史豐博

（天水三和數(shù)碼測繪院有限公司，甘肅 天水 741000）

工程測量的任務(wù)分為2 個部分，一是研究幾何形狀，二是研究物體在空間的位置坐標(biāo)。傳統(tǒng)的工程測量采用水準(zhǔn)儀、全站儀等設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集，這種作業(yè)方式效率低、成本高、風(fēng)險性高、工作量大，對于部分地區(qū)作業(yè)難度也大。隨著導(dǎo)航定位精度的提高和GPS-RTK 技術(shù)的成熟，工程測量作業(yè)方式發(fā)生了改變，較以往的作業(yè)方式效率提升了不少，但是對于大型項目，仍然不能滿足項目工期的需求。這幾種作業(yè)方式獲取數(shù)據(jù)都是在地面上完成，隨著無人機技術(shù)的迅速發(fā)展和非量測數(shù)碼相機成本的下降，以及小像幅影像解算技術(shù)的完善，讓傳統(tǒng)的工程測量作業(yè)方式從地面轉(zhuǎn)到空中成為可能。無人機垂直攝影是掛載垂直鏡頭，從空中對地面拍攝，依據(jù)共線方程和地面像控點，從而加密出像片上任何一點的三維坐標(biāo)，這較GPS-RTK 技術(shù)，提升了效率，有了很大的進步，但是這種作業(yè)控制是利用GPSRTK 做的，加上無人機影像畸變等問題，導(dǎo)致生產(chǎn)的數(shù)據(jù)成果精度較低，對于精度要求高的項目，很難滿足項目精度需求[1]。隨著傾斜攝影技術(shù)的出現(xiàn)和多視影像密集匹配算法的完善，利用多視影像進行自動化建模，可以獲取同一地物多個角度的數(shù)據(jù)，增加了冗余度，使匹配精度更加準(zhǔn)確，且生產(chǎn)的模型可以360°觀察與測量，對于垂直攝影難以解決的屋檐改正問題，傾斜攝影完美解決了[2]。這種作業(yè)方式精度有較大提升，甚至可以達到地籍測繪精度的需求，但是建模效率低，對于部分項目該作業(yè)方式仍然有一定的局限性。隨著激光雷達技術(shù)的發(fā)展與體積重量的減輕，無人機搭載Lidar 技術(shù)成了一種彌補傾斜攝影建模效率低的方式[3]。Lidar 技術(shù)可謂“所見即所得”，從空中對地面發(fā)射激光束，完成對地面的拍攝，就可以獲取地面任一點的三維坐標(biāo)，具有非常高的效率。本研究主要對傾斜攝影技術(shù)和機載Lidar 技術(shù)的原理和作業(yè)流程進行簡單說明，并對2種作業(yè)方式在工程測量中的多方面應(yīng)用進行了分析，總結(jié)了兩種作業(yè)方式的優(yōu)缺點。

1 傾斜攝影技術(shù)介紹

1.1 傾斜攝影原理

傾斜攝影測量是相對傳統(tǒng)攝影測量來說的，是指在無人機飛行平臺上搭載傾斜攝影航攝儀，對地面數(shù)據(jù)進行全方位、多角度采集，然后利用傾斜攝影測量軟件產(chǎn)生測繪數(shù)據(jù)。常見的傾斜攝影航攝儀搭載五鏡頭相機，即一個下視和前、后、左、右4 個側(cè)視。下視相機主要從垂直角度獲取地面物體信息，側(cè)視鏡頭從側(cè)面對物體進行拍攝，獲取地面物體側(cè)面信息。通過實踐發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傾斜鏡頭與地面夾角為45°的時候，獲取的數(shù)據(jù)建模效果最好，采集的數(shù)據(jù)盲區(qū)少，影像邊緣畸變對建模影響可以降到最小，因此常見的五鏡頭側(cè)視相機夾角與垂直鏡頭夾角均為45°。

1.2 傾斜攝影建模流程

傾斜攝影建模首先要獲取影像數(shù)據(jù)，在獲取數(shù)據(jù)前，要對測區(qū)進行勘察，如是禁飛區(qū)，還要申請空域，然后進行像控布設(shè)與航線規(guī)劃，外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，內(nèi)業(yè)進行數(shù)據(jù)解算與模型生產(chǎn)，具體流程如圖1 所示。

圖1 傾斜攝影建模流程圖

2 機載Lidar 技術(shù)介紹

2.1 機載Lidar 采集數(shù)據(jù)原理

機載Lidar 主要由激光發(fā)射裝備、全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）組成。是一種主動式的探測技術(shù)，即激光發(fā)射器發(fā)射脈沖，脈沖碰到障礙物后返回，借助高精度的時間進行計算，可對地面物體進行高精度測量。

2.2 機載Lidar 數(shù)據(jù)處理流程

具體流程如圖2 所示。

圖2 機載Lidar 數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用

3 傾斜攝影成果和機載Lidar 成果的應(yīng)用

基于傾斜攝影技術(shù)生產(chǎn)的成果主要有實景三維模型、高精度的數(shù)字正射影像圖和數(shù)字表面模型，基于機載Lidar 技術(shù)主要獲得的數(shù)據(jù)成果為點云數(shù)據(jù)。以下就對二者在工程測量中的多方面應(yīng)用進行分析介紹。

3.1 在大比例尺地形圖測量中的應(yīng)用

實景三維模型符合人的視覺體驗，且精度高，盲區(qū)少，用來生產(chǎn)大比例尺地形圖，是非常不錯的一種作業(yè)方式，較傳統(tǒng)的立體虛擬像對測圖，該方式對作業(yè)員技術(shù)水平要求低，學(xué)習(xí)起來更容易掌握。由于在空中三角測量環(huán)節(jié)約束條件多，所以傾斜攝影生產(chǎn)的數(shù)據(jù)精度較垂直攝影精度更高。但是對于植被多的區(qū)域，傾斜攝影技術(shù)受到高程精度的局限，在大比例尺測圖中，高程精度不能滿足項目需求。鑒于此，可采用機載Lidar 技術(shù)，點云對植被具有一定的穿透作用，可直接穿透植被，獲取到高精度的地面點高程，從而彌補傾斜攝影技術(shù)的不足。目前常使用的基于實景三維模型測圖的軟件有北京清華三維的EPS，浙江迪澳普地理信息技術(shù)有限公司的SV365，武漢航天遠景的MapMatrix3D，浙江泰樂的TSD 軟件、南方數(shù)碼的CASS3D 軟件和易繪軟件等，在支持模型測圖的同時，這些軟件也支持直接基于點云的測圖。軟件的完善，也為兩種技術(shù)在大比例尺地形圖測繪中提供了保障，讓兩種技術(shù)在大比例尺地形圖測繪中發(fā)揮更大的價值。

3.2 在農(nóng)村房地一體地籍測繪中的應(yīng)用

垂直攝影無法實現(xiàn)屋檐改正，且精度很難滿足地籍測繪精度需求。傾斜攝影獲取影像，生產(chǎn)實景三維模型，可直接在模型上進行屋檐改正，且精度可以達到地籍測繪精度的需求，可在農(nóng)村房地一體地籍測繪中實施。由于機載Lidar 是垂直地面進行作業(yè)，無法獲取屋檐下的數(shù)據(jù)，因此無法進行屋檐改正，不可用于地籍測繪項目。

3.3 在土方量計算中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的土方量測量，利用GPS-RTK 進行全野外采點，效率非常低，且效率和土方量估算的精度成反比，因此想要更精確的估算土方量，就必須采集更多的點，這樣效率太低，嚴(yán)重影響到后續(xù)工序的進度。三維實景模型，可以通過設(shè)置高程點采樣密度，來實現(xiàn)對土方量的精準(zhǔn)估算，但是這種作業(yè)方式最大的缺點是建模效率太低，且對于非裸露的地方，高程不精準(zhǔn)，估算出來的土方量和實際的土方量差異大，不便于對工程的工作量進行評估。機載Lidar 在土方量估算中就占據(jù)了絕對優(yōu)勢，利用其具有穿透植被的性能，可以直接獲取高精度地面高程，從而計算出精準(zhǔn)的土方量。對于激光雷達無法直接穿透獲取地面高程的物體，可借助點云濾波軟件，對獲取的點云數(shù)據(jù)進行濾波，得到準(zhǔn)確的地形數(shù)據(jù)，從而獲得高精度的土方量估算值，可為工程預(yù)算提供準(zhǔn)確的資料，對后續(xù)工序的正常開展提供保障。

3.4 在道路工程測量中的應(yīng)用

實景三維模型是“一張皮”模型，可以獲取模型上任一點的三維坐標(biāo)。機載Lidar 獲取的點云數(shù)據(jù)雖然是離散的點，但是也可以通過內(nèi)插的方式獲取任意點的三維坐標(biāo)，且兩種成果精度非常高，可以滿足絕大多數(shù)工程測量項目。在道路工程測量中，可利用兩種成果對道路進行高程控制測量和平面控制測量，且根據(jù)項目需要，可基于兩種成果數(shù)據(jù)直接采集道路兩側(cè)帶狀區(qū)域的地形圖，并且將設(shè)計位置測設(shè)在實地?？芍苯踊趯嵕叭S模型采集道路中心線方向以及垂直于中心線方向的高程起伏情況，并基于以上數(shù)據(jù)直接繪制橫縱斷面圖。并且可以定期進行航攝，從而對道路施工進度進行控制。

3.5 在建筑立面圖中的測量

傳統(tǒng)的建筑物立面圖測量采用全站儀進行全野外作業(yè)，效率低、風(fēng)險高，成本高。鑒于此，可采用傾斜攝影技術(shù)來對立面圖進行制作?；趯嵕叭S模型，在EPS、SV365 等軟件中，將模型成果導(dǎo)入后，對模型成果進行裁切，確保所采集的面不被其他地物所遮擋，調(diào)整要采集的面為正視圖，通過采集三個點作為立面圖的投影面，然后直接在模型上進行立面圖的采集與輸出，較傳統(tǒng)利用全站儀進行采集，在精度符合建筑物對立面圖精度要求的前提下，可以大大提升作業(yè)效率，節(jié)約成本，使利潤達到最大化。機載Lidar 是垂直從空中對地發(fā)射激光點云，無法獲取建筑物側(cè)面信息，因此不能使用該成果進行立面圖的采集，但可采用地面Lidar 對建筑物進行360°的掃面，然后直接基于點云進行立面圖的采集與編輯，得到建筑物立面圖，在老舊小區(qū)改造、美麗鄉(xiāng)村建設(shè)等項目中發(fā)揮著重要的作用。

3.6 在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用

近年來，地質(zhì)災(zāi)害頻頻發(fā)生，給人的生命和財產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅。傳統(tǒng)的作業(yè)方式，尋找災(zāi)害點效率低，不能很好地發(fā)現(xiàn)和監(jiān)測災(zāi)害點，讓災(zāi)害監(jiān)測難以真正實施開來。傾斜攝影技術(shù)，可以實現(xiàn)近低空飛行，搭載的高分辨率相機，可以對地面大于2 cm的裂縫進行辨識，使災(zāi)害監(jiān)測的手段有了提升。通過近低空飛行獲取數(shù)據(jù)，生產(chǎn)實景三維模型，然后對模型進行查看，發(fā)現(xiàn)災(zāi)害點，并借助災(zāi)害模擬平臺，將實景三維模型導(dǎo)入，通過以往滑坡時裂分的寬度、水平位置、垂直位移等數(shù)據(jù)，結(jié)合降雨量，模擬災(zāi)害點可能發(fā)生滑坡的條件，對滑坡后可能帶來的災(zāi)害進行模擬評估,并對滑坡后的救援方案進行合理設(shè)計，確保一旦發(fā)生滑坡，可以第一時間采取合理的救援方案實施救助，將損失降到最低。

3.7 在水利工程中的應(yīng)用

傾斜攝影直接獲取的成果是影像，在水利工程中，可基于影像為水利工程測量提供正射影像，也可基于多視影像密集匹配技術(shù)，生產(chǎn)實景三維模型，為水利工程設(shè)計方案提供依據(jù)。可以基于模型生成水庫周邊的地形圖，對水庫的水位進行監(jiān)測，也可監(jiān)測水庫周邊可能發(fā)生的滑坡災(zāi)害等。傾斜攝影只是獲取表面信息，并不能獲取水下的地形。Lidar具有穿透性強的特點，可對水域進行穿透作業(yè)，直接獲取水下地形，為安全航海等提供保障。

4 結(jié)束語

文章對傾斜攝影和機載Lidar 技術(shù)進行了說明，并對2 種成果在工程測量中的多方面應(yīng)用進行了分析，得出了2 種技術(shù)的優(yōu)缺點，可為同行作業(yè)人員提供有效參考，具有一定的實用性和借鑒意義。