無人機(jī)攝影測量在工程建設(shè)中的應(yīng)用

張 際 澤， 劉 禮

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

巴丹托魯水電站(Batang Toru HEPP)位于印度尼西亞北蘇門答臘省南部的巴丹托魯(Batang Toru)河上，工程區(qū)距省會(huì)棉蘭(Medan)市約400 km，距離西蘇門答臘省省會(huì)巴東市約410 km。工程以發(fā)電為主，工程等別為二等大(2)型，總裝機(jī)容量為510 MW(4×127.5 MW)，最大壩高71.5 m,正常蓄水位高程427.5 m,對應(yīng)庫容3.87×106m3。

印尼巴丹托魯水電站建設(shè)在人跡罕至的高山密林地區(qū)，該工程地形條件復(fù)雜，多懸崖峭壁，測量難度極大。若采用常規(guī)測量作業(yè)方式，現(xiàn)場勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低且測量人員野外作業(yè)極不安全，經(jīng)研究決定，該項(xiàng)目采用無人機(jī)攝影測量手段輔助野外測量作業(yè)，取得了較好的效果。

2 無人機(jī)攝影測量方法

2.1 測量原理

無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)以獲取高分辨率數(shù)字影像為應(yīng)用目標(biāo)，以無人駕駛飛機(jī)為飛行平臺(tái)，以高分辨率數(shù)碼相機(jī)為傳感器，通過3S技術(shù)在系統(tǒng)中集成應(yīng)用，最終獲取小面積、真彩色、大比例尺、現(xiàn)勢性強(qiáng)的航測遙感數(shù)據(jù)，然后以數(shù)字影片為基礎(chǔ)，由計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行影像處理和影像匹配，自動(dòng)識(shí)別相應(yīng)像點(diǎn)及坐標(biāo)，運(yùn)用解析攝影測量的方法確定所攝物體的三維坐標(biāo)并輸出數(shù)字高程模型和正射數(shù)字影像，或圖解線劃等高線圖以及帶等高線的正射影像圖等地理信息。

2.2 無人機(jī)及軟件

該項(xiàng)目攝影測量選用大疆精靈4 Pro無人機(jī)及自帶攝影鏡頭。無人機(jī)攝影測量需滿足以下要求[2]：

(1)環(huán)境光線穩(wěn)定；

(2)無人機(jī)起飛地點(diǎn)地勢開闊，地面平坦，有穩(wěn)定的GPS信號(hào)；

(3)避免雨天等特殊天氣。

常用的攝影測量數(shù)據(jù)處理軟件：

(1)飛行控制軟件：飛馬無人機(jī)管家。

(2)三維實(shí)景建模軟件：ContxetCapture(簡稱CC)。

(3)地形圖繪制軟件：SV360智能三維測繪系統(tǒng)。

2.3 航線設(shè)計(jì)

依據(jù)測量任務(wù)書，利用《飛馬無人機(jī)管家》的智航線設(shè)計(jì)功能進(jìn)行航線、航高、重疊度等航飛參數(shù)設(shè)計(jì)。考慮到測區(qū)為零散分布的高山區(qū)域，為保障航飛像片的精度，飛行模式選用變高飛行。

2.4 像控點(diǎn)布設(shè)

現(xiàn)場實(shí)施無人機(jī)測量前，需要在測區(qū)范圍內(nèi)由人工布設(shè)像控點(diǎn)。相鄰像控點(diǎn)間距根據(jù)測圖精度確定，間距為150～400 m[3]。像控點(diǎn)使用標(biāo)靶布設(shè)，標(biāo)靶為L型標(biāo)記，線寬約30 cm，長100 cm。使用RTK測量像控點(diǎn)坐標(biāo)(L型標(biāo)記拐角內(nèi)側(cè)點(diǎn)坐標(biāo))。

2.5 攝影測量

采用鋰電池動(dòng)力無人機(jī)執(zhí)行航飛任務(wù)。航飛模式為正攝變高飛行，航飛高度為73～150 m，空間分辨率(GSD)為2～5 cm，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%。

2.6 空三處理

將無人機(jī)采集到的像片上傳至CC軟件，導(dǎo)入像控點(diǎn)坐標(biāo)。選中其中一個(gè)像控點(diǎn)，在像片中查找含有該像控點(diǎn)的像片并一一刺點(diǎn)。當(dāng)所有含有像控點(diǎn)的像片刺點(diǎn)完成后進(jìn)行空三處理。空三處理完成后，檢查空三處理結(jié)果，直至全部像控點(diǎn)空三處理合格。

2.7 三維建模

空三處理合格后，利用CC建模軟件開始自動(dòng)三維建模，生成DSM/DOM模型。

2.8 模型檢查

實(shí)景三維模型生成后，在三維模型中提取像控點(diǎn)、特征點(diǎn)、檢查點(diǎn)三維坐標(biāo)，與現(xiàn)場RTK測量的三維坐標(biāo)進(jìn)行比較，判斷模型的精度及準(zhǔn)確性。三維模型檢查合格后，可用模型進(jìn)行設(shè)計(jì)方案選擇、道路勘探、地形圖繪制、項(xiàng)目管理等工作。

3 應(yīng)用案例

3.1 大壩地形圖測量

3.1.1 地形條件

大壩區(qū)域河面寬約20 m，兩岸地勢陡峭，植被茂密，地形平均坡度大于40°，給測量工作帶來了很大困難。測量壩區(qū)地形時(shí)GPS不能使用，全站儀免棱鏡能在河兩岸互相測量部分河對岸上的部分地形點(diǎn)。河面寬度及河面上30 m范圍內(nèi)全部不能測量，故大壩部分地形圖主要采用無人機(jī)攝影測量。

3.1.2 技術(shù)要求

根據(jù)美標(biāo)測量規(guī)范，大壩區(qū)地形圖設(shè)計(jì)比例為1∶500，等高線間距為1 m，其特征點(diǎn)坐標(biāo)、高程點(diǎn)高程的RMSE限差要求見表1。

表1 地形圖精度要求(美標(biāo))[4]表

3.1.3 無人機(jī)攝影測量

該項(xiàng)目外業(yè)控制測量平面采用墨卡托投影、印尼國家坐標(biāo)系，高程采用印尼國家高程基準(zhǔn)。航測像控點(diǎn)布設(shè)主要利用GPS-RTK接收機(jī)進(jìn)行坐標(biāo)點(diǎn)量測，整個(gè)大壩區(qū)域共布設(shè)8個(gè)像控點(diǎn)，11個(gè)檢查點(diǎn)。

大壩區(qū)地面起伏較大，最大高差為210 m，因此，無人機(jī)攝影測量選擇正攝變高飛行，飛行相對地面高度為73 m，空間分辨率(GSD)為2 cm，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%。整個(gè)航攝飛行時(shí)間為30 min，分兩次完成，共拍攝463張航片。

3.1.4 三維建模

航片拍攝完成后，將具有空間信息數(shù)據(jù)的航片導(dǎo)入CC建模軟件，經(jīng)空三處理、像控刺點(diǎn)、建模等流程生成實(shí)景三維模型。

3.1.5 模型檢查分析

三維模型生成后(圖1)，共檢查了平面特征點(diǎn)11個(gè)點(diǎn)，高程點(diǎn)檢查了13個(gè)點(diǎn)，其誤差統(tǒng)計(jì)見表2、3。

圖1 大壩三維模型圖

表2 特征點(diǎn)坐標(biāo)檢查統(tǒng)計(jì)表

表3 高程點(diǎn)高程檢查統(tǒng)計(jì)表

經(jīng)比較得知，11個(gè)平面特征點(diǎn)坐標(biāo)誤差最大的為9.2 cm，RMSE值為：X=0.023 m，Y=0.053 m；高程點(diǎn)高程最大誤差為13.7 cm,RMSE值為：H=0.048 m；其數(shù)字模型滿足美標(biāo)規(guī)范要求。

最后，打開SV360智能繪圖軟件，加載三維模型，繪制設(shè)計(jì)所需要的地形圖。

3.2 R4路勘測

3.2.1 R4路現(xiàn)場實(shí)際情況

R4道路位于巴丹托魯河右岸、廠房下游，設(shè)計(jì)路線長5 493.701 m，其中K2+462.020～K2+872.737跨過兩個(gè)高邊坡塌方段。毛路修到K1+800位置時(shí)據(jù)現(xiàn)場工作人員反映，按照設(shè)計(jì)線路，高邊坡塌方處道路不能通過，需要技術(shù)部確定施工方案。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人要求測量協(xié)助工程技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，測量并采集數(shù)據(jù)，以供技術(shù)部研究制定道路線性方案。

R4毛路K0+000～K1+800段初步形成路基，但沒有整修成型，車輛不能行使，需步行30 min。K1+800～K2+462.02段由于沒有清理，植被密集、溝壑縱橫，比較難走，行走需時(shí)間3 h。如果采用常規(guī)測量，往返的路上就要花7～8 h，現(xiàn)場工作沒法開展，經(jīng)研究決定采用無人機(jī)攝影測量。

3.2.2 無人機(jī)攝影測量

R4道路K2+462.02～K2+872.737段河寬40 m，左岸有長300 m、寬20 m左右的河灘，適合布設(shè)像控點(diǎn)和無人機(jī)起飛。無人機(jī)攝影測量選擇正攝變高飛行，飛行高度為90 m，空間分辨率(GSD)為2.5 cm，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%。

3.2.3 成果應(yīng)用

三維模型生成后(圖2)，由技術(shù)部根據(jù)三維模型研究確定路線方案。

圖2 R4道路K2+462.02～K2+872.737段三維模型圖

4 無人機(jī)攝影測量具有的優(yōu)點(diǎn)及優(yōu)勢

攝影測量生成的實(shí)景三維模型主要具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)機(jī)動(dòng)、靈活和安全性高。無人機(jī)具有靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)，受空中管制和氣候的影響較小，能夠在惡劣環(huán)境下直接獲取影像，即便是設(shè)備出現(xiàn)故障，也不會(huì)出現(xiàn)人員傷亡，具有較高的安全性。

(2)成本相對較低、操作簡單。無人機(jī)低空航攝系統(tǒng)使用成本低，耗費(fèi)低，對操作員的培養(yǎng)周期相對較短，系統(tǒng)的保養(yǎng)和維修簡便，無需機(jī)場起降，是當(dāng)前唯一將攝影與測量集為一體的航攝方式，可實(shí)現(xiàn)測繪單位按需開展航攝飛行作業(yè)這一理想生產(chǎn)模式。

(3)周期短、效率高。對于面積較小的大比例尺地形測量任務(wù)(10～100 km2)，受天氣和空域管理的限制較多，大飛機(jī)航空攝影測量成本高;采用全野外數(shù)據(jù)采集方法成圖，作業(yè)量大，成本亦較高。而將無人機(jī)遙感系統(tǒng)進(jìn)行工程化、實(shí)用化開發(fā)，則可利用其機(jī)動(dòng)、快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢，在陰天、輕霧天也能獲取合格的影像，從而將大量的野外工作轉(zhuǎn)入內(nèi)業(yè)，既能減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，又能提高作業(yè)的效率和精度。

(4) 真實(shí)性。傾斜影像能讓用戶從多個(gè)角度觀察，可以更真實(shí)地再現(xiàn)地物的實(shí)際情況，無限逼近真實(shí)世界，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)正射影像的不足。

(5)可量測性。傾斜影像通過配套軟件的應(yīng)用，可以直接基于成果影像進(jìn)行高度、長度、面積、角度的量測，實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)。

(6) 豐富紋理。與傳統(tǒng)垂直影像相比，傾斜影像具有自己獨(dú)特的優(yōu)勢: 它能提供豐富的建筑物立面信息。有了建筑物的立面信息，即獲取了建筑物表面紋理，對于三維建模等方面具有深遠(yuǎn)的影響。

5 結(jié) 語

此次無人機(jī)攝影測量在巴丹托魯項(xiàng)目成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)表明：多數(shù)情況下，無人機(jī)攝影測量技術(shù)可以取代勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低、傳統(tǒng)的地形圖測量方式，其具有操作簡便、速度快、采集信息量大等優(yōu)點(diǎn)，可為工程建設(shè)項(xiàng)目管理全壽命周期進(jìn)行增值，使建設(shè)過程更經(jīng)濟(jì)、高效和便捷[5]。