王 頔，王 朝，亢保軍

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300220）

引言

近年來，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)逐漸發(fā)展成為了地形測(cè)量的主流技術(shù)，該技術(shù)通過無人機(jī)搭載多個(gè)鏡頭相機(jī)，采集多個(gè)視角的地物影像數(shù)據(jù)，獲取地物頂部及側(cè)面高分辨率紋理信息，通過空三解算和建模方法，構(gòu)建實(shí)景三維模型。朱征等[1]以傾斜攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)白格堰塞區(qū)復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行了三維數(shù)字模型重建，講解了無人機(jī)數(shù)據(jù)采集的步驟要點(diǎn)。毛清政[2]對(duì)傾斜攝影測(cè)量中影響模型精度的像控點(diǎn)數(shù)量展開探討。曲林等[3]在數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上講解了實(shí)景三維建模的方法，并對(duì)其應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了探討。羅萬波[4]通過對(duì)泉州地區(qū)進(jìn)行三維建模，提出了生產(chǎn)三維實(shí)景模型的方案，并探討了大規(guī)模實(shí)景三維模型的數(shù)據(jù)管理方法和基于表面約束水面重建的解決方案。隨著該技術(shù)的發(fā)展，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)也逐漸應(yīng)用于水運(yùn)行業(yè)，但由于港區(qū)地形多為涉水區(qū)域，尤其是條帶狀的地形如延伸出去的防波堤，LNG 碼頭等紋理信息較弱，難以通過空三解算形成三維實(shí)景模型，因此本文針對(duì)港口地區(qū)條帶狀地形進(jìn)行對(duì)比研究。

1 研究?jī)?nèi)容與流程

本次研究共分為四個(gè)方面的內(nèi)容，通過選取已有項(xiàng)目中條帶狀地物，對(duì)比分析其技術(shù)方案的設(shè)計(jì)，像控點(diǎn)的布設(shè)方案、空三解算精度及模型精細(xì)程度四個(gè)方面，尋找適用于港口地區(qū)條帶狀地物的傾斜攝影測(cè)量采集方法，技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 技術(shù)路線

2 研究區(qū)域概況

本次研究共選取已有項(xiàng)目具有代表性的三個(gè)常見的港區(qū)條帶狀區(qū)域開展本次研究工作，三個(gè)研究區(qū)均大面積涉水，且存在大面積弱紋理信息特征地形，以此開展傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用研究十分具有代表性，如圖2 所示。研究區(qū)1 為常見延伸入海的碼頭類型，長(zhǎng)約1 000 m，寬約20 m 的弱紋理道路，兩側(cè)均為海水，延伸區(qū)域長(zhǎng)約220 m，寬約70 m，四面環(huán)水；研究區(qū)2 為港區(qū)常見的防波堤類型，該區(qū)域長(zhǎng)約1 400 m，寬約17 m，為扭王字塊堆積而成，兩側(cè)隨海水漲落潮顯現(xiàn)，人員行走困難且難以尋找平面位置進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè)。研究區(qū)3 為近港口的倒L 型碼頭，四面環(huán)水，且有架空管道及各種附屬設(shè)施，離岸長(zhǎng)約140 m，寬約30 m，南北向長(zhǎng)約340 m，寬約20 m。

圖2 研究區(qū)域示意

3 對(duì)比分析

3.1 技術(shù)方案的設(shè)計(jì)

本次開展的相關(guān)研究均使用大疆M600pro 六旋翼無人機(jī)搭載睿鉑RIY-D2Pros 五鏡頭相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。研究區(qū)1 設(shè)置南北向沿長(zhǎng)邊飛行，飛行高度90 m，飛行范圍由于大橋?yàn)槁访鏌o高大建筑未外擴(kuò)航高，東西向延伸區(qū)域由于存在高達(dá)建筑單獨(dú)外擴(kuò)航高90 m，地面分辨率1.6 cm，航向重疊率80 %，旁向重疊率83 %，共飛行2 個(gè)架次。研究區(qū)2 設(shè)置垂直于長(zhǎng)邊飛行，飛行高度120 m，為保證地面高大建筑物的側(cè)面紋理，飛行范圍外擴(kuò)航高120 m，地面分辨率2.1 cm，航向重疊率80 %，旁向重疊率83 %，共飛行1 個(gè)架次。研究區(qū)3 設(shè)置沿防波堤長(zhǎng)邊方向飛行，飛行高度60 m，由于防波堤地面起伏不大，所以未外擴(kuò)航高，地面分辨率1.1 cm，航向重疊率80 %，旁向重疊率83 %，共飛行3 個(gè)架次。

3.2 像控點(diǎn)的布設(shè)方案

研究區(qū)1 考慮到該區(qū)域長(zhǎng)度達(dá)到了1 000 m，且橋面均為路面，紋理較少難以識(shí)別，為確保模型精度，采用成對(duì)布設(shè)的方式布設(shè)像控點(diǎn)，每間隔約250 m 布設(shè)一對(duì)像控點(diǎn)，共計(jì)布設(shè)像控點(diǎn)13 個(gè)，像控點(diǎn)分布如圖3（a）所示。研究區(qū)2 由于防波堤區(qū)域較難找到平面位置，且防波堤中間高兩邊低的形態(tài)分布，采用單點(diǎn)布設(shè)的方式布設(shè)像控點(diǎn)，每間隔約260 m 布設(shè)一個(gè)像控點(diǎn)，共計(jì)布設(shè)像控點(diǎn)6 個(gè)，像控點(diǎn)分布如圖3（b）所示。研究區(qū)3 由于測(cè)區(qū)面積較小，采用四個(gè)角點(diǎn)的方式布設(shè)像控點(diǎn)，共計(jì)布設(shè)像控點(diǎn)4 個(gè)，像控點(diǎn)分布如圖3（c）所示。

圖3 像控點(diǎn)分布

3.3 空三解算精度

將采集數(shù)據(jù)導(dǎo)入Smart3D 軟件進(jìn)行空中三角測(cè)量，通過使用原始POS 數(shù)據(jù)做剛體變換進(jìn)行初步空三計(jì)算，提取特征點(diǎn)，進(jìn)行同名點(diǎn)匹配、迭代平差、畸變矯正獲取外方位元素，然后根據(jù)初步空三成果進(jìn)行控制點(diǎn)刺點(diǎn)，使用控制點(diǎn)進(jìn)行平差計(jì)算，直至空三結(jié)果正確且精度滿足規(guī)范要求，通過空三解算結(jié)果生成實(shí)景三維模型。為實(shí)際檢驗(yàn)實(shí)景三維模型建模精度，通過研究區(qū)采集的均勻分布的檢核點(diǎn)進(jìn)行精度檢核，在三維模型中刺出檢核點(diǎn)位置，最后將檢核點(diǎn)影像刺點(diǎn)坐標(biāo)與實(shí)測(cè)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。經(jīng)統(tǒng)計(jì)研究區(qū)1，平面中誤差0.018 m，高程0.020 m；研究區(qū)2，平面中誤差0.034 m，高程0.018 m；研究區(qū)3，平面中誤差0.066 m，高程0.010 m。

3.4 模型精細(xì)程度

綜合對(duì)比三個(gè)研究區(qū)的實(shí)景三維模型，通過觀察模型是否有扭曲變形、漏洞、飛點(diǎn)等問題判斷模型的精細(xì)程度，經(jīng)過對(duì)比發(fā)現(xiàn)研究區(qū)2 實(shí)景三維模型精細(xì)度最好，防波堤無任何扭曲變形及破洞現(xiàn)象。研究區(qū)1 及研究區(qū)3 的三維實(shí)景模型效果均完整較好，但存在局部輕微扭曲變形，如鏤空的設(shè)施（如鏤空鐵門、信號(hào)塔、輸油臂等）存在局部空洞使用單一顏色補(bǔ)充現(xiàn)象。

1）研究區(qū)1 的整體實(shí)景三維模型完好，大橋橋面連接真實(shí)平整，但由于橋面區(qū)域未外擴(kuò)航高，底部橋墩區(qū)域未露出，需后期單體化修模進(jìn)行補(bǔ)充；模型中的高大建筑完整真實(shí)，房角線平直無錯(cuò)位，但鏤空的設(shè)施如房頂?shù)男盘?hào)塔、柵欄型鐵門則顯示存在部分缺失，可移動(dòng)的龍門吊考慮移動(dòng)作業(yè)的原因存在小型局部破洞（已進(jìn)行單一顏色補(bǔ)充），如圖4 所示。

圖4 研究區(qū)1 三維實(shí)景模型局部放大

2）研究區(qū)2 的整體實(shí)景三維模型完好，整條防波堤顯示完整，連接無扭曲變形、破洞現(xiàn)象，各個(gè)扭王字塊顯示真實(shí)，無扭曲變形現(xiàn)象，如圖5 所示。

3）研究區(qū)3 的整體實(shí)景三維模型完好，長(zhǎng)條形路面及管線架顯示真實(shí)完整，路面平整、標(biāo)線完整，管線架顯示完好，各管道線路清晰，連接無扭曲錯(cuò)位。高大鏤空的設(shè)施設(shè)備如輸油臂存在小型局部破洞（以進(jìn)行單一顏色補(bǔ)充），如圖6 所示。

圖6 研究區(qū)3 三維實(shí)景模型局部放大

4 小結(jié)

本次研究選取了港口具有代表性的三塊條帶狀區(qū)域作為研究區(qū)開展本次對(duì)比研究工作，分別從技術(shù)方案的設(shè)計(jì)，像控點(diǎn)的布設(shè)方案、空三解算精度及模型精細(xì)程度四個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析，尋求適用于港口條帶狀區(qū)域數(shù)據(jù)采集方法。通過上文四個(gè)部分的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)操作可顯著提高空中三角測(cè)量通過度及模型精度：

1）飛行條帶狀區(qū)域時(shí)應(yīng)適當(dāng)降低飛行高度，保證每張圖片中的地形數(shù)據(jù)占據(jù)1/3 以上，避免水體過多。

2）若沿長(zhǎng)邊飛行，適當(dāng)提高旁向重疊度，保證測(cè)繪區(qū)域覆蓋多條航線，若條件允許的情況下垂直于長(zhǎng)邊飛行效果更好。

3）像控點(diǎn)布設(shè)時(shí)成對(duì)布設(shè)模式可提高空中三角測(cè)量通過度，且模型精度更高。

5 結(jié)語

通過傾斜攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)港區(qū)條帶狀特征的三塊研究區(qū)域進(jìn)行了對(duì)比研究，總結(jié)出適用于大范圍水域中條帶狀地形的數(shù)據(jù)采集方法，具備較強(qiáng)的實(shí)操性，可得到高精度的實(shí)景三維模型，為類似的傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景提供新的解決思路和參考借鑒。

本文的研究數(shù)據(jù)均為具體項(xiàng)目實(shí)施過程中所采集和處理的實(shí)景三維模型，所采用的技術(shù)方法也以滿足工程要求為主要目的，未進(jìn)行針對(duì)性的固定航高、固定航線方向、固定像控點(diǎn)數(shù)量或間隔等單一因子的分析研究，故所得結(jié)論僅為針對(duì)已有研究成果做出的總結(jié)，在今后的工程應(yīng)用中還需經(jīng)過進(jìn)一步的實(shí)踐檢驗(yàn)。