）、图3（b）所示，结果表明控制点/检查点的空三总体精度良好且高程误差均优于平面误差，检查点的各项精度指标数值总体略高于控制点。

图3 控制点/检查点空三精度

利用iData 3D软件直接在生成的实景三维模型上取点并绘制1∶500地形图。为验证模型精度，利用全站仪在控制点架站，采用极坐标法采集检测坐标点共90个，同时对选取的56条边长进行检测，其中检测边长处于0.6～35.4 m，检测点主要为路幅范围内有明显标识的点位，检测边为绿化带、非机动车道、机动车道、人行道等宽度、人行天桥长宽及其他易于比较的边线等。

图4分别显示了检测点与三维模型取点的点位较差、高程较差以及检测边的边长较差，较差总体分布于区间（-5 cm，5 cm）内，采用下列公式[10]分别计算点位中误差、高程中误差及边长中误差

图4 检测点（边）较差

式中：M为成果中误差；n为检测点（边）总数；Δi为较差。经计算，检测点点位中误差、高程中误差及检测边边长中误差分别为±3.8 cm、±2.7 cm、±3.6 cm，结果表明本次路幅范围内构建的三维模型精度良好，且高程精度优于平面精度，满足本工程道路部分及桥梁部分（桥墩平面位置、天桥桥下净空高除外）竣工测量要求。

3.2 设计-实测数据符合性比对方法

设计值与实测值符合性的比对工作，一般以当地规划主管部门存档盖章的设计图纸作为设计依据，通过实测现状数据与设计数据比对确定道路施工是否满足规划设计要求，是竣工测量中最耗时、最重要的工作之一。而通过倾斜摄影测量生成实景三维模型，借助iData 3D等三维立体数据采集平台，可以实现设计电子图（确保与存档盖章图纸相一致）与实测电子图在二维窗口叠加比对分析，同时与三维模型窗口联动，能够直观地对比出设计图与实测图的差异性，相比传统测绘技术对应的比对手段，更加直观、便捷与高效。设计-实测数据叠加比对如图5所示。

图5 设计-实测数据叠加比对

4 点云融合建模

受无人机飞行路径规划方法影响，倾斜相机存在视线遮挡区域，导致模型存在误差大或局部变形等问题[11]，如桥墩模型变形及破洞，导致从桥墩模型上不能准确测量其平面位置，因此在含有人行天桥或高架桥的部分道路竣工测量项目中难以运用单一倾斜摄影测量法完成，需通过全站仪或三维激光扫描仪进行补测。针对上述问题，选取了一段200 m左右的路段（含人行天桥）作为试验，利用GeoSLAM（ZEB-HORIZON）移动扫描仪进行现场扫描，尝试采用倾斜摄影点云与三维激光点云融合建模，点云融合如图6所示。

图6 点云融合

图7分别列举了点云融合所建模型与倾斜摄影模型在人行天桥桥墩桥体、护栏及路牙等地物模型上的对比图，其中图7（a）、7（c）、7（e）为倾斜摄影模型，图7（b）、7（d）、7（f）为点云融合后生成的模型，可以看出点云融合所建三维模型在模型结构表达上优于倾斜摄影模型。至于点云融合所生成的模型绝对精度，在倾斜摄影点云精度一定的情况下，主要与三维激光点云配准、坐标转换精度具有很大关系，在后续工作中需做进一步研究。

图7 模型对比图

5 结论

本文以深圳市某道路改造工程竣工测量为例，运用无人机倾斜摄影测量技术进行城市道路竣工测量，通过对空三精度、模型精度及设计-实测数据符合性比对方法等分析，表明倾斜摄影测量满足道路竣工测量的要求，且具有高效性、直观性和易于对比施工设计图等优点。为解决模型缺陷问题，尝试倾斜摄影点云+三维激光点云融合建模，结果显示点云融合所建模型在道路及其附属设施结构表达上优于倾斜摄影模型，为后续道路竣工测量项目的实施提供了新的思路。