傾斜攝影測量在港口中的應用及精度分析

王 頔，亢保軍，王 朝

(中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津300222)

近年來，應用無人機開展的傾斜攝影測量技術越來越多地應用于各行業的勘測工作中，其所生成的實景三維模型在工程建設中得到廣泛應用。曹寧等[1]使用八旋翼無人機搭載五鏡頭相機進行數據采集、建模處理，并使用CASS軟件繪制數字線畫圖，開展平面精度統計，總結該技術的各類使用場景；張凱等[2]提出精準測繪的概念，以精準航線規劃為目的自主開發飛控軟件，提出環繞、水平“之”字形、貼地式飛行等方法，實現傾斜三維模型自動化側面數據采集；劉旭[3]分析了傾斜攝影測量的技術原理，并采用大疆M600Pro無人機掛載蒼穹KQ-CAM5傾斜攝影相機進行拍攝，并闡述數據采集、數據處理、生成模型、精度統計、生產效益分析等方面的具體工作；覃俊等[4]以古建筑實景三維模型為基礎，基于B/S架構，提出一套WebGIS的古建筑保護規劃審批輔助決策系統，實現古建筑的綜合展示、統計分析及空間分析功能，建立了古建筑數字化檔案；李丹[5]將傾斜攝影測量技術應用于鐵路工程中，探討在鐵路行業特色的長條形區域作業模式下如何優化像控點布設方案，如何在保障模型精度的前提下減少像片控制點數量，從而降低外業工作量。

傾斜攝影測量技術也逐漸應用于港口行業，但港口中不規則區域如三面臨水的條帶狀區域(防波堤、碼頭等)由于離岸較遠延伸入海，長寬比超過100倍，難以采集合格數據通過空中三角測量進行建模，存在港口中進行三維實景建模的技術難點。筆者采用多旋翼無人機，搭載五鏡頭傾斜相機，依托港口工程實踐，對港口行業應用傾斜攝影測量技術提出更為合理的方案。

1 傾斜攝影測量工作流程

無人機傾斜攝影測量項目一般根據工作地點的不同劃分為外業數據采集與內業數據處理2個階段。其中，外業數據采集包括資料搜集、測區踏勘、技術方案設計、像控點與檢核點的布設和采集、飛行作業影像數據采集、數據檢查等內容；內業數據處理包括數據整理、導入建模軟件、控制點刺點、空中三角測量、模型構建、精度檢核及精細化修模等內容(圖1)。外業的技術方案設計與內業的空中三角測量工作直接關系到生成的實景三維模型的位置精度及模型的精細程度。

圖1 傾斜攝影測量技術流程

2 傾斜攝影測量技術的工程應用

2.1 測區概況

測量區域大體呈東南—西北向條帶狀延伸，長邊約6.5 km，短邊平均長度約1.6 km，總面積約8 km2，由東南向西北依次為防波堤、建成區、吹填區、池塘區域，測區三面涉水。

2.2 外業數據采集

前期搜集到當地國家2 000控制點信息，經過RTK平面定位精度檢核及高程水準測量精度檢核后采用。航拍前，根據測區內地形地貌實際情況及邊界走向，考慮無人機航拍效率及工作站處理能力，將整個測區分為27個區塊(圖2)。綜合考慮本次測量區域相關地形地貌情況和現行規范要求，選取地面明顯標志點(如斑馬線、道路線等易判別標志)和地面繪制標志點相結合的方式間隔約300 m在測區中均勻布設像片控制點，選擇GNSS RTK測量方式實地采集各像片控制點的平面坐標以及高程值。

圖2 區塊劃分

每次飛行作業前根據測區地貌及當天的飛行區域尋找地形開闊、無遮擋、車輛較少的位置作為起飛地點，確保飛機狀態正常。根據前期設計方案開展數據采集工作，設置無人機沿航線方向飛行，飛行高度120 m，地面分辨率2.1 cm，飛行速度8.5 m/s，航向重疊率80%，旁向重疊率83%。在數據采集過程中須實時監控無人機的飛行參數，包括姿態、飛行高度、風速、剩余電量、照片數量等，保障無人機飛行安全。飛行后下載航拍照片及飛行POS文件，并檢查數據是否齊全、完好。

2.3 空中三角測量

將外業采集數據進行整理與重命名，確保照片的唯一標識及與POS數據的一一對應關系。將照片數據、POS及像片控制點導入Smart3D軟件，首先使用原始POS數據做剛體變換開展初步空三計算，提取特征點數據，進行同名點匹配，開展迭代平差、畸變矯正從而獲取外方位元素。然后根據初步空三成果進行像片控制點刺點工作，所有像片控制點刺點完成后，再次開展平差計算，平差解算完成后查看空三報告，若有平面和高程中誤差較大的像控點則調整刺點位置再次進行控制點平差計算，直至空三結果正確并且精度滿足規范要求。

2.4 精度檢核

通過完成空中三角測量的數據進行模型構建，根據工作站內存情況生成適合大小的瓦片，生成OSGB格式實景三維模型，見圖3a)。為檢核實景三維模型的精度，在整個工程范圍內較為均勻地布設164個檢核點，采用GNSS RTK測量方式實地測量各點平面坐標和高程值。將采集得到的檢核點整理導入《無人機低空攝影測量輔助處理系統》軟件，并導入項目生成的OSGB格式實景三維模型，在實景三維模型中刺出對應檢核點位置，最后將在實景三維模型上進行刺點的檢核點坐標與實測檢核點坐標進行對比，剔除由于車輛或移動設備遮擋難以刺點的檢核點。本項目共完成檢核點刺點156個，實景三維模型建模精度如下：X方向中誤差為±0.035 m，Y方向中誤差為±0.040 m，高程誤差為±0.031 m，均優于2個像元大小(地面分辨率2.1 cm)。由統計結果可知，構建的實景三維模型平面及高程精度均滿足《城市測量規范》中“平坦地區1:500地形圖地物點相對于臨近控制點的點位中誤差不大于±25.0 cm及高程中誤差不大于±15.0 cm”的要求。故本項目完成的實景三維成果精度完全滿足后續港口平臺建設及工程建設等的多重需求，亦可作為后續生成數字正射影像(DOM)、數字地表模型(DSM)的基礎數據成果使用，見圖3b)、c)。

圖3 實景三維模型

2.5 精細化修模

由于項目測區為港區，三面臨海，且測區內存在弱紋理地區(吹填區、池塘區)、條帶狀區域(進港道路、防波堤)，故所生成的實景三維模型中存在水面破損、道路拉花、防風網破損、收費站下方扭曲等現象，影響模型完整性及美觀度，需要進行精細化修模。對于需要開展精細化修模的實景三維模型，將其導入DP-Modeler修模軟件，針對破損防風網、墻體等情況進行單體化建模，針對破損水面進行水面平整和修復，針對道路移動車輛問題進行壓平設置后貼圖修改，針對漂浮物進行刪除。原始三維實景模型與精細化修模后的模型對比效果如圖4所示。

圖4 原始三維實景模型與精細化修模后的模型對比

3 結語

1)傾斜攝影測量技術應用于港口中已經趨于成熟，本項目的技術方案可適用于建立港口高精細程度、高位置精度的實景三維模型。

2)技術方案設計部分，對于水體覆蓋較多的區域，建議垂直于長邊飛行，如不具備條件平行于長邊飛行，則建議提高旁向重疊率；針對延伸入海的條帶狀地形，建議降低飛行高度，減少單張照片的水體覆蓋度；形狀不規則的測區建議在拐點處成對布設像控點，增加連接點，提高空中三角測量計算精度。

3)空中三角測量部分，在區塊劃分時，若延伸入海面積較大，建議與相連陸地區塊合并處理，提高空中三角測量成功率；針對長寬比超過100的長條形區域，建議分塊進行空中三角測量。

4)精細化修模部分，若存在高大建筑或收費站等有遮擋地區，建議使用手機或無人機在地面對于可能存在的遮擋地物進行拍照，以提高后期修模效率及模型精細程度。

5)隨著國家對于數字城市、智慧城市以及數字中國的建設和投入逐漸加大，構建三維立體模式下的智慧港口建設勢在必行，未來以實景三維模型為基礎背景疊加地上、地下各類三維模型(如三維地形模型、三維地質模型、三維管線模型、BIM模型等)以及各類專題數據(如地物屬性信息、交通數據、設備數據、船舶停靠按信息等)將依托于三維GIS平臺，以可視化、空間分析、精準管理為特點應用在港口的規劃、設計、施工、運維等諸多方面的場景中，提供各種類型的數據支持服務。