無人機傾斜攝影在道路工程中的應用與分析

潘成軍

(重慶市勘測院，重慶 401121)

經濟的快速發展促進城市化建設進程，人們生產生活依附于城市網絡化格局的路網交通，測繪空間地理信息為道路建設、運營、管理提供強有力支撐。在道路的現狀測繪中具有以下特點和局限：①運營飽和、車流大，測繪生產作業存在一定的安全風險；②城市道路兩旁建筑密集，路標、路牌、攝像頭、交通信號燈等附屬設施分布廣泛，測繪要素多；③普通大眾對道路實時性的需求，期盼新建道路早日通車，改建道路盡快通行，需要縮短道路建設與運營的時間間歇，對測量時限提出了更高要求；④社會管理對數據形式和精細化程度的要求不斷提升，已不再局限于對道路及附屬設施的矢量表達，對實景模型、街景影像、高清圖像都有了新的需求，對車道線、路向標志、路面材質、平整度等等都需要精細化表達。基于這些綜合需求，傳統測繪中的平板測圖、全站儀測量，效率低、時間長、成本高，對大比例尺道路現狀地形圖的快速獲取和更新已受到局限。

近年來，天、空、地一體化測繪技術飛速發展，無人機傾斜攝影技術的誕生，顛覆傳統測繪的作業方式，推動地形測繪向高科技、立體圖形、內業測繪方向革命性的變化，解決由于天氣等外因造成的工作延誤，把原本大量的外業工作轉變成內業工作，極大地減少測繪人的勞動時間和勞動強度。傾斜攝影技術在數字城市建設、應急救災及文物保護等方面得到應用，但無人機傾斜攝影技術在城市道路現狀大比例地形圖測繪的應用研究具有價值。

1 傾斜攝影原理及特點

無人機傾斜攝影技術是通過在無人機飛行平臺上搭載多臺數碼相機，同時從垂直和傾斜多個不同的角度采集高分辨率影像，一般常用的是五鏡頭傾斜攝影系統，結合無人飛行平臺搭載的GPS/IMU系統獲取POS數據和像控點數據，經過相關軟件處理數字表面模型、數字正攝影像和三維模型。

傾斜攝影測量技術[1]具有多種特點：①立體成果真實，對于地面周圍的反映符合人類感知[2]；②為建模提供真實、豐富的紋理信息；③可實現高精度測量。同時，無人機作為一種新型的低空遙感對地觀測手段，具有易于操控、獲取影像周期短、作業機動性強等特性[3]。基于上述特點，利用無人機傾斜攝影技術獲取實景三維模型，用矢量繪圖平臺基于模型提取地形圖要素，有效避免傳統作業方式強度大、效率低、周期長和重復測量等弊端，極大提升了生產效率，滿足工程建設、項目管理、規劃設計等對地形圖的需要，應用前景廣泛。

2 設備選擇及技術路線

2.1 設備選擇

傾斜攝影技術具有“效率高、成本低、數據精確、操作靈活”等優勢，受到很多單位的青睞，但根據設備的價格差異和工程需求不同可選用不同的設備，本文采用大疆八旋翼無人機搭載五拼傾斜相機進行航攝，五拼傾斜相機“睿眼”云臺系統能同時獲取1個垂直和4個傾斜角度的高清影像，每個相機的像幅大小為5 456像素×3 632像素，像幅大、像素高。數據處理軟件的選擇主要包括兩種，一種是圖像的處理、一種是圖形的處理，圖像處理采用Smart3D軟件進行空三加密、全自動三維建模生成DSM模型，圖形繪制采用EPS地理信息工作站進行矢量地形要素提取及圖形編輯。

2.2 技術路線

根據無人機傾斜攝影測量的技術特點及相關要求制定作業流程，如圖1所示。

圖1 傾斜攝影技術路線

3 工程應用

3.1 項目概況

本文以兩個生產項目為例研究傾斜攝影測量技術在道路現狀測繪中的應用及精度分析，圖2為重慶市陳家橋公租房周邊道路工程包括縱、橫7條道路，總長12 km，圖3為重慶大學城賴家橋立交項目，包括西雙大道、渝遂高速2條主線和8條匝道及斜跨地鐵一號線，航飛面積約2.5 km2，全要素采集地表實景地形圖基本要素和交通標志信息，對采集的無人機傾斜影像、POS數據及空三成果，采用Smart3D自動三維建模，輸出的模型如圖2和圖3所示。

圖2 陳家橋公租房道路工程實景模型

圖3 賴家橋立交實景模型

傾斜攝影實景模型影像質量良好、分辨率高、紋理清晰、無大面積噪聲、條紋，依據模型可多角度、多尺度瀏覽和量測。

3.2 技術步驟

以EPS地理信息工作站為矢量繪圖平臺，通過底層開發在繪圖平臺中內置測圖模塊，利用傾斜攝影模型進行高精度大比例尺地形數據的矢量采集工作，無需佩戴立體眼鏡，根據影像及自動空三生成的三維模型直接定位地物要素的三維信息。軟件內置地類地物屬性模塊實現要素編碼分類，經整理形成1∶500現狀地形圖。

3.2.1 模型一鍵承載

基于矢量繪圖平臺底層結構優化和算法研究，采用四叉樹組織結構，“金字塔模型”自主實現模型一鍵承載、快速瀏覽，解決海量傾斜數據對計算機硬件要求高的瓶頸問題，為后續模型快速瀏覽、數據制作奠定堅實基礎。

金字塔層次模型表示多分辨率級別的分層模型，采用縱向分層，橫向分塊的策略來構建。金字塔每一層代表一個分辨率級別，從上往下分辨率越來越高(數值越來越小)，但每一層表示的范圍都是整個原始地形的范圍。金字塔各層的分辨率之間存在一個倍率關系，通常取倍率取為2(便于采用四叉樹結構組織數據)。各級層次模型的分辨率計算可用公式來表示。設原始地形的分辨率為r，原始地形高程文件大小為n×n，塊邊長為m，則第0層的分辨率r0為

(1)

對于多級分辨率層次來說，分層數越多，就越逼近原始地形的精度，在構建過程中，需要注意最高級別不要超過原始分辨率層次，以免在地形構建時出現擠壓變形現象。金字塔層次模型最大的分層數L可計算：

L=[log2(n-1)/m]+1.

(2)

3.2.2 模型切割顯示

航飛過程中，由于飛行因素影響、數據采集質量、現場條件限制、建模選擇等原因，傾斜模型常常出現空洞、懸掛、扭曲等，因此需要對模型進行切割處理，避免對后續數據提取存在影響。

3.2.3 道路邊線等線型地物特征提取

通過矢量繪圖環境對傾斜模型三維瀏覽，結合模型豐富的紋理信息，能夠有效識別路沿邊線、隔離帶等主要線性地物的類型及走向，實現快速提取道路、花圃、斜坡、陡坎等線性地物的平面位置、高程及屬性特征，見圖4。

圖4 基于矢量繪圖平臺的道路邊線提取

3.2.4 建筑輪廓特征提取

建筑輪廓特征提取時，充分利用傾斜模型中建筑物側面數據量大、精度高的特點，通過給定建筑物側面基點自動生成輪廓點功能，解決建筑物外輪廓點部位分辨率不高、特征提取定位不準、精度不足等問題。該功能不受同一高程平面限制，任意選取建筑物側面數據精度最佳位置作為給定基點，使建筑輪廓特征提取精度得到顯著提高，見圖5。

3.2.5 高程提取

實景模型以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復雜場景，通過高效的數據采集設備及專業的數據處理流程生成的模型成果能直觀反映地物外觀、位置、高程等屬性信息，所以通過實景影像可以快速提取斜坡地貌邊界及地面點高程，見圖6。

圖5 建筑外輪廓提取

圖6 高程提取

3.2.6 現狀地形圖編輯

基于傾斜攝影實景模型進行現狀地形圖室內生產，同樣遵循“先整體后局部”的作業原則，以測圖模塊自動提取的建筑輪廓、線化地物為基礎，輔助人工識別進行要素清繪，在EPS地理信息工作站繪圖環境中，能實現二維矢量平面圖與三維模型場景分屏顯示，模型、矢量、影像同步聯動，點、線、面隨心編輯，達到了二、三維顯示一體化、符號一體化、編輯一體化，實現1∶500數字地形圖室內交互式測繪。

地形圖編輯檢查環節，需對點地物遺漏、線地物缺失、面地物不全等進行地毯式搜索、逐步清理完善，依據相關規范在精度允許范圍內進行適宜的綜合取舍，正確處理各要素表述及邏輯關系，各種注記位置正確，字體規格符合圖式和設計要求，使其地物形象逼真、地貌自然真實，能正確反映測區的人文、地理景觀生成地形圖，見圖7和圖8。

4 基于傾斜攝影測量三維模型現狀地形圖的精度分析

4.1 測量精度要求

大比例尺地形圖質量檢查主要包括數學精度、屬性精度、數據正確性及要素完備性、整飾質量及附件質量檢查，依據《城市測量規范》(CJJ/T8-2011)相關要求：平地、丘陵地帶地物點相對于鄰近平面控制點的點位中誤差不超過圖上0.5 mm(1∶500地形圖則為0.25 m)，城市建筑區基本等高距為0.5 m的平坦地區，1∶500地形圖高程注記點相對于鄰近圖根點的高程中誤差不應大于0.15 m。

4.2 成果精度檢測

項目成果檢測采用全野外數字化實測成果與傾斜攝影內業提取成果比對的方法進行精度評定，檢查要素包含房屋、圍墻、燈桿、道路、花圃、溝渠、陡坎和地形高程點等。成果精度檢查內容包括平面精度、高程精度及邊長精度。項目共設站檢查979點，其中平面檢查點598點，高程檢查381點，邊長檢查68條邊。根據實測數據與傾斜模型提取數據相比較，誤差分布及精度統計結果如表1所示，數據較差見圖9。

圖7 基于模型生成陳家橋公租房道路現狀地形

圖9 檢測數據較差分布

通過誤差分布得出：檢查點平面中誤差為0.13 m，高程點中誤差0.14 m，邊長中誤差0.15 m，基于傾斜模型提取數據中誤差小于相關規范標準限差，檢查點分布均勻，密度合理，數據真實可靠，能夠反映地形圖精度情況。

表1 道路地形圖精度檢測統計表

4.3 誤差分析

1)原始像片分辨率不足的航攝誤差。由于無人機傾斜攝影受地理條件局限、安全飛行高度影響以及設備精度、航攝參數設置等綜合因素制約，可能造成原始像片分辨率不足，因此，根據方案設計對地形圖精度的要求，通過優化航飛參數( 降低航高、換長焦鏡頭等)[4]，可以提高獲取影像的地面分辨率，從而進一步提高相關數據成果精度。

2)空三加密匹配引起的模型誤差。傾斜航空攝影后期數據影像匹配時，因傾斜影像的攝影比例尺不一致、分辨率差異、地物遮擋等因素導致獲取的數據中含有較多的粗差，嚴重影響后續影像空三精度[5]。然而，如何利用傾斜攝影測量中包含的大量冗余信息進行數據的高精度匹配是提高傾斜攝影技術實用性的關鍵，可通過人工干預方式將空三成果精度優化到最佳[6]。

3)人工采集操作產生的成圖誤差。基于傾斜模型的地形要素人工采集產生的誤差是一個比較重要的成圖誤差來源，采集時影像圖上1個像素的誤差，實地距離就是3～5 cm，另一方面，當某一地物不在同一高程面時，會因為視差造成矢量采集的不準確，此時需要作業員根據不同角度的影像圖進行局部調整。因此，提高作業員作業經驗和操作熟練度，可提升矢量采集成果的精度。

5 結束語

本文基于無人機傾斜攝影獲取影像數據和POS數據，通過Smart3D軟件生成實景三維模型，在EPS矢量繪圖平臺中，開發定制測圖功能模塊，實現道路現狀地形圖室內繪制，對生產過程中的影像快速拼接、模型制作、地形要素提取等關鍵技術環節進行了算法研究和程序結構優化，提升了作業效率，形成了一套利用多旋翼無人機傾斜攝影技術測繪道路現狀地形圖的作業體系。工程應用案例中的道路1∶500現狀地形圖滿足相關規范精度要求，測繪成果科技含量高、產品附加值大。項目實踐對擁堵的城市道路現狀地形圖測繪提供了一種新的技術方案，也可對日后無人機傾斜攝影生產應用提供一定的參考價值，傾斜攝影測量技術這種“大范圍、全要素、高精度、全紋理”的空間表達方式未來將在智慧城市、規劃、國土、交通等多個行業得到充分應用。