無人機傾斜攝影在市政道路設計中的應用

常 遠 張 勝

(1. 吉林省交通規(guī)劃設計院, 吉林 長春 130021;2. 中國地質調查局廊坊自然資源綜合調查中心, 河北 廊坊 065000)

0 引言

隨著城市建設力度的不斷加強,原有的一些市政道路已經無法滿足現在人們正常的出行需求,對市政道路進行改造能夠在一定程度上有效緩解交通壓力,為城市居民日常出行帶來巨大的便利。市政道路改造設計是一項復雜的系統工程,需要多個專業(yè)相互配合,以確保各環(huán)節(jié)銜接順暢[1]。市政道路改造設計對于測繪精度要求高,測繪成果要能準確地擬合現有道路的平縱線型[2],特別是涉及重大橋梁改造時,要準確施測出橋梁的平面及高程位置信息。

無人機傾斜攝影技術是國際測繪領域近些年發(fā)展起來的一項高新技術,該技術通過在無人機飛行平臺上搭載多鏡頭傳感器,能夠同時從一個垂直、多個傾斜的角度采集影像,從影像中提取地物的空間位置、建筑結構、色彩與紋理等,然后按照統一的坐標系迅速建立實景三維模型[3-6]。這種實景三維模型一方面能夠真實準確地反映地物情況,另一方面能夠將用戶引入符合人眼視覺的真實直觀世界,具有高精度、可量測的特點[7]。

近年來國內學者對于無人機傾斜攝影技術開展了諸多研究。李紅梅等[8]利用無人機在公路設計路線附近建立傾斜攝影模型,更直觀更立體的實現在三維場景中的勘察設計工作。樂志豪等[9]利用無人機傾斜攝影測量技術進行了實景三維建模,為道路項目測圖提供了新的解決方案。石磊[10]采用無人機傾斜攝影測量技術實施某道路測量,成果精度滿足設計及相關規(guī)范要求。劉兆等[11]以傾斜攝影測量技術在城市大比例尺地形測繪工作中的應用為例,探討其成果質量控制的主要技術要點。陳陳等[12]探討了基于無人機傾斜攝影技術的地理信息獲取和原始影像的處理方法。佘宏偉[13]對建筑信息模型(building information model,BIM)與傾斜攝影技術在道路橋梁優(yōu)化設計中的應用進行了分析。耿濤[14]探討融合BIM技術與無人機傾斜攝影技術,精確完成工程量算、施工模擬、碰撞檢查等工作。郭長東等[15]采用低空無人機傾斜攝影測量,通過攝像影像解算獲取點云數據,準確地計算土石方量,極大地提高道路土石方量測繪工作效率。

國內學者在無人機傾斜攝影建模技術方法、質量控制、地形圖生產及與BIM結合方面做了相關研究,但是對于如何利用無人機傾斜攝影技術系統性地生產滿足市政道路改造設計要求的地形圖的研究較少。針對市政道路改造設計,本文首選設計了應用無人機傾斜攝影技術生產地形圖的技術流程,并通過具體項目案例驗證了精度的可靠性。

1 市政道路設計地形圖生產方法

結合無人機傾斜攝影技術的特點,針對市政道路改造工程,設計了應用無人機傾斜攝影技術進行市政道路改造設計測圖的技術流程,該技術流程詳細闡述了從外業(yè)數據采集到內業(yè)數據建模,再到地形圖制作的過程。首先,基于高等級控制網做控制測量,構建道路改造設計的基準網,其次,通過無人機獲取影像資料,進而完成三維建模,制作三維實景模型,最后,利用三維實景模型生產地形圖,流程圖如圖1所示。

圖1 技術流程圖

2 關鍵技術

上述技術流程中三維實景模型構建的質量至關重要,其直接影響后期地形圖生產的精度。對于本項目大范圍傾斜攝影模型生產,因沒有大型的計算機集群系統,無法將項目區(qū)域內的傾斜影像數據一次性生產為一套模型,經過反復論證,采取分區(qū)分塊的策略分別構建每一個區(qū)域塊的傾斜攝影模型,最后再將每一個分區(qū)生產的模型進行拼接,整合為一套模型。然而分區(qū)生產模型時為了保證生產的傾斜攝影模型相鄰兩塊區(qū)域之間不出現錯位的現象,影響后期生產地形圖的精度,在生產模型時相鄰兩個分區(qū)之間設置了一定的重疊度,并且在重疊區(qū)域內保證足夠的相控點數量,這樣一方面能夠使相鄰分區(qū)之間相互咬合,保證最終生產的模型不出現錯位的現象,另一方面能夠有效控制模型精度,保證地形圖生產的質量。

3 工程應用及分析

為檢驗本文設計的上述技術流程的可行性及實用性,結合項目實際生產應用場景,依托國道集阿公路遼源紅五星互通立交改建項目開展了生產項目實踐應用,驗證上述技術路線的可行性與實用性。

3.1 工程概況

國道集阿公路遼源紅五星互通立交改建項目位于遼源市東南部新城,互通周邊4S店、加油站、糧庫等企業(yè)較多,互通南、北兩側緊鄰四梅鐵路及渭津河,部分路段處于與鐵路占地交叉范圍,對于互通改建測量及設計工作均提出了較高要求,勘測難度極大。

3.2 數據獲取與建模

傾斜攝影外業(yè)測量小組共計4人,2人布設相控點,2人進行無人機傾斜航攝。外業(yè)測量利用六旋翼無人機搭載傾斜五鏡頭相機作業(yè),相機有效像素≥1.2億。傾斜攝影外業(yè)作業(yè)前最主要的工作是布設像控點,本項目在航攝區(qū)域內均勻規(guī)劃并布設了34個像控點,采用實時動態(tài)測量(real time kinematic,RTK)技術準確采集了外業(yè)布設的34個像控點的CGCS2000平面和1985國家高程坐標。航攝實施時首先進行航線規(guī)劃,本項目航線規(guī)劃時設置航向重疊度85%、旁向重疊度75%、航高120 m、下視影像分辨率1.5 cm,規(guī)劃航線完成后即按照規(guī)劃參數自動控制無人機執(zhí)行飛行任務。項目外業(yè)數據獲取歷時5 d,飛行24個架次,總共采集項目區(qū)域7.71 km2、80 504張傾斜影像。最后對于采集的傾斜影像,組建計算機集群系統生產傾斜攝影模型。

3.3 精度評定

為驗證利用無人機傾斜攝影模型生產地形圖能否達到市政道路改造設計對于地形圖精度的要求,依據《三維地理信息模型數據產品規(guī)范》(CH/T 9015—2012),在項目區(qū)域范圍內選取了若干特征點,分別對平面及高程精度做了檢驗。

3.3.1平面精度

平面精度檢核利用RTK技術外業(yè)實測特征點與制作的傾斜三維模型上直接獲取的同名點坐標進行統計分析,共選取檢查點30個,具體精度統計如表1所示。

表1 平面坐標精度統計 單位：m

通過對30個平面精度檢核點的坐標數據統計計算得知,平面坐標誤差都在0.2 m內,中誤差0.082 m,滿足1∶2 000大比例尺地形圖平面精度要求。

3.3.2高程精度

高程精度檢核利用RTK技術外業(yè)實測特征點與制作的傾斜三維模型上直接獲取的同名點坐標進行統計分析,共選取檢查點30個,具體精度統計如表2所示。

通過對30個高程精度檢核點的高程坐標統計計算得知,高程誤差都在0.15 m內,中誤差為0.112 m,滿足1∶2 000大比例尺地形圖高程精度要求。

在檢驗傾斜攝影模型平面及高程精度均合格的基礎上,利用傾斜攝影模型生產了項目區(qū)域的地形圖,并成功應用于遼源紅五星互通改造設計項目。

4 結束語

傳統方式測繪地形圖普遍采用全站儀或RTK測量方法,全站儀測繪方法外業(yè)測量要耗費大量的人力,RTK測繪方式在城鎮(zhèn)作業(yè)時信號強度低,容易失鎖。相較于傳統測繪地形圖的方式,利用本文的測量方式,4人5 d即可完成7.71 km2的外業(yè)測量任務,不僅極大地減少了外業(yè)測量時間,而且無人機飛行作業(yè)基本不受GPS信號干擾的影響,可見應用無人機傾斜攝影技術極大地改善了原來生產地形圖工作的方式,提高了生產效率。

本文通過對市政道路改造設計區(qū)域進行無人機傾斜攝影,建立了項目區(qū)域范圍內的傾斜攝影模型,生產了項目區(qū)域范圍內的地形圖,通過實際檢核成果精度,驗證其滿足市政道路改造設計的要求,本文的方法對于今后進行市政道路改造項目的開展具有一定的借鑒指導作用。