傾斜攝影在城市道路竣工測量中的應用分析

童楊津，丁進選*，趙文峰，蔡 軍，李 廣，陳弘祖

（1.深圳市長勘勘察設計有限公司，廣東 深圳 518003；2.賀州學院，廣西 賀州 542899；3.廣州天派空間科技有限公司，廣州 510055）

近年，無人機傾斜攝影測量技術已成為國內(nèi)測繪領域應用研究的熱點，相較傳統(tǒng)測量方式，因其自動化程度高、能大大縮短外業(yè)時間等優(yōu)點在各類測繪項目均有應用研究[1-6]。城市道路竣工測量作為城市道路規(guī)劃監(jiān)督的重要環(huán)節(jié)，其結果是判定城市道路工程施工是否符合規(guī)劃設計要求及能否順利竣工驗收的重要依據(jù)。因此，選擇合適的高精度、高效的測量方法實施是城市道路竣工測量項目首要考慮的問題。徐寧等[7]利用車載三維激光測量系統(tǒng)進行城市道路竣工測量，結果表明平面精度及高程精度分別可達11.0 cm、6.6 cm，同時能有效縮短作業(yè)時間。楊銘[8]從精度及內(nèi)外業(yè)作業(yè)效率等方面對比了地面三維激光掃描、背包式移動掃描、無人機傾斜攝影等3種方法在城市道路竣工測量中的應用表現(xiàn)，結果顯示平面及高程精度均優(yōu)于5 cm，滿足道路竣工測量的要求，作業(yè)效率較傳統(tǒng)方法優(yōu)勢明顯。然而影響傾斜攝影測量精度的因素較多，如相機鏡頭、飛行相對高度、刺點精度等，同時實測-設計數(shù)據(jù)符合性比對也是竣工測量工作中的重要組成部分，其比對方法的簡便性也是選擇竣工測量方法需考慮的因素之一。

為此，本文以深圳市某道路改造工程竣工測量為例，利用低空無人機對項目測區(qū)進行傾斜攝影并生成實景三維模型，通過空三精度、模型精度、設計-實測數(shù)據(jù)比對方法等方面分析傾斜攝影測量在城市道路竣工測量的普適性，同時嘗試采用傾斜攝影點云+三維激光點云融合建模，為后續(xù)道路竣工測量提供新的思路。

1 項目概況

項目位于深圳市龍崗區(qū)，道路呈東西走向，全長約3.3 km。本次道路改造將原來的主線雙向四車道或六車道改造成雙向八車道，紅線規(guī)劃寬度為50～65 m，路幅實際控制寬度為50 m，整個標段設有3座人行天橋。該項目于2017年2月開工建設，2019年10月全線竣工。本次竣工測量的內(nèi)容主要包括道路部分、管線部分（管線部分不在本論文研究范圍內(nèi)）和橋梁部分的內(nèi)容。道路部分主要包括道路起、終點位置測繪，道路縱、橫斷面圖測繪及1∶500竣工現(xiàn)狀圖測繪，橋梁部分為人行天橋橋長、橋寬、橋高測量及橋墩、橋體平面位置測量等。三維模型俯視圖如圖1所示。

圖1 三維模型俯視圖

2 試驗方案

2.1 控制測量

竣工測量前，沿道路兩側按折線形布測平高控制點26個，為盡量減少控制點間的誤差對模型精度的影響，控制點平面坐標和高程分別按二級、四等水準[9]要求進行施測。

2.2 飛行方案

本項目采用致睿智控六旋翼無人機進行航測，該無人機搭載5鏡頭相機，相幅大小為15.6 mm×23.5 mm，傾斜相機鏡頭焦距均為35mm，下視相機鏡頭焦距為25mm，總像素達1.2億。考慮項目周邊現(xiàn)場情況及檢驗傾斜攝影在城市道路竣工測量的普適性，飛行高度設定為150m，其余參數(shù)如飛行速度設為10 m/s，飛行航向、旁向重疊率分別設置為85%和80%，共飛行4個架次，相片總數(shù)達11 664幅。航線示意圖如圖2所示。

圖2 航線示意圖

3 數(shù)據(jù)處理及分析

3.1 數(shù)據(jù)處理及精度分析

采用建模軟件進行空三處理和三維建模，26個控制點中有9個控制點設置為檢查點，以重投影中誤差、光線距離中誤差、平面誤差及高程誤差等作為控制點、檢查點空三精度指標，控制點、檢查點空三精度分別如圖3（a）、圖3（b）所示，結果表明控制點/檢查點的空三總體精度良好且高程誤差均優(yōu)于平面誤差，檢查點的各項精度指標數(shù)值總體略高于控制點。

圖3 控制點/檢查點空三精度

利用iData 3D軟件直接在生成的實景三維模型上取點并繪制1∶500地形圖。為驗證模型精度，利用全站儀在控制點架站，采用極坐標法采集檢測坐標點共90個，同時對選取的56條邊長進行檢測，其中檢測邊長處于0.6～35.4 m，檢測點主要為路幅范圍內(nèi)有明顯標識的點位，檢測邊為綠化帶、非機動車道、機動車道、人行道等寬度、人行天橋長寬及其他易于比較的邊線等。

圖4分別顯示了檢測點與三維模型取點的點位較差、高程較差以及檢測邊的邊長較差，較差總體分布于區(qū)間（-5 cm，5 cm）內(nèi)，采用下列公式[10]分別計算點位中誤差、高程中誤差及邊長中誤差

圖4 檢測點（邊）較差

式中：M為成果中誤差；n為檢測點（邊）總數(shù)；Δi為較差。經(jīng)計算，檢測點點位中誤差、高程中誤差及檢測邊邊長中誤差分別為±3.8 cm、±2.7 cm、±3.6 cm，結果表明本次路幅范圍內(nèi)構建的三維模型精度良好，且高程精度優(yōu)于平面精度，滿足本工程道路部分及橋梁部分（橋墩平面位置、天橋橋下凈空高除外）竣工測量要求。

3.2 設計-實測數(shù)據(jù)符合性比對方法

設計值與實測值符合性的比對工作，一般以當?shù)匾?guī)劃主管部門存檔蓋章的設計圖紙作為設計依據(jù)，通過實測現(xiàn)狀數(shù)據(jù)與設計數(shù)據(jù)比對確定道路施工是否滿足規(guī)劃設計要求，是竣工測量中最耗時、最重要的工作之一。而通過傾斜攝影測量生成實景三維模型，借助iData 3D等三維立體數(shù)據(jù)采集平臺，可以實現(xiàn)設計電子圖（確保與存檔蓋章圖紙相一致）與實測電子圖在二維窗口疊加比對分析，同時與三維模型窗口聯(lián)動，能夠直觀地對比出設計圖與實測圖的差異性，相比傳統(tǒng)測繪技術對應的比對手段，更加直觀、便捷與高效。設計-實測數(shù)據(jù)疊加比對如圖5所示。

圖5 設計-實測數(shù)據(jù)疊加比對

4 點云融合建模

受無人機飛行路徑規(guī)劃方法影響，傾斜相機存在視線遮擋區(qū)域，導致模型存在誤差大或局部變形等問題[11]，如橋墩模型變形及破洞，導致從橋墩模型上不能準確測量其平面位置，因此在含有人行天橋或高架橋的部分道路竣工測量項目中難以運用單一傾斜攝影測量法完成，需通過全站儀或三維激光掃描儀進行補測。針對上述問題，選取了一段200 m左右的路段（含人行天橋）作為試驗，利用GeoSLAM（ZEB-HORIZON）移動掃描儀進行現(xiàn)場掃描，嘗試采用傾斜攝影點云與三維激光點云融合建模，點云融合如圖6所示。

圖6 點云融合

圖7分別列舉了點云融合所建模型與傾斜攝影模型在人行天橋橋墩橋體、護欄及路牙等地物模型上的對比圖，其中圖7（a）、7（c）、7（e）為傾斜攝影模型，圖7（b）、7（d）、7（f）為點云融合后生成的模型，可以看出點云融合所建三維模型在模型結構表達上優(yōu)于傾斜攝影模型。至于點云融合所生成的模型絕對精度，在傾斜攝影點云精度一定的情況下，主要與三維激光點云配準、坐標轉換精度具有很大關系，在后續(xù)工作中需做進一步研究。

圖7 模型對比圖

5 結論

本文以深圳市某道路改造工程竣工測量為例，運用無人機傾斜攝影測量技術進行城市道路竣工測量，通過對空三精度、模型精度及設計-實測數(shù)據(jù)符合性比對方法等分析，表明傾斜攝影測量滿足道路竣工測量的要求，且具有高效性、直觀性和易于對比施工設計圖等優(yōu)點。為解決模型缺陷問題，嘗試傾斜攝影點云+三維激光點云融合建模，結果顯示點云融合所建模型在道路及其附屬設施結構表達上優(yōu)于傾斜攝影模型，為后續(xù)道路竣工測量項目的實施提供了新的思路。