無人機測繪技術用于工程測量探究

文／李波 濟南城市建設集團 山東濟南 250100

1、無人機技術現狀

現如今針對無人機測量技術的研究全球有幾十個國家在投入大量的人力物力進行研究，有接近40 個國家在實際的測量工作中已經使用無人機進行測量。有很多國家的無人機發(fā)展還在起步研究階段，然而我國針對無人機測量技術已經有了重大突破，我國的無人機技術已經占據了大量的國外市場。

2、三維點云融合技術

為解決廠房改造中站式掃描儀獲取點云缺漏的技術難題，本文提出三維點云融合技術，采用站式掃描儀采集廠房墩柱、橫梁、門窗的點云數據，同時使用無人機傾斜攝影獲取建筑外立面信息，將兩種測量成果進行融合得到廠房完整三維點云數據。實驗表明，該三維點云融合技術提高點云數據的完整性，讓設計圖件繪制容判讀、尺寸更準確。對老舊廠房進行改造設計首先應對其現有狀況進行準確測繪，三維激光掃描技術因具有掃描速度快、掃描細節(jié)表現好、數據采集精度高等優(yōu)勢[1]，成為廠房改造設計的主要測繪方法。在大范圍廠房測繪實踐中，廠區(qū)內經常有掃描人員難以到達的隱蔽區(qū)域，單純采用站式掃描測量方法難以獲得建筑完整點云數據。為快速獲取廠房外立面三維坐標和紋理信息作為站式掃描的補充，本次實驗引入輕量級無人機對廠區(qū)開展傾斜攝影測量，通過無人機良好的視場角來解決站式 掃描儀獲取點云數據缺漏的技術難題[2]。

3、研究背景與技術流程

3.1 研究背景實驗區(qū)為某老舊紡織廠

廠房占地面積約1500m2，地勢平坦。廠區(qū)建筑以一層框架結構為主，部分職工宿舍為二層房屋。整個紡織廠建筑密集，建筑間有圍墻阻隔、房屋窗戶多被封堵，掃描視野狹隘、通視困難。

3.2 技術流程

以無人機傾斜攝影、三維激光掃描為代表的測繪新技術近年得到較快發(fā)展，使測繪方式及應用領域有了較大提升。實驗通過站式掃描儀對廠房內部開展三維掃描的同時，使用無人機傾斜攝影對地面視角難以獲取的廠房頂蓋，廠區(qū)外立面等區(qū)域進行補充采集，最終將兩者獲取的點云數據進行融合［4］，獲得廠區(qū)完整的三維位置信息與紋理影像數據，用于繪制立面圖、軸網圖、平面圖、頂視圖、剖面圖等圖件資料。

4、基本原理及技術指標

4.1 三維激光掃描

三維激光掃描技術是測繪領域繼 GPS 之后又一次技術革命，他突破了傳統(tǒng)的單點測量技術，利用激光脈沖對目標物體進行掃描，可以大面積、大密度、快 速度、高精度地獲取地物的三維位置信息［5］。近年來，站式掃描測量系統(tǒng)，機載和車載激光雷達系統(tǒng)正逐漸廣泛地應用于測繪生產研究的各個領域。本次實驗需要掃描的對象主要分布在廠房內部，工作環(huán)境狹小。

本次實驗選用帶有視覺追蹤自動拼接功能的新型站式掃描儀，其掃描范圍為0.5m ～130m，掃描速率200 萬點/秒，標稱點位精度在20m 距離內為2.9mm。實驗中相鄰兩設站點距離不大于20m，通過坐標轉換拼接后殘差不大于3mm。

4.2 無人機傾斜攝影

傾斜攝影技術在攝影方式上區(qū)別于傳統(tǒng)的垂直航空攝影，突破了正射影像只能從垂直角度拍攝的約束［6］，通過無人機平臺掛載的傾斜相機，從不同的傾斜角度采集影像，模擬出符合視覺感受的真實立體世界。目前主流的傾斜攝影相機分為五鏡頭和單鏡頭兩類，其中單鏡頭相機質量輕便，能集成在輕量型無人機上，操控簡便、成本低。本次實驗選用相機主距為8.8mm，像元尺寸為2.412um 的某輕量型無人機對廠區(qū)開展傾斜攝影。為獲得清晰度較好，分辨率較高的傾斜模型，需要在航飛前進行航線設計，數碼航空攝影的地面分辨率取決于飛行高度，其值可按下式計算。

F/GSD=h 式中，h 為相對航高；f 為鏡頭焦距；a 為像元尺寸；GSD 為地面分辨率。由上式計算可知，本次實驗為確保廠區(qū)地面分辨率優(yōu)于1.5cm，無人機航線設計階段所確定的相對航高應不大于55m。

5、實驗過程

5.1 坐標系統(tǒng)匹配

地面三維激光掃描獲取的點云數據可通過公共點云拼接成一個獨立坐標系，無人機傾斜攝影可通過連接CORS基站直接獲取每張照片準確的POS 信息。為GNSS 信號遮擋嚴重，移動掃描測量方式難以開展。站式掃描無須GNSS 信號，人工搬站靈活方便，并可通過公共點云拼接技術實現在巷道中或樓梯上的坐標傳遞，將不同的站點坐標納入統(tǒng)一的獨立坐標體系，其坐標轉換過程通常利用布爾莎7 參數模型。

將兩者獲取的成果納入一個坐標系中首先應布設控制標靶。實驗布設7 個直徑為18cm 的黑白相間圓形，并使用JSCORS 采集其三維坐標，每個標靶采集三次取平均值為最終成果用于站式掃描點云糾正的起算數據。控制標靶應均勻布設在測區(qū)范圍內，對GNSS 信號較差的廠房間狹小區(qū)域布設的標靶點，使用JSCORS 直接采集有困難時也可以通過傾斜攝影間接獲取的標靶點坐標用于地面三維激光點云糾正，最終實現站式掃描與傾斜攝影坐標系統(tǒng)匹配[7]。

5.2 站式掃描數據采集與處理

站式掃描儀在廠房點云采集時先布設掃描站點位置，設站時綜合考慮標靶識別的點云密度，且測站間距離不宜超過20m。拼接原理為通過公共點云數據獲取同名點坐標來計算坐標轉換參數和殘差，并利用轉換模型實現點云拼接[8]。點云拼接時，測站間拼接的鏈接應盡量形成閉合環(huán)，通過對測站間鏈接的閉合情況檢查來確保拼接正確，避免計算機程序算法對公共點云的誤判。拼接后點云、點云配準計算。掃描的老舊廠區(qū)共架設208 個測站，通過內業(yè)測站拼接建立的213 個鏈接將所有點云數據納入統(tǒng)一坐標系中。拼接完成后，還需對所有點云進行一次優(yōu)化計算，以提高整體點云拼接強度。為將實驗區(qū)地面點云數據與無人機傾斜攝影成果納入統(tǒng)一坐標系，還需通過控制標靶對整體點云進行坐標轉換計算。計算時將整個點云視為一個剛體，糾正后點云上標靶點坐標與外業(yè)直接采集標靶點坐標較差如表1所示。

表1 點云標靶殘差表

表1 顯示，標靶殘差最大為0.032m，說明整體點云拼接正確，坐標配準準確無誤。然后將糾正后的點云導出為las格式數據，用于導入測圖軟件繪制各種設計圖件。

5.3 無人機傾斜攝影

無人機傾斜攝影航飛前進行實地踏勘，了解測區(qū)周邊是否有影響飛行安全的高大建筑。通過綜合航飛安全和分辨率需求，本次實驗相對航高設為50m，航向重疊度和旁向重疊度均為80%，云臺角度為-60°；采用井字航線自主飛行，共獲取1700 余張照片，地面分辨率約1.4cm；在布設標靶位置降低航高，補充手控拍照以獲取清晰標靶照片。為從傾斜攝影模型中獲取較高密度的點云數據，內業(yè)建模采用contextcapture 軟件進行。建模前從傾斜攝影照片中獲取相機像主點位置（x0，y0），相機畸變參數（k1，k2，k3，p1，p2），每張照片準確的POS 信息，綜合相機主距（f），像元尺寸（a）等數據可實現免相控建模，模型重建結果需勾選傾斜模型osgb 格式和點云las 格式兩種［9］。在獲取的傾斜模型上量取7 個標靶點坐標與外業(yè)直接采集的標靶點進行比較，其差值如表2所示。

表2 傾斜模型標靶殘差表

表2 顯示，傾斜模型標靶殘差最大為0.053m，說明免相控建模結果正確，站式掃描儀獲取的點云數據與傾斜攝影獲取的傾斜模型數據坐標一致。為提高兩種方式獲取點云數據的匹配程度，還可以在contextcapture 軟件中對無人機獲取的標靶照片進行刺點，通過相控點提高傾斜模型的精度。

5.4 點云融合及圖件繪制

立面圖繪制過程中，經常會因點云遮擋、掃描不全導致判讀不準，難以對整個建筑架構有全面把握。單純采用地面三維激光掃描獲取的點云數據缺失嚴重，尤其是房頂和人員無法到達的隱蔽區(qū)域。此時通過疊加無人機視角的傾斜模型點云數據可有效提高點云的完整性，讓各種圖件繪制容易判讀、尺寸更準確。站式掃描儀僅能獲取房屋頂蓋的內壁，無法獲得頂蓋上方的點云數據。且因圍墻阻隔，人員無法進入的隱蔽區(qū)域，站式掃描儀獲取的點云數據表現為黑色空洞。而無人機傾斜攝影依賴拍照平臺良好的視場角可獲得完整頂蓋點云，對于隱蔽區(qū)域也能獲取部分點云數據。基于上述兩種方法獲取的點云數據統(tǒng)一轉化為las 格式，共同加載到測圖軟件中即可實現點云數據基于統(tǒng)一坐標系的數據融合。立面圖繪制時應首先將點云進行切片，后參照點云位置尺寸進行立面圖繪制。為保持不同圖件中相同部件尺寸無較大誤差，可首先繪制平面圖，在平面圖上繪制出窗戶門框等部件；后切換至立面測圖，保留平面圖上的部件，繪制立面時參考平面圖相關尺寸。在老舊廠房改造項目中采用站式掃描儀對廠房內外開展掃描能獲得房屋墩柱、橫梁、門窗等建筑細節(jié)點云數據，同時受站式掃描儀站點位置限制，屋頂和人員無法到達的隱蔽區(qū)域點云缺失，通過使用輕量型無人機快速獲取掃描區(qū)域傾斜模型及點云數據可作為繪圖建模的有益補充［10］。

結語：

為進一步提高無人機遙感技術在測繪工程測量中的應用效率，首先需要確定無人機遙感技術的應用優(yōu)勢，分析其在實際應用中的應用要點要求，且要注意對各干擾因素的有效控制，通過對各注意事項的有效控制，來保證測繪測量數據的精確性與可靠性，滿足工程建設需求，無人機遙感技術應用注意事項拍攝影像資料無人機遙感技術在測繪工程測量中的應用越來越成熟，逐漸積累了一定的經驗，可以作為后續(xù)工程測繪測量的指導依據。