傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在高速公路建設(shè)中的應(yīng)用

王 旭, 陶 鵬

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪遙感領(lǐng)域近幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)[1]，它打破了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，可同時(shí)從垂直、傾斜等不同角度對(duì)地進(jìn)行影像采集，不僅能夠真實(shí)的反映建筑物頂部的信息，同時(shí)也能從側(cè)面角度觀測(cè)到地物的立面信息，獲取更為完整的地物對(duì)象紋理信息。通過(guò)三維重建技術(shù)，精確還原影像獲取時(shí)刻地物的三維實(shí)景模型，受到各單位廣泛歡迎和大量應(yīng)用[2-4]。

與此同時(shí)，高速公路沿線區(qū)域高程起伏大且呈帶狀分布，為發(fā)揮現(xiàn)代測(cè)繪遙感和空間信息技術(shù)在工程管理中的作用[5]，我省合肥至樅陽(yáng)高速公路建設(shè)將傾斜攝影測(cè)量技術(shù)引入該項(xiàng)目，要求在公路初步設(shè)計(jì)階段統(tǒng)籌應(yīng)用BIM技術(shù)和GIS技術(shù)進(jìn)行方案研究和論證，提高方案比選的全面性和針對(duì)性，旨在通過(guò)跟蹤BIM技術(shù)應(yīng)用，把握推進(jìn)過(guò)程中的難點(diǎn)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，總結(jié)和提煉示范工程經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化建設(shè)管理組織流程。

1 總體技術(shù)思路

通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載傾斜攝影設(shè)備，獲取工程范圍內(nèi)的道路、構(gòu)筑物等高精度影像數(shù)據(jù)。同時(shí)，對(duì)沿線內(nèi)進(jìn)行高精度的控制信息采集，將影像數(shù)據(jù)和控制點(diǎn)信息導(dǎo)入自動(dòng)建模軟件，構(gòu)建具有準(zhǔn)確地物地理位置信息的真實(shí)三維空間場(chǎng)景。基于實(shí)景三維模型表達(dá)的測(cè)區(qū)內(nèi)地形地貌與建筑詳細(xì)細(xì)節(jié)特征，直觀、準(zhǔn)確地輔助公路高速勘察設(shè)計(jì)。

2 基于帶狀工程的數(shù)據(jù)采集、處理關(guān)鍵技術(shù)

合樅高速全長(zhǎng)約134 km,項(xiàng)目區(qū)域走勢(shì)總體特征是兩端低，中間高，地形地貌條件復(fù)雜。針對(duì)本項(xiàng)目特點(diǎn)，本文進(jìn)行了嚴(yán)密、細(xì)致的技術(shù)分析和部署。本項(xiàng)目無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理流程總體分為航測(cè)前準(zhǔn)備工作、地面控制點(diǎn)測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、三維重建、精度驗(yàn)證等步驟，如圖1所示。

圖1 關(guān)鍵技術(shù)流程

2.1 像控點(diǎn)采集

針對(duì)帶狀區(qū)域特點(diǎn)、本次像控布設(shè)一方面需保證整體數(shù)據(jù)成果精度、另一方面需保證不同架次或相鄰內(nèi)業(yè)處理區(qū)域之間不出現(xiàn)模型二義性現(xiàn)象(分層、錯(cuò)位)。基于以上兩點(diǎn)考慮，在無(wú)人機(jī)架次規(guī)劃的基礎(chǔ)上，將控制點(diǎn)位均勻地布設(shè)至架次接邊處，如圖2所示。

圖2 像控點(diǎn)布設(shè)示意圖

2.2 影像數(shù)據(jù)采集

本項(xiàng)目飛行平臺(tái)采用了大疆M600pro旋翼無(wú)人機(jī)，相機(jī)采用了兩鏡頭傾斜相機(jī)[6]。兩鏡頭傾斜相機(jī)的雙相機(jī)搖擺工作模式，能夠大大減輕重量，提高續(xù)航時(shí)間，從而提高數(shù)據(jù)采集的效率。

根據(jù)地面分辨率5 cm以?xún)?nèi)的要求，綜合研究后采用像片重疊度航向?yàn)?5%，旁向?yàn)?0%；航線彎曲度不大于5%；同一航線上相鄰像片的航高高差不應(yīng)大于20 m；最大航高與最小航高之差不應(yīng)大于50 m。航攝分區(qū)內(nèi)實(shí)際航高與設(shè)計(jì)航高不應(yīng)大于300 m。

2.3 數(shù)據(jù)處理

由于本項(xiàng)目是帶狀測(cè)區(qū)，以30 km為單元進(jìn)行整體重建，其中每一個(gè)架次的數(shù)據(jù)必須進(jìn)行無(wú)縫連接。按照既有項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，空三采用四架次為一個(gè)處理單元進(jìn)行計(jì)算。由于測(cè)區(qū)內(nèi)存在大面積的連續(xù)森林區(qū)域，在光照、拍攝角度變化的情況下，空三中特征提取與匹配環(huán)節(jié)容易出錯(cuò)，導(dǎo)致空三失敗，嚴(yán)重影響工期。Hartmann等[7]提出在不影響匹配精度的條件下，對(duì)提取的特征點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)，僅將穩(wěn)健的特征點(diǎn)進(jìn)行匹配，極大地提高了空三成功率，在大面積森林區(qū)域尤其顯著。

同時(shí)通過(guò)自動(dòng)化軟件重建的模型由于地形條件和軟件算法本身的問(wèn)題，原始模型會(huì)出現(xiàn)不完整懸浮和少量連接的破碎面，同時(shí)水域處會(huì)出現(xiàn)大量空洞，這給對(duì)模型的可視化和后續(xù)的帶來(lái)了很大的不利。本項(xiàng)目采用了國(guó)產(chǎn)自主研發(fā)軟件進(jìn)行碎片和空洞進(jìn)行處理，取得了顯著的效果,如圖3、圖4所示。

圖3 底部碎片去除

圖4 水域空洞處理

由于本項(xiàng)目途徑多個(gè)縣市，采集時(shí)間跨度大，周期長(zhǎng)，所以模型重建過(guò)程中色差明顯，反差較大，在最終交付時(shí)不利于地物解譯和可視化效果。經(jīng)過(guò)研究，創(chuàng)新性地提出了一套勻光勻色處理方法。首先通過(guò)實(shí)景三維模型生產(chǎn)低分辨率正射影像；其次，利用PhotoShop軟件手動(dòng)對(duì)正射影像進(jìn)行勻色勻光處理；最后，利用調(diào)整后的低分辨率正射影像作為參照，通過(guò)模型紋理UV值與正射影像的建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)三維模型紋理進(jìn)行勻色勻光處理。

3 傾斜攝影測(cè)量工程應(yīng)用

本項(xiàng)目所獲取的傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)是具有測(cè)繪級(jí)的高分辨率三維模型，模型可應(yīng)用于公路工程建設(shè)的各個(gè)方面。結(jié)合合樅高速的實(shí)際需求，我們開(kāi)展了以下幾種應(yīng)用。

3.1 方案比選

在工可建設(shè)。方案比選階段，傳統(tǒng)方式是在谷歌影像和1∶10000地形圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)地踏勘不全面，往往不能充分考慮設(shè)計(jì)中所要獲取的控制因素。傾斜攝影測(cè)量模型具有分辨率高，現(xiàn)勢(shì)性高的優(yōu)點(diǎn)，在傾斜模型上進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，可以直觀地掌握方案與周邊環(huán)境的相關(guān)關(guān)系，快速響應(yīng)方案優(yōu)化。

3.2 輔助外勘

利用傾斜攝影測(cè)量模型的直觀性、現(xiàn)勢(shì)性和精確性，設(shè)計(jì)階段可以利用模型進(jìn)行輔助外勘。遇到雨雪不利天氣，或者人員不易到達(dá)地區(qū)，利用傾斜模型可以在室內(nèi)進(jìn)行判讀，展開(kāi)對(duì)房屋征拆、被交道路溝渠和桿線等工程范圍內(nèi)的調(diào)查，提高了工作效率，減小了野外工作風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過(guò)測(cè)算，利用傾斜模型輔助外勘(圖5),縮短外勘周期40%，外業(yè)人員減少了50%，在保證外業(yè)質(zhì)量和精度的前提下，延長(zhǎng)了內(nèi)業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)間，為精細(xì)化設(shè)計(jì)提供了保障。

圖5 輔助設(shè)計(jì)外勘

3.3 設(shè)計(jì)環(huán)境校核

公路工程建設(shè)與周邊地形地貌、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)等多種因素息息相關(guān)，借助傾斜模型我們可以高效準(zhǔn)確地還原工程范圍內(nèi)的場(chǎng)景。將工程模型與傾斜模型融合，借助BIM+GIS平臺(tái)系統(tǒng)，可對(duì)公路建設(shè)中的改路改溝、桿線遷移、放坡條件和通道涵洞的限界復(fù)核等進(jìn)行設(shè)計(jì)校核(圖6)。在合樅高速施工圖上設(shè)計(jì)中，配合專(zhuān)業(yè)分院完成了各類(lèi)設(shè)計(jì)校核工作，提高了精細(xì)化設(shè)計(jì)水平，減少了外業(yè)復(fù)核。

圖6 設(shè)計(jì)校核

3.4 工程模擬

CAD二維方式往BIM三維協(xié)同方式轉(zhuǎn)變是三維成果的展現(xiàn)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)成果往往都是各種平面圖或者渲染效果圖，表現(xiàn)方式依靠設(shè)計(jì)說(shuō)明或者設(shè)計(jì)交底，直觀性不強(qiáng)，表現(xiàn)力不足，非專(zhuān)業(yè)人員不能第一時(shí)間領(lǐng)會(huì)設(shè)計(jì)意圖。合樅高速項(xiàng)目完成并固化了行車(chē)線形模擬、施工組織模擬、中央分隔帶防眩模擬、標(biāo)志標(biāo)牌設(shè)計(jì)模擬和隧道安全模擬五大類(lèi)工程模擬，將建成后的工程實(shí)體模型化，內(nèi)嵌到真實(shí)場(chǎng)景傾斜模型中，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的仿真模擬(圖7)。

圖7 行車(chē)仿真模擬

4 結(jié)束語(yǔ)

合樅高速作為交通部首批BIM示范工程項(xiàng)目，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用作為技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)之一尤為的重要，同時(shí)對(duì)于該技術(shù)在后續(xù)項(xiàng)目的深入應(yīng)用也起到了很好的探索作用。本文介紹了適合于帶狀公路工程的傾斜攝影測(cè)量外業(yè)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的方式，同時(shí)闡述了該技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的實(shí)際應(yīng)用。