李錦通，焦 龍，陳思遠

（中建四局第六建設(shè)有限公司 合肥 230011）

0 前言

我國科技飛速發(fā)展進程中，無人機攝影測量被應(yīng)用在各個領(lǐng)域，與普通的測量技術(shù)相比具有明顯優(yōu)勢，可為各類工程提供極大便利。隨著無人機搭載的攝像頭性能的不斷提高，在進行工程測繪工作中也相應(yīng)地提高了數(shù)據(jù)參數(shù)精度。

1 無人機攝影測量

1.1 無人機攝影測量

無人機攝影測量是指利用多旋翼或固定翼的無人飛行器平臺，搭載單鏡頭或多鏡頭的相機傳感器，以及小型機載RTK等獲取數(shù)據(jù)的一種先進測繪技術(shù)，真實反映了地物的外觀、位置、高度等屬性，快速采集影像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)三維建模。但在應(yīng)用過程中存在分辨率不一致、精度不可靠等問題，為滿足成果質(zhì)量、提高測量精度，通過改變傳統(tǒng)航空攝影只從垂直角度拍攝地物的方式，利用傾斜攝影在同一平臺搭載多臺傳感器，從垂直、側(cè)視等不同的角度采集影像，再進行校正、空中三角測量增加控制點密集度等處理，可將測量參數(shù)精確到亞米級，完全滿足工程正常條件下的精度要求［1］。

1.2 工程測量中的無人機系統(tǒng)

無人機系統(tǒng)主要包括：飛行平臺、飛行導(dǎo)航與控制系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、機載相機設(shè)備、POS設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、發(fā)射與回收系統(tǒng)、附屬設(shè)備等。在面積大、跨度長的大型工程中，常用固定翼無人機攝影測量，其優(yōu)勢為飛行距離長、巡航面積大、飛行速度快、飛行高度高；而在中小型工程中，則適用多旋翼無人機攝影測量，其優(yōu)勢為體積小、重量輕，可以垂直起降、懸停、側(cè)飛、倒飛，具有很強的機動性，結(jié)構(gòu)簡單控制靈活，成本低，螺旋槳小，安全性好，拆卸方便，且易于維護。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)配合Pix4Dmapper 航拍影像處理軟件，生成高精度帶有地理坐標(biāo)的二維地圖及三維模型［2］。

1.3 無人機建模技術(shù)流程

無人機建模技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 無人機建模技術(shù)流程Fig.1 Drone Modeling Technology Flowchart

2 無人機攝影測量三維建模技術(shù)

2.1 測繪基準(zhǔn)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)格式

⑴基準(zhǔn)系統(tǒng)：采用WGS-84 大地坐標(biāo)系，也可根據(jù)工程需要自行設(shè)定或轉(zhuǎn)換。

⑵數(shù)據(jù)格式：攝影照片為JPG 格式，輸出模型選擇應(yīng)用軟件所需私有格式。

2.2 航攝儀獲取照片與質(zhì)量檢查

為保證獲取的照片在處理后可應(yīng)用于工程，需滿足航向重疊≥60%，旁向重疊≥30%，正射攝影測量時相機鏡頭必須保持垂直于云臺90°向下，如圖2?所示。

傾斜攝影測量保持相機的前后傾角小于40°，左右傾角小于35°，如圖2?所示。

圖2 攝影測量Fig.2 Photogramgram Measurements

飛行高度根據(jù)工程應(yīng)用所需要的地面影像分辨率設(shè)定，且選擇良好的天氣進行外業(yè)航飛。然后輸入Pix4Dmapper 進行數(shù)據(jù)處理質(zhì)量檢查，用于生產(chǎn)正射影像圖、數(shù)字表面模型、數(shù)字地面模型、瓦片、三維模型、三維點云以及空三加密等［3］。

2.3 無人機影像校正

對外業(yè)航攝的所有影像進行校正，主要內(nèi)容是對影像進行勻色勻光處理、校正畸變差、降噪等［4］。圖像校正根據(jù)投影幾何中直線中心投影變換進行檢測，從而進行畸變圖像校正，對整張照片進行降噪處理，從而同時降低由于圖像畸變與圖像噪聲對于三維重建精度的影響。

2.4 建模精度與圖像分辨率

了解工程分類所需測繪及包含地面影像分辨率的三維重建任務(wù)，計算出飛行器的允許攝影高度并依據(jù)當(dāng)?shù)禺?dāng)時的氣象及航空管制情況，確定最佳的飛行高度以保障足夠的圖像分辨率，從而保障工程建模精度。

3 無人機攝影測量三維建模在工程的應(yīng)用

3.1 工程應(yīng)用無人機及輔助工具

對無人機攝影測量的研究方法是理論基礎(chǔ)與工程實踐相結(jié)合，所在工程廣州南站區(qū)域地下空間及市政配套設(shè)施工程項目，占地面積20 萬m2，最長跨度1.2 km，屬于中型工程，應(yīng)用于研究的是四旋翼無人機大疆御Mavic2專業(yè)版，搭載L1D-20c哈蘇相機配合高精度云臺。地面站軟件使用大疆公司開發(fā)的DJI GS PRO，對無人機全自動航線規(guī)劃、相關(guān)參數(shù)設(shè)置、自動拍攝與實時監(jiān)測。

3.2 航攝儀取景及像控點刺點

由于地下空間工程所處地勢無明顯高度障礙物，滿足地面影像分辨率的同時，選取飛行高度150 m，采用無人機正射攝影測量。工程東西最大跨度1 200 m，南北最大跨度430 m，所用大疆御2 Pro 無人機無屏幕遙控器連接飛行器信號安全范圍≤800 m，為滿足地面站定點航飛的完成，將起始點放置于以東西方向中部，遙控器有線連接搭載有DJ1 GS PRO 軟件的平板電腦，無線連接飛行器，角度可根據(jù)工程地形調(diào)整，共計航拍影像286張。工程表面由于不同地勢地貌的影響，存在凹凸不平的現(xiàn)象，因此利用無人機拍攝所得到的像點位移難以將實際的情況體現(xiàn)出來，對像控點的布設(shè)尤為重要［5］。廣州南站區(qū)域地下空間及市政配套設(shè)施工程項目穿插道路較多且交通指示標(biāo)記明顯，像控點均選擇為道路指示箭頭，使用動態(tài)RTK 進行數(shù)據(jù)采集輸出CSV 格式手簿，導(dǎo)入Pix4Dmapper 軟件，如圖3所示。

圖3 導(dǎo)入像控點Fig.3 Imports Like Handles

檢查像控點精度，刪除覆蓋照片極少與坐標(biāo)誤差比較大的像控點（如圖3 中點3D GCP6），以確保最終成果精度，然后進行刺點，每個控制點至少要在2張影像中標(biāo)注。

3.3 圖像初步處理

在Pix4Dmapper 中初步處理，對所有影像進行檢查并生成質(zhì)量報告，生成報告檢查數(shù)據(jù)集、相機參數(shù)優(yōu)化質(zhì)量和像控點精度參數(shù)。當(dāng)質(zhì)量報告各參數(shù)都滿足工程要求后，開始高精度處理，進行特征點匹配、優(yōu)化內(nèi)外方位角參數(shù)等操作。參數(shù)設(shè)置完畢后，通過軟件進行高精度處理［6］，生成圖像POS 數(shù)據(jù)位置點，連接各點生成飛行軌跡圖。

3.4 空中三角測量增加控制點密集度

空三加密是在無人機完成空中三角測量之后，為增加影像地面控制點的密集程度，獲取遙感影像空中攝影瞬間的姿態(tài)參數(shù)，滿足后續(xù)成果的生產(chǎn)，減少外業(yè)像控點的過程。高精度處理過后，進行空三點云加密處理，處理參數(shù)有像素比例、點云過濾器材成果平滑以及輸出文件格式［7］。

3.5 數(shù)字模型與正射影像圖

空三加密處理后進行DOM（正射影像）與DSM（數(shù)字表面模型）參數(shù)設(shè)置，避免生成分塊狀的DSM與邊角區(qū)域過多的模糊扭曲。之后生成DSM數(shù)據(jù)集，利用正射影像編輯器調(diào)整拼接線，切換投影面，最終可以在混合影像中生成DOM（正射影像圖）與DSM圖，完成本次無人機攝影測量對廣州南站區(qū)域地下空間及市政配套設(shè)施工程項目的建模應(yīng)用，如圖4～圖5所示。

圖4 正射影像Fig.4 Orthographic Image

圖5 DSM數(shù)字表面模型Fig.5 DSM Digital Surface Model

3.6 數(shù)據(jù)處理成果應(yīng)用

3.6.1 土石方填挖算量和土方平衡

傳統(tǒng)的土方量計算方法觀測效率低，地形復(fù)雜地區(qū)精度差，廣州南站區(qū)域地下空間及市政配套設(shè)施工程項目利用無人機攝影測量采集地面影像數(shù)據(jù)生成地面實景三維模型，在三維模型上對八號出入口進行特征點采集，可以直觀、全面地采集碎部點坐標(biāo)，利用DTM 法根據(jù)坐標(biāo)文件計算土方量，最終得出出入口共需挖1 361.5 m3，如圖6 所示，經(jīng)驗證后也得到了現(xiàn)場監(jiān)理的肯定，認(rèn)可此方法提高了工作效率，減小了人工勞動強度。

圖6 土方量填挖結(jié)果Fig.6 The Result of the Earth-for-earth Excavation

工程建設(shè)開發(fā)期，要將自然地貌平整，此時土方量的大小決定工程投資［8］。使用無人機攝影測量采集施工現(xiàn)場預(yù)設(shè)鋼筋加工區(qū)域高程點，平場面積為6 489.2 m2，最大高程8.977 m，最小高程7.354 m，可以得到準(zhǔn)確的現(xiàn)場整平高度為7.769 m，如圖7 所示，不需要車輛內(nèi)、外運輸土石，減少了工期消耗。

圖7 區(qū)域土方量整平結(jié)果Fig.7 The Result of the Regional Earth Mass Leveling

3.6.2 大比例尺地形圖繪制

以數(shù)字正射影像（DOM）、數(shù)字表面模型（DSM）數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，生成垂直攝影三維模型，如圖8 所示，實現(xiàn)二、三維聯(lián)動顯示和立體測圖，依次繪制基坑、支撐梁、平臺、道路、植被等地物，然后根據(jù)項目需要補繪各類建筑物并賦予相應(yīng)地物編碼，最終可以得到包含坐標(biāo)及高程信息的1∶500大比例尺線劃地形圖DLG，且精度滿足航空攝影測量數(shù)字化測圖規(guī)范［9］，如圖9所示。

圖8 項目三維模型建立Fig.8 Project 3D Model Construction

圖9 生成項目大比例尺地形圖Fig.9 Create a Large Scale Topographic Map of the Project

3.6.3 復(fù)核現(xiàn)場放樣坐標(biāo)及標(biāo)高

工程施工期，對梁、柱、墻、板面等測量放樣后，測量人員需對施工完成的插筋、支模等位置復(fù)核坐標(biāo)與標(biāo)高，以保證過程質(zhì)量，是測量人員不可規(guī)避的繁重任務(wù)。使用無人機航測生成的正射影像圖可以在圖上選點直接反映出需要復(fù)核點的坐標(biāo)及高程，通過和設(shè)計圖紙對比進行復(fù)核［10］，將需要投入大量人員和時間的外業(yè)工作轉(zhuǎn)變?yōu)橹恍枰蝗思纯刹僮鞯膬?nèi)業(yè)任務(wù)，極大縮減了工程中測量人員的投入，提高了測量復(fù)核工作的效率，加快了工期進度，如圖10所示。

3.6.4 清障環(huán)保及作業(yè)進度監(jiān)察

無人機獲取的照片處理為三維點云之后，根據(jù)項目要求對數(shù)據(jù)進行后期點云分類處理，過濾掉不需要的物體，將植被、車輛和人造物體矢量化和提取。結(jié)合廣州市對于建筑工程項目提出了環(huán)境管理方面6個100%的要求，可以根據(jù)航拍照片的可見光折射程度，反映出施工區(qū)域揚塵是否嚴(yán)重。日?？梢愿鶕?jù)定期的航攝圖片對比，檢查項目場地內(nèi)裸土覆蓋有無遺漏，除塵降塵設(shè)備布置是否覆蓋場地全部區(qū)域，對項目環(huán)保工作的策劃與實施提供參考，如圖11所示。

圖11 項目全景航攝圖實時監(jiān)察Fig.11 Project Panoramic Aerial Image Real-time Monitoring

對施工過程中出現(xiàn)多處違規(guī)堆棄的建筑材料，如“亂占”、“亂采”、“亂堆”、“亂建”等給項目造成重大安全隱患的問題及時發(fā)現(xiàn)并清理［11］。日常也可以根據(jù)定期的航攝圖片對比，掌握項目階段性工作進展，結(jié)合預(yù)定工期進行分析，為項目場地策劃與施工安排提供更加高效、直觀、全面的數(shù)據(jù)支持，如圖12所示。

圖12 標(biāo)識現(xiàn)場“四亂”區(qū)域Fig.12 Identify the“Messy”Area of the Site

4 總結(jié)

4.1 總結(jié)

本次工程實踐通過使用大疆御2 Pro 無人機攝影測量，提出一套以還原施工現(xiàn)場數(shù)字模型及三維模型為目標(biāo)的流程方案，通過無人機航攝現(xiàn)場實際情況的照片，軟件處理的成果包含工程的三維地理信息以及現(xiàn)場實況影像資料［12］?？梢栽诠こ桃?guī)劃、設(shè)計和審查階段做現(xiàn)場勘查，利于全面了解施工地區(qū)及周邊的環(huán)境，在施工期間，無人機可以針對性地對面積、土石方體積、植被覆蓋度、工程外觀等進行勘查、測量及繪制地形圖，減輕人工勞動強度的同時縮短了時間成本。

4.2 展望

相較于傳統(tǒng)測繪模式，無人機攝影測量技術(shù)為工程施工中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查提供了全新的方式。我們在今后的工程中需要積極引進，廣泛拓展應(yīng)用領(lǐng)域，探索無人機攝影測量技術(shù)的實施和應(yīng)用路線，在輸出多種格式成果的基礎(chǔ)上，配合多款軟件（PhotoScan、3Dmax、Smart3D 等），可以用來生成實景三維模型［13］，提供準(zhǔn)確、可靠的信息，獲取更加全面的地物紋理細(xì)節(jié)，便于更加準(zhǔn)確地進行設(shè)計與施工，有效避免重建工作，縮短建設(shè)時間。