免像控無人機在竣工測量中的輔助應用

譚忻康，魏 帆，朱雅雯

（1.武漢市測繪研究院，武漢 430021；2.中國航海圖書出版社，天津 300450）

城市發展的日新月異與井然有序離不開規劃監督測量，竣工測量屬于規劃監督測量的最后一個環節，其核心內容為完成《建設工程規劃許可證》審批的各樓棟測量工作，并計算出建筑物的占地面積、主建筑面積及地下室面積，提供規劃管理部門審核；完成紅線范圍內綠地審核測量，計算出各項綠化面積，提供綠化管理部門進行審核；完成紅線范圍內海綿城市規劃條件核實測量，并計算出下墊面分類面積和各項海綿設施面積，提供海綿城市管理辦公室審核；完成紅線范圍內及周邊道路的地形測量，編繪成果圖。早在十年前，大多數測量單位的野外作業方式還停留在傳統的全野外解析測量階段。隨著時代的快速發展，特別是“十三五”期間我國科技力量的騰飛，產生了許多測量新方法新技術，特別是無人機測繪技術的出現，極大提高了測圖效率，但因其空中三角測量需借助已有的地面控制點，所以仍要進行大量的野外布設和測量像控點的工作，在項目工期緊、任務重的情況下，免除野外像控點測量工作顯得無比迫切和需要。本文采用大疆精靈4 PRO RTK 無人機免像控對測區進行航空攝影測量，獲取航攝像片，在大疆智圖數據處理軟件中進行空中三角測量，利用地面布設的航測標志作為檢查點評定其精度，并生成可量測三維立體模型，內業數據采集使用iData 數據工廠進行3D 立采，對內業無法判繪處進行野外補調與補測，將補調補測數據和3D 立采數據經內業編輯成圖，并用實時動態載波相位差分技術（RTK）與全站儀對測量精度進行檢測與評定，結果顯示精度良好，滿足相關規范要求。

1 作業環節

1.1 控制測量

1.1.1 RTK 控制測量

采用武漢市連續運行衛星定位服務系統（WHCORS）對本測區內的RTK 三級點進行觀測，每個控制點觀測3 個測回，每測回的自動觀測數不少于10 個觀測值。經定邊定角檢查發現測區內RTK 三級點的平面與高程精度全部滿足且優于規范要求。測區內共布設了10 個RTK 三級點。（因采用武漢2000 坐標系，其與CGCS2000坐標系轉換參數屬保密內容，故本文中不含坐標信息。）

1.1.2 像控檢查點外業測量

測區內布設了5 個像控點，均勻分布在測區四周，雖然免像控無人機航攝測量空三加密不需要地面控制點，但仍可實地布設與測量并作為內業檢查點使用，評定其精度。地面航攝標志臨時固定在地面上。采用WHCORS 對像控點進行觀測，各個像控點觀測3 個測回，獲取平面坐標及高程。像控檢查點分布圖如圖1 所示。

圖1 像控檢查點分布圖

1.2 無人機攝影測量

1.2.1 航攝設備

采用免像控大疆精靈4 PRO RTK 無人機作為航攝平臺，此無人機是一款小型四旋翼高精度航測無人機，具備厘米級導航定位系統，無人機搭載相機傳感器為一英寸，有效像素為2000 萬，焦距為24 mm。

1.2.2 航攝準備與航線設計

航攝實施前，首先應對測區周圍的權屬與單位進行摸底和走訪，查明是否有敏感或者禁飛區域，避免造成不必要的麻煩；其次應對測區內建筑物信息進行搜集，特別是建筑物高度，盡管現階段國產無人機大多都具有防碰撞雷達預警剎停等功能，但其可靠性還有待商榷，況且利用無人機測繪最重要的是要保證作業安全，故飛行高度的設置尤為重要；最后應合理選擇起降場地和備用場地。

測區內有眾多超高層建筑，若在日出后或日落前不久進行飛行作業，那么其太陽高度角會偏小，相對應的陰影倍數會過大，航攝成果建模后會出現局部黑團現象，對于內業三維立體模型要素采集工作是相當不利的。因此需要選擇有利的時間進行航攝作業，根據相關規范，本測區屬于“高層建筑物密集的大城市”，應在正午前后各1 h內進行作業，此時的太陽高度角足夠大，相對應的陰影倍數足夠低，這樣航攝成果建模后出現黑團現象的概率才能降到最低，更有利于工程的實施。

根據測區地形特點及相關規范要求，進行航線設計，航線規劃為五向飛行模式，由于本測區東西方向長于南北方向，故設置為東西向飛行，且東西向飛行和地球自轉的方向一致，有利于無人機本身抵消地球自轉的影響，相對航高設置為115 m，起算點為地面，航線覆蓋整個測區，航線規劃示意圖如圖2 所示。

圖2 攝影測量3D 五向航線圖

1.2.3 漏洞補攝

因測區內超高層建筑物居多，而航線設計的重疊度計算時相對航高的起算點為地面，故建筑上層部位航攝重疊度過低，達不到精細紋理建模要求。在五向飛行完成后，手動操控無人機進行各建筑上層部位的補攝工作，使其重疊度滿足精細紋理建模要求。

1.3 無人機攝影測量內業

1.3.1 基于POS 系統的解析空中三角測量

帶有POS 系統的無人機可在航攝瞬間得到每張像片的6 個外方位元素，區域網平差需帶入攝站點坐標，從而無需大量的外業測量地面控制點的工作。

采用大疆智圖數據處理軟件對測區進行基于POS系統的光束法區域網平差，為建立測區模型及內業數據采集提供準確數學基礎。

全數字空中三角測量（空三加密）采用大疆智圖軟件進行空三加密和平差解算。

1.3.2 像控檢查點內業精度評定

航攝前于地面布設并測量的像控點可作為檢查點評定精度，在可量測三維立體模型建模前應進行像控檢查點的刺點工作，刺點后點云圖如圖3 所示。

圖3 點云圖

像控檢查點精度較好，殘差數值見表1。

表1 像控檢查點殘差

1.4 數據采集

1.4.1 基于可量測三維立體模型的內業數據采集

利用大疆智圖數據處理軟件進行三維建模后，內業使用iData 數據工廠對測區內的各地物、地形要素等竣工信息進行數據采集。測區可量測三維立體模型如圖4所示。

圖4 可量測三維立體模型

1.4.2 外業調繪與補測

由于無人機航測不可避免存在死角，且建筑內部區域仍需測量員人工進入測量，所以對于可量測三維立體模型無法判繪處需進行外業調繪與補測。外業補測方法有多種：綜合利用全站儀+PDA 采集法、全站儀測記法、皮尺量距法和網絡RTK 采集法等。

1.5 傾斜攝影測量模型精度檢測

本文為檢查可量測三維立體模型上采集的碎部點精度，在測區內布設10 個RTK 三級點。

RTK 三級點經4 組定邊定角檢查，最大角度較差為30"，最大距離較差為0.014 m，均小于限差，符合相關規范要求。

以RTK 三級點為起算點分別布設2 條圖根導線貫穿測區，包含11 個一次圖根導線點位，用于檢查房角點及碎部點坐標。導線主要精度見表2。

表2 一次圖根導線精度統計表

將全站儀架設在圖根點上對各房角點及碎部點的距離和方位角進行量測，由此計算各房角點及碎部點的坐標，并與在可量測三維立體模型上采集的相對應的點位坐標進行比對，評定傾斜攝影測量模型精度，結果顯示精度良好，滿足竣工測量需求。

1.6 成果圖繪制

本項目內業使用iData 數據工廠對測區內的各地物、地形要素等竣工信息進行數據采集，并內業編輯成圖。利用維思數據編輯處理系統平臺進行圖形處理，編輯竣工測量信息數據，完成竣工測量成圖全數字化。綠地審核測量成果圖以規劃條件核實測量成果圖的地形部分為底圖，疊加專題要素，壓蓋部分綜合取舍，以專題要素為主成圖。海綿城市規劃條件核實測量成果圖以規劃條件核實測量成果圖的地形部分為底圖，疊加專題要素，壓蓋部分綜合取舍，以專題要素為主成圖。

1.7 質量評價

本項目野外檢查了50 個碎部點，其點位中誤差為±2.9 cm，檢查了27 個地坪及硬化地面高程點，中誤差為±2.0 cm；檢查了26 條地物間間距，中誤差為圖上±0.18 mm。經部門檢審，發現此項目的各項精度指標均優于《測繪成果質量檢查與驗收》的要求。由此可以證明免像控無人機對竣工測量的輔助應用是可行的、可靠的。

2 傳統測繪與新型測繪技術的優劣對比

長久以來，傳統測繪技術對城市的建設和社會的發展作出了不可磨滅的貢獻，其技術的足夠成熟和高可靠性使其直到現在還是眾人最信賴的作業模式。在現代的傳統測量作業中，常常會用到皮尺、電子全站儀和RTK等裝備，這些測繪裝備以及使用方法其實已經能滿足工程測量作業中對數據精度的要求。但隨著時代的快速發展，傳統測繪技術已開始漸漸暴露出它的不足，例如人力資源和時間的投入就是之一，測量工作最重要的是團隊協作，所以過去經常能看到三五名測量員一起協同作業，但其本質原因還是因為傳統測繪裝備本身過度依賴于“人”。在這個“人”的價值與重要程度不斷增長的時代，自然而然會誕生出各種新裝備新技術，而免像控無人機測繪技術就是之一，其優點不僅可大大減少人力資源和時間的投入，在某些時間緊任務重的工作要求背景下更能凸顯其效率高的優勢，而且測量成果的豐富與多樣性也是傳統測繪技術所不能比擬的。但是免像控無人機測繪也有其劣勢，如易受天氣、太陽高度角的影響，且建筑物內部仍然需要人工作業。所以可以看出，在傳統測繪技術與新型測繪技術的比較中，只能在某一方面有優勢。任何一個項目的技術選擇，都要分析其工作內容與側重點，在某些大型工程中，經常是包含二者，正是傳統測繪技術的某些不足才推動了新型測繪技術的研發，而新型測繪技術同樣不是完美無缺的，在很多方面仍需要二者互補。

3 結束語

免像控無人機在竣工測量中的應用，不但能很好地滿足相關規范對竣工測量的各項精度要求，還能極大減少人力物力投入，提高工作效率。利用無人機傾斜攝影測量構建可量測三維立體模型豐富了測量成果的多樣性，在城市推廣“多測合一”的大背景下有著極為重要的戰略意義。值得注意的是，盡管無人機測量技術相比傳統測量模式有著得天獨厚的優勢，但其仍然不是萬能的，在許多方面仍需測量人員采用傳統測量模式進行野外補調與補測，所以新型測繪技術與傳統測量模式從來都不是對立面，將免像控無人機測量技術與傳統測量模式融合在一起，相輔相成才能為我國測繪事業作出更大的貢獻。