基于無人機傾斜攝影測量的道路工程測量與精度分析

喬德山

摘要：道路工程測量工作是道路工程建設規劃設計、施工建造、運營養護管理等各個階段的基礎工作和重要保障。首先，概述了無人機傾斜攝影測量技術基本特點；?其次，結合實踐分析無人機傾斜攝影測量技術在道路工程測量中的應用要點。結果表明：無人機飛行高度在80～100?m、像控點間距在150?m以內、地面分辨率在1.5?cm以內時，利用無人機傾斜攝影測量進行城市道路測繪可獲取±5?cm的平面及高程精度。

關鍵詞：無人機?傾斜攝影測量?道路工程?精度分析

中圖分類號：P231

Road?Engineering?Measurement?Based?on?UAV?Oblique?Photogrammetry?and?Its?Accuracy?Analysis

QIAO?Deshan

Guangzhou?Planning?Institute，?Guangzhou，?Guangdong?Province，?510000?China

Abstract：?Road?engineering?survey?is?the?fundamental?work?and?important?guarantee?of?the?various?stages?of?the?planning?design，?construction，?and?operation?and?maintenance?management?of?road?engineering?construction.?Firstly，?the?basic?characteristics?of?UAV?oblique?photogrammetry?technology?are?summarized.?Secondly，?combined?with?practice，?the?application?points?of?UAV?oblique?photogrammetry?technology?in?road?engineering?survey?are?analyzed.?The?results?show?that?when?the?UAV?flies?at?an?altitude?of?80～100?m，?the?space?distance?of?image?control?points?is?within?150?m，?and?the?ground?resolution?is?within?1.5?cm，?the?plane?and?elevation?accuracy?of?±5?cm?can?be?obtained?by?using?UAV?oblique?photogrammetry?for?urban?road?survey.

Key?Words：?Unmanned?aerial?vehicle;?Oblique?photogrammetry;?Road?engineering;?Accuracy?analysis

無人機傾斜攝影測量技術是近年來發展起來的一項新型技術，傾斜攝影測量不僅可以生成還原現實的真三維模型成果，帶有空間位置信息的可量測影像數據，可真實反映地物的外觀、位置、高度等屬性，還能生產輸出DSM、DOM、TDOM、DLG等多種數字化地理信息成果[1]。

無人機傾斜攝影測量適應各類復雜的野外環境，可快速采集影像數據，實現全自動化三維建模，具有測量成本低、工期短、省人力、易轉場等特點。目前，此技術被廣泛應用到建設工程各個領域，在道路工程基礎設施建設各個階段中，也發揮著重要的作用[2]。

1?無人機傾斜攝影測量技術的基本特點

傳統的道路測量作業模式下，采取常規儀器+人工的方法，由于點多線長，需要布設一定等級和數量的測量控制點，工作效率的提升受到局限。

從測量作業的方式分析，采用無人機傾斜攝影方法，可以實現“人在空中數據盡收”的效果，提高了測量工作的效率，極大限度替代人員的地面測量作業，以及現場不利環境的影響，保障測量作業的質量。道路工程測量外業作業中，采用無人機作業、少量調繪輔助測量，充分利用GNSS-ＲTK輔助空中三角測量導航與定位，助力內外業數據資料采集工作，最大限度減少對地面控制點的數量要求，不僅可以縮短外業作業時間，更重要的是做到了充分利用現代先進技術、確保了測量數據的質量可靠，促進經濟效益、社會效益全面提升[3]。無人機傾斜攝影測量外業采集及內業處理作業流程如圖1所示。

2?工程案例

2.?1?工程概況

項目研究區位于廣州市南沙區，占地面積0.072?km2，包括4層、6層住宅區和50-65?m多層建筑。道路綠化覆蓋較好，瀝青路面是廣州典型的道路狀況。根據《低空數字航空攝影野外規范》（CH/Z3004），合理設計測量區域路線，確保目標攝影區域完全覆蓋。航高取決于周圍建筑的高度。

2.?2?測量方法

使用DJI?M300RTK進行傾斜野外攝影測量，配有五個D2-PSDK睿鉑鏡頭。內業處理使用Smart?3D全景建模軟件創建OSGB格式的3D模型。DLG線劃圖是利用清華山維EPS三維繪圖軟件制作的。

使用Topcon?OS全站儀器（測距2+2ppm，測量角度1“）采集道路上地形地物點平面和高程，如人行道橫線角點、道路上可變車道線角、方向指示線角等。

將清華山維EPS三維地圖上收集的特征點三維坐標與全站人工收集的特征點三維坐標進行比較，獲取成果校差。計算無人機傾斜單面和高度攝影測量結果的準確性，評估無人機傾斜測量結果。

2.3?控制測量

平面控制測量采用網絡RTK的方式進行，利用廣州CORS系統采集控制點的城市平面坐標（x，y），RTK平面控制點測量流動站的技術要求滿足：（1）流動站對中整平后應分多方向量測儀器高度，并正確設置儀器高類型（斜高、垂高）和量取位置（天線相位中心、天線項圈、天線底部等），互差≤±2?mm時取其平均值記錄[4]。（2）流動站應正確設置流動站的儀器類型、電臺類型、電臺頻率、天線類型、數據端口、藍牙端口設置、多路徑類型、數據信息類型等。（3）RTK測量數據采樣間隔一般設為1?s，模糊度置信度應設為99.9%以上。經、緯度記錄到0.00001″，平面坐標和高程記錄到0.001?m。（4）RTK測量作業開始前，或單基站RTK測量中基準站重新設置的，應至少在一個已知點上進行檢核。檢核平面較差應≤±5?cm，高程較差應≤±7?cm。單次測回應滿足點位平面殘差≤±2?cm，高程殘差≤±3?cm，采集測回數應符合相關規定[5]。（5）RTK控制點測回間觀測記錄的時間間隔不應小于1?min，各測回均應作重新初始化。測回間平面互差應≤±2cm，高程互差應≤±3?cm。符合要求的取各次觀測結果的平均值作為最終成果。（6）初始化后5?min之內仍不能獲得固定解時，應斷開數據鏈，重啟接收機，再次進行初始化操作。此外，還可以提高衛星截止角，或選擇不同的多路徑效應消除模式進行測量。

高程控制測量采用四等幾何水準測量的方法，利用1個現有水準控制點高程數據，引測其它控制點，水準測量成果符合規范要求。本項目高程控制測量采用四等幾何水準法測量實施，以閉合水準線路用電子水準儀（天寶DiNi03）施測，線路長度1.02?km，允許誤差20?mm，施測閉合差0.06?mm，閉合差滿足四等水準精度要求[6]。

本項目為無人傾斜攝影測量與傳統人工測量兩種作業模式的數據精度比對，故所用控制點、像控點及檢核點均用相同方法施測。傳統人工測量控制點布設4個，無人機傾斜攝影測量像控點間距為150?m，共布設4個，像控檢查點6個，與像控點距離由近及遠布設。

2.4?無人機傾斜攝影測量

首先根據測區范圍KML文件現場踏勘，布設像控點、檢查點；根據現場環境規劃航線、航高，設計航高100?m，分辨率13.7208?mm/pixel，航向和旁向重疊度分別為80%、75%，航線外擴測區1倍的航高即外擴100?m，共計采集3345張影像。像控點布設4個，檢查點由近到遠布設6個具體布設如圖2所示。

2.5?空三計算

在現場拍攝無人機圖像后，可以使用Skyscanner軟件導出傾斜相機數據。該過程同時記錄位置信息、相機相關參數和位置校正信息，以創建空三任務xml文件。然后，只需簡單的操作，即可將文件導入瞰景Smart?3D計算軟件。

空三計算通常需要兩次計算。第一次計算是在定向模式下進行的。計算完成后，導入用戶PRJ坐標系文件并導入挖掘控制點。完成后，開始第二次空間分布計算，通過調整控制點完成。控制點的水平誤差中位數為8.4?mm，平均高程誤差為0.7?mm。檢查點水平誤差中位數為35?mm，高度誤差為0.3?mm，模型的相對精度滿足相關要求。表1和表2中所示的具體三維計算結果提供了對各種誤差和精度的詳細解釋。

2.6?三維建模成果及DLG線化圖生產

瞰景Smart3D三維重建完成后生成三維傾斜模型OSGB成果，如圖3所示。采用清華山維EPS三維測圖三維測圖軟件進行DLG線化圖生產任務，提取的道路特征點（如人行道橫線角點、車行道可變車道線角點、行駛方向指示線角點等），本著均勻分布原則共計提取887個特征點。另安排傳統人工測量方式測量相應點位坐標進行后期成果精度比對。

2.7?精度分析

2.7.1特征點分析

對三維模型提取的特征點比對人工全站儀測量的相應特征點進行計算分析，經計算平面中誤差3.3?cm，高程中誤差1.9?cm。其中高程中誤差3?cm以內檢查點占72%，5?cm以內檢查點占93%。由于篇幅有限，在此就不列出對比詳表了。

2.7.2道路斷面數據分析

根據模型中提取斷面對比人工全站儀實地測量數據對比，斷面對比抽取2處，其中實測寬度分別為1?2.10?m和14.00?m，模型量測值分別為1?2.11?m和14.01?m，道路寬度差值、斷面高程差值均1?cm左右，滿足相關要求。

3?結語

（1）采用人工測繪手段對無人機傾斜攝影測量大量特征點進行了檢核，成果表明無人機飛行高度在80～100?m、像控點間距在150?m以內、地面分辨率在1.5?cm以內時，利用無人機傾斜攝影測量進行城市道路測繪可獲取±5?cm的平面及高程精度。

（2）無人機傾斜攝影測量誤差除無人機飛控平臺、鏡頭及作業中的航高、重疊率等影響外，在三維測圖進行DLG線劃圖生產時，不同技術人員在數據采編過程中對點、線、面的捕捉經驗不同對生產的線劃圖精度影響較為明顯，隨著無人機傾斜攝影測量相關軟、硬件產品技術水平的提升，技術人員的經驗水平成為DLG成果精度的主導因素。

參考文獻

[1] 孫佳龍.無人機傾斜攝影測量在房地一體化測繪中的應用研究[J].測繪與空間地理信息，2023，46（5）：131-134.

[2] 張凱想.?無人機攝影測量技術在邊坡變形監測中的應用研究[D].唐山：華北理工大學，2023.

[3] 侯健文.?基于無人機攝影測量和深度學習的公路邊坡病害研究[D]太原：太原理工大學，2022.

[4] 黃永壯，常換燕.無人機傾斜攝影測量在采煤區沉陷監測中的應用[J].測繪與空間地理信息，2023，46（4）：209-212..

[5] 于凱強.?基于無人機傾斜攝影技術的農村不動產測量研究[D].西安：長安大學，2023.

[6] 李帆，晉良高，潘紅平等.無人機傾斜攝影測量技術在農村房地一體確權登記發證中的創新應用[J].測繪，2022，45（5）：215-220.