地面三維激光掃描與無(wú)人機(jī)傾斜攝影高壓鐵塔精度比較*

郭凱寧，彭 雄，萬(wàn)程輝

（1.江西省鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架質(zhì)量檢驗(yàn)中心，江西 撫州 344000；2.南昌工程學(xué)院 水利與生態(tài)工程學(xué)院，江西 南昌 330099）

1 引言

地面三維激光掃描技術(shù)能夠快速獲取高壓鐵塔表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，具有精度高、數(shù)字化、高效率、適用性廣等特點(diǎn)。然而，由于地形的限制，盲區(qū)往往難以收集數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量具有高機(jī)動(dòng)性、靈活性和安全性的優(yōu)點(diǎn)，低空作業(yè)可以獲得高分辨率圖像，并且周期短、效率高，其可以快速方便地獲取各種高壓鐵塔與地形數(shù)據(jù)，但由于控制點(diǎn)和航高等因素的影響，得到的鐵塔數(shù)據(jù)精度較低。通過(guò)將上述兩種技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，形成了一種高效率、高精度、全方位的高壓鐵塔測(cè)量與三維建模的方案。

由于高壓鐵塔表面形狀不完整，需激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)與無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)融合匹配。文章通過(guò)在高壓鐵塔掃描區(qū)域中設(shè)置同名標(biāo)志點(diǎn)，重新校正無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)同名點(diǎn)坐標(biāo)，采用不同位置和不同數(shù)量的控制點(diǎn)，對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影高壓鐵塔三維模型與地面三維激光掃描三維高壓鐵塔模型，采用垂向偏差對(duì)點(diǎn)云精度進(jìn)行對(duì)比，并分析垂向方向偏差量的大小區(qū)間分布，確定無(wú)人機(jī)影像點(diǎn)云的拼接精度。

2 三維激光掃描與無(wú)人機(jī)影像點(diǎn)云精度比較

通過(guò)在掃描區(qū)域設(shè)置3個(gè)以上同名標(biāo)志控制點(diǎn)及地面三維激光掃描測(cè)站，采集無(wú)人機(jī)傾斜影像和三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使掃描點(diǎn)云與無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)統(tǒng)一在同一坐標(biāo)系中。由于三維掃描數(shù)據(jù)與無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)對(duì)控制點(diǎn)精度要求較高，采用了高精度全站儀TCA2003進(jìn)行地面標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量，作為無(wú)人機(jī)影像空三控制點(diǎn)與激光掃描測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)。

2.1 地面三維掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

利用RIEGL VZ1000地面三維掃描儀和RiSCAN PRO掃描軟件，地面三維激光掃描儀采用儀器內(nèi)部坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)為儀器中心，每次掃描數(shù)據(jù)由于儀器的架設(shè)位置不同因而坐標(biāo)系不同，故要將不同測(cè)站的影像統(tǒng)一到相同的坐標(biāo)系下。以第一站影像為基準(zhǔn)，進(jìn)行影像拼接。完成掃描數(shù)據(jù)的加載、掃描站坐標(biāo)的導(dǎo)入、數(shù)據(jù)粗拼和精拼、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的過(guò)濾和導(dǎo)出，點(diǎn)云鐵塔效果如圖1所示。

圖1 鐵塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.2 無(wú)人機(jī)影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

無(wú)人機(jī)影像由Context Capture軟件處理，通過(guò)幾何校正、空三加密、圖像匹配等處理，計(jì)算出高密度像素點(diǎn)云。通過(guò)導(dǎo)出LAS點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Geomagic Qualify軟件，建立像素點(diǎn)云數(shù)據(jù)的測(cè)試對(duì)比網(wǎng)格模型。

2.3 無(wú)人機(jī)影像網(wǎng)格模型與全站儀坐標(biāo)比較

采用大疆精靈4 Pro無(wú)人機(jī)與Altizure操控APP進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量，飛行設(shè)置航高為50m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%，相機(jī)傾斜角為45°，對(duì)斜坡進(jìn)行了正射與傾斜5個(gè)方向的航帶攝影。在平地和坡度上設(shè)置10個(gè)標(biāo)記控制點(diǎn)，選取其中6個(gè)作為空三控制點(diǎn)。激光掃描與無(wú)人機(jī)高壓鐵塔點(diǎn)云融合數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 激光掃描與無(wú)人機(jī)高壓鐵塔點(diǎn)云融合數(shù)據(jù)

無(wú)人機(jī)影像網(wǎng)格模型與全站儀坐標(biāo)比較如表1所示。由表1可以看出，位于平地上的標(biāo)志點(diǎn)誤差小于高壓鐵塔上的標(biāo)志點(diǎn)誤差，且空三控制點(diǎn)的誤差小于非空三控制點(diǎn)的誤差。X和Y的中誤差分別為0.011m和0.011m。XY平面誤差為0.016m，高程Z的中誤差為0.020m，k7控制點(diǎn)Z值的最大誤差為0.031m，表明模型對(duì)高程誤差影響更大。

表1 無(wú)人機(jī)影像網(wǎng)格模型與全站儀坐標(biāo)比較 單位：m

2.4 三維掃描數(shù)據(jù)與無(wú)人機(jī)影像網(wǎng)格模型比較

將地面三維激光掃描數(shù)據(jù)和無(wú)人機(jī)點(diǎn)云鐵塔數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入Geomagic Qualify軟件。以三維激光掃描數(shù)據(jù)為參考，無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)為比較對(duì)象，對(duì)模型表面進(jìn)行三維精度對(duì)比。

兩組數(shù)據(jù)垂向方向的剖面對(duì)比如圖3所示。三維激光點(diǎn)云與影像點(diǎn)云的垂向偏差量分布較為均勻，且差值在同一個(gè)方向上，但兩種模型存在一定的傾斜量。具體偏差區(qū)間分布規(guī)律如表2所示。由表2可知，在中間區(qū)域的-0.02與+0.02的偏差值占43%，最大區(qū)間的偏差不超過(guò)±0.052m，并且分布數(shù)量較少。通過(guò)截面點(diǎn)云區(qū)間分布的垂向偏差比較，地面三維激光掃描數(shù)據(jù)和無(wú)人機(jī)點(diǎn)云數(shù)據(jù)主要點(diǎn)云偏差在±0.02左右，說(shuō)明通過(guò)標(biāo)志控制點(diǎn)的校正，無(wú)人機(jī)影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度可以接近三維掃描點(diǎn)云精度。

圖3 激光掃描與無(wú)人機(jī)點(diǎn)云鐵塔模型垂向偏差比較

表2 垂向分布點(diǎn)云的偏差區(qū)間分布

3 結(jié)束語(yǔ)

三維網(wǎng)格模型與傳統(tǒng)單點(diǎn)相比具有更全面的對(duì)比效果，由于三維激光掃描建立網(wǎng)格模型精度更高，以掃描點(diǎn)云構(gòu)建網(wǎng)格模型為參考模型，對(duì)比無(wú)人機(jī)影像網(wǎng)格模型位置，三維對(duì)比顯示兩種網(wǎng)格模型具有一定偏差。標(biāo)志控制點(diǎn)的布局對(duì)網(wǎng)格模型的精度有很大的影響，標(biāo)志控制點(diǎn)應(yīng)盡量分布在測(cè)試區(qū)域周圍，按一定的密度均勻分布，覆蓋整個(gè)高壓鐵塔區(qū)域。無(wú)人機(jī)低空傾斜攝影數(shù)據(jù)在平地上的精度要高于在鐵塔上的精度。空三控制點(diǎn)的測(cè)站，附近分布的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度較高，最高可達(dá)1cm，能滿足三維激光掃描與無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)的融合要求。