傾斜攝影測量在高速公路改擴建工程中的應用

張鴻飛

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引言

無人機傾斜攝影測量技術是目前全球測繪領域新興的一門技術手段。其原理是將多個傳感器搭載在同一架飛行平臺上，對地物從多個角度進行拍攝，獲取到更全面和完整的地物信息[1-2]。傾斜攝影測量中的三維數據可以真實地反映地物的具體位置、高度和外觀情況等屬性，很好地彌補了傳統測量手段的不足[3-4]。但是傾斜攝影測量技術也存在一些弊端，如非量測型數碼相機攝影物鏡存在光學畸變、機械畸變和電學畸變，缺少傾斜攝影測量像控點布設規范，機載POS精度不高等。本文結合高速公路改擴建項目，通過對航測相機進行檢校、航測參數調整、像控點布設方案優化、數據嚴格檢核處理等，最終將該技術應用到實際工程當中，數據精度可靠，效果良好。

1 非量測相機檢較

非量測型數碼相機攝影物鏡存在光學畸變、機械畸變和電學畸變。其中，光學畸變是影響像點坐標的一個關鍵因素。光學畸變會使得物點、像點和投影中心點不共線，影像的形狀發生變形，同名光線不再相交，攝影影像精度降低。在獲取攝影影像之前，必須對非量測的數碼相機進行檢測。相機檢校參數包括內方位元素和畸變參數。其中，內方位元素包括主距、像主點在像片中心的位置。由于相機畸變的存在，攝影中心、像點、物方點之間不滿足共線條件方程，從而嚴重影響影像測量成果的精度。為了減小像片畸變，提高影像匹配，應當確定相機的內參數與畸變參數。當考慮圖像畸變時，共線條件方程式表示為[5-6]：

式中：Δx，Δy是由圖像畸變引起的像點坐標的系統誤差；（x，y）是像點量測坐標。ai，bi，ci（i=1，2，3）為3個外方位角元素所組成的方向余弦。（X，Y，Z）是物方控制點坐標；（Xs，Ys，Zs）為攝影時像片的外方位線元素；（X0，Y0）為像主點在像片中心的位置；f為相機鏡頭焦距。綜合考慮徑向畸變與偏心畸變的畸變模型為：

2 像控點布設方案

像控點的布設方案和數量、平面和高程測量值會直接影響空中三角測量，從而影響模型精度。因此，像控點的布設在整個項目實施中尤為重要。根據每個項目的地形條件、攝影資料和信息處理方法，像控點布設的主要原則如下：

（1）像控點一般根據測區范圍統一布點，應均勻、立體地布設在測區范圍內。

（2）點位的分布應避免形成近似直線。

（3）像控點需選擇較為尖銳的標志物，以提高內業精度。

（4）像控點標志物應與地表顏色形成鮮明對比，如深色地標噴白色油器，白色地面噴紅色油漆。

（5）盡量選擇平坦地區，避免樹下、屋角等容易被遮擋的地方。

（6）像控點布設結束后，應盡量進行拍照記錄。現場照片內應同時包含像控點及其周圍地物特征，并在照片內清晰指出像控點所在位置及編號（默認照片中對中桿所在位置即像控點位置）。

（7）若工作人員選擇地物特征點作為像控點，應選擇較大地物，且提供現場照片2～4張，輔助內業人員尋找像控點。

（8）布設像控點的人員應提供像控點實際分布情況。圖1給出了像控點布設的實例。

圖1 像控點的布設

3 航測參數設定

在航測任務開始前，根據需求并結合現場情況綜合考慮設定航攝參數。參數包括航高、飛行速度、曝光間隔、像片重疊度、圖像分辨率、像幅范圍、航線間隔等。

3.1 航高

飛行高度又稱航高，是指無人機相對于攝影區域的平均平面的高度。根據不同的基準面，航高可以分為絕對航高、相對航高、真實航高和攝影航高。其中，絕對航高是指相對于平均海平面的航高，是攝影物鏡在攝影瞬間的真實海拔高度。相對航高是指攝影機物鏡相對于某一基準面的高度。真實航高是指飛機在攝影瞬間相對于實際地面的高度。攝影航高是指飛機相對于攝影分區的平均平面的高度。這里的航高指的是相對航高，即無人機相對于起航位置的航高。

3.2 飛行速度

飛行速度不僅直接影響飛行的平穩性，而且與相片相移有關，影響著相片成像質量。通常情況下，無人機傾斜攝影測量采用低速飛行模式，能夠保證飛行安全性，還能減少影像相移獲取符合質量要求的像片。

3.3 曝光間隔

無人機在飛行過程中，采集影像數據相鄰兩次曝光時間之差為曝光間隔。它與基線長度和飛行速度有關。當飛行速度和航高已知的情況下，航向重疊度由曝光時間間隔決定，曝光間隔只需不小于相機最小曝光間隔即可。

3.4 像片重疊度

像片重疊度分為航向重疊度和旁向重疊度。航向重疊度又稱“縱向重疊”，在無人機攝影中沿同一航線上的相鄰像片間對應同一部分地面影像。通常情況下，前后兩張像片拍攝位置在空中各不相同，因此重疊部分對應同一地面，像片影像卻不完全相同。沿航向重疊部分與整個像片的長度之比，稱為航向重疊度，用百分數表示。同理，旁向重疊度又稱“橫向重疊”。旁向重疊部分的長度與整個像片長度之比，稱為“旁向重疊度”，用百分數表示。

3.5 圖像分辨率

圖像分辨率是指一個像元大小。像元又稱像素點，即影像單元（picture element），是組成數字影像的最小單元，即一個像元代表地面面積多少。根據攝影測量，航高、焦距和圖像分辨率存在相似三角形關系，如圖2所示。

圖2 圖像分辨率

3.6 像幅范圍

像幅范圍是指一張影像所展示的實地面積大小。對于低空無人機航攝系統來說，如果數碼相機一旦選定，所用的鏡頭也一定，那么地面分辨率與航高成正比。當航高越高時，地面分辨率的值越大，分辨率越低，像幅范圍越大。當航高越低時，地面分辨率的值越小，分辨率越高，像幅范圍越小。

4 數據檢查處理

第一步，檢查影像質量，補飛不合格區域，直至滿足要求。檢查的內容包括飛行質量檢查和影像質量檢查。飛行質量檢查包括航向重疊度、旁向重疊度、像片傾角和旋角、航線彎曲度和航高差。影像質量檢查包括：觀察影像是否清晰、色調是否一致、層次是否鮮明、反差是否合理；觀察影像是否有重影、不清晰和位置偏移等情況；觀察影像是否有陰影、大范圍反光、不清晰點等突出問題，是否影響模型的建立與測圖。

第二步，進行幾何校正，同名點匹配，區域網聯合平差。

第三步，將平差后的數據賦予每張傾斜影像，使得它們具有空間位置和姿態數據，呈現在三維空間中。

第四步，傾斜攝影進行實時測量，相片上的每個像素對應真實的地理坐標位置。

5 高速公路改擴建工程應用實例

5.1 測區概況

工程位于上海市寶山區中部，線路呈東西走向，全長3.86 km，寬300 m。工程范圍包含跨線橋、互通式立交、建筑、道路、市政設施、綠地、施工區域等，地物類型較多，地形較為復雜。項目情況如圖3所示。

圖3 項目概況

5.2 飛行參數

航飛任務采用六旋翼無人機、五鏡頭相機。無人機及相機各項參數均通過檢驗，符合航空攝影測量規范要求。表1給出了外業飛行參數。

表1 外業飛行參數

5.3 像控點的布設

在飛行作業前，對整個測區現場踏勘，結合現場具體情況選取路面上斑馬線、道路拐點、井蓋等明顯特征點作為像控點。像控點間距為200～300 m。像控點在航攝區域均勻分布，且覆蓋整個測區。像控點測量使用RTK測量方法。在測區內均勻布設24個像控點和9個檢查點。像控點分布及布設如圖4、圖5所示。

圖4 像控點分布圖

圖5 像控點的布設

5.4 空三平差計算

內業數據處理采用機載POS數據和像控點數據進行空三計算。部分控制點計算精度如圖6所示。

圖6 空三計算精度

由上面結果可以看出，空中三角測量精度較好，結果符合要求。空中三角測量完成后，開始生成OSGB三維模型、DOM、DSM等產品。

5.5 成果精度分析

在測圖軟件中利用三維測圖模塊進行OSGB數據轉換，生成DSM格式文件，然后加載本地傾斜模型。采用二維、三維模型聯動繪制的方式，根據地形圖繪制規范進行地形圖繪制。

三維實景模型測圖如圖7所示。

圖7 三維實景模型測圖

為了驗證該方法繪制地形圖的平面和高程精度，用RTK結合全站儀的方式在地面測量部分平高檢查點。平高檢查點包含斑馬線角點、道路拐點、井蓋等明顯特征點。檢查點在測區均勻分布。將外業實測檢查點與模型測量點做檢查分析，并根據點位中誤差公式計算出每個檢查點的平面中誤差。圖8為檢查點殘差圖。

圖8 檢查點殘差圖

通過對地面標志點進行誤差統計，X方向中誤差0.039 m，Y方向中誤差0.022 m，Z方向中誤差0.054 m。總體分析，在三維模型上采集的數據精度可以滿足工程測量規范（GB/50026—2007）1∶500地形圖要求。

為了驗證高速路面數據精度，使用RTK測量的方式，外業實測738個檢查點。然后將外業實測檢查點與模型測量點做檢查分析，并根據點位中誤差公式計算出每個檢查點的平面中誤差。殘差圖如圖9所示。

圖9 高速路面檢查點殘差圖

通過對高速路面、橋縫高程殘差進行誤差統計，Z方向中誤差為0.038 m，高程殘差值都在10 cm以內，最大為6.4 cm。利用傾斜三維模型提取高速路面高程數據精度可以滿足高速公路地形和斷面測量要求。

6 結語

本文將傾斜攝影測量技術應用在高速公路改擴建工程中，并對成果進行了詳細的精度分析，效果良好。

（1）研究了傾斜攝影測量技術在高速公路改擴建項目中的應用流程，通過一系列方案優化，最終獲取了可以滿足規范和項目要求的測繪成果。

（2）解決了傳統測量方式無法直接進行高速測量的問題，提高了工作效率，效果良好。

（3）在三維模型上采集的雨水箅子、雨污水井、路燈等道路附屬設施數據精度相對較高，可以直接進行測繪生產。