无人机倾斜摄影测量在城市竣工测量中的应用研究_刘伟伟.pdf

第 卷 第 期 年 月测绘与空间地理信息 ，收稿日期：作者简介：刘伟伟（），女，山东济宁人，工程师，学士，主要从事测绘工程等方面的应用研究工作。无人机倾斜摄影测量在城市竣工测量中的应用研究刘伟伟（福州市勘测院，福建 福州）摘要：以某小区竣工测量为研究对象，从无人机倾斜摄影测量原理出发，对无人机倾斜摄影测量中航线设计、像控点布设、多视影像匹配及自动空三等关键技术及技术流程进行了介绍。重点对无人机摄影测量数据与全站仪测量数据进行精度验证。结果表明，无人机倾斜摄影测量精度满足城市竣工测量精度要求。关键词：无人机；倾斜摄影测量；竣工测量中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）（，）：，：；引 言规划竣工核验测量是规划监督测量最后的一个重要环节，是城市自然资源主管部门进行建设工程规划竣工验收的主要依据，竣工测量成果具有很强的权威性。无人机倾斜摄影测量是采用无人机搭载影像传感器。无人机具有灵活、轻便、快速等优点，可以很好地作为倾斜摄影测量的飞行平台。在测量过程中飞行高度、飞行方向、航向重叠、旁向重叠等参数可以实时记录，用于后期的全自动化倾斜摄影三维模型的建立。本研究以无人机倾斜摄影测量技术为主，以传统的测量方法的竣工测量为辅，通过实际的现场实践经验，为城市竣工测量提供了一种新的测绘方式。无人机倾斜摄影测量原理无人机倾斜摄影测量是通过在无人机上搭载五镜头数码相机通过 形飞行方式，同时拍摄倾斜向前、后、左、右 个方向以及垂直向下方向的影像数据。对于单个镜头来说是选用“井”字形的方式飞行。通过飞行前设定好的轨迹，镜头向下垂直拍摄一组正射影像，随后采用云台对镜头进行控制，使其有一定的偏向角度，然后沿着飞行前设定好的轨迹或者垂直于飞行前设定好的轨迹分别进行两边飞行，获取四组倾斜影像。拍摄影像的过程中结合机载 系统记录影像曝光瞬间的 数据及地面布设的像控点数据。通过内业软件的计算与处理，运用空三测量的方法求得地物点的三维坐标，最终得到影像数据中地形与地物间的几何关系与纹理特征，然后进行测量产品及其他技术产品的生产。无人机倾斜摄影测量关键技术 航线设计）航摄高度：无人机倾斜摄影测量的航摄高度是整个航线设计的基础，航摄高度的确定应依据项目的具体要求及倾斜相机的相关性能参数，选择适当的地面分辨率，按照式（）计算得到。（）式中，为航摄高度；为倾斜相机焦距；为地面分辨率；为像元大小。）航摄重叠率：航摄重叠率是无人机倾斜摄影测量参数设计的一个关键因素，直接关系到空中三角测量的精度及模型的质量。低空数字航空摄影规范（）中对像片重叠率有明确要求。但是，考虑在小区竣工测量中，通常建筑物较为密集，建筑物之间遮挡严重，为保证数据质量，航向重叠率应提高至，减少因航向重叠度不足导致建筑物模型几何结构粘连问题。像控点的布设像控点的布设及测量是保证空三测量精度及地物点在空间中绝对位置的关键。因此在采用无人机倾斜摄影测量时，必须合理布设像控点，引入高精度的像控点参与空三解算。理论上像控点布设得越多，空三解算的精度越高。但考虑到作业效率及成本，像控点在布设过程中应均匀布设，像控点宜布设于航向及旁向 片重叠范围内，在选点困难时，可以布设于 片重叠范围内。多视影像匹配及自动空三采用多视几何技术对多视影像进行匹配然后与空三加密进行两者之间的紧密融合，最终的优化结果可以为摄影测量加密提供较好的初始数据。以传统的摄影测量加密时选用严密的光束法进行区域平差，其采用的函数模型的共线方程如式。（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中，（，）为像点坐标；（，）为像主点坐标；为倾斜相机焦距；（，）为像主点所对应的物方空间点坐标；（，）为相机外方元素的 个线元素；、（，）为外方位元素的 个角元素（，）构成的旋转矩阵。经过线性化可以得到式。（）式中，；。在求解式 时，需要较好的初始值，初始值可以采用多视几何技术获取。假设采用齐次坐标表示的空间点为（，），投影点为（，），投影矩阵为，则可以表示为式。|（）式中，为比例因子。投影矩阵 中共有 个自由变量，投影矩阵 又可以进行分解得到旋转矩阵、平移矩阵 以及相机检校矩阵，如式。（）式中，|；|；|；为透镜畸变参数；、为投影中心在世界坐标系下的坐标分量。在候选深度上通过把所匹配的影像纠正到主视图像，然后融合成深度的锁定影像，最后充分利用多视影像的冗余观测值，可以明显提高密集匹配的精度和效率。应用实例与精度分析 项目概况与实施情况本文以某一新建居民小区竣工测量为例，测区范围内共有 幢建筑物，地上以 层小高为主，项目东西方向约 ，南北方向约 。使用大疆（悟 系列）无人机搭载禅思 云台相机进行倾斜摄影测量，相对航摄高度约为 ，测区范围内共布设 个像控点和 个检核点。设置航向重叠，旁向重叠，影像地面分辨率约为 。选用井字形航线进行倾斜摄影测量，倾斜，共 个架次飞行，共获取 幅影像数据。作业流程为了确保城市竣工测量中的精度，在测量的各个阶段都需要紧密结合。倾斜摄影测量与传统的航空摄影测量在作业流程上基本相似，如图 所示。图 作业流程 精度分析为确保精度的可靠性与测量的准确性，验证倾斜摄影测量在城市竣工测量中的适用性，进行倾斜摄影测量的同时，对该新建居民小区也同时进行了传统全站仪的竣工测量。在内业过程中随机选取 个建筑物的房角点作为平面检测点，以及 个高程特征点。将模型采集数据与实地测量数据进行对比，平面和高程精度检测见表、表。根据城市测量规范（）对表、表 中的数据进行分析：平面中误差、高程中误差 计算公式如下：（）式中：为点位中误差；为检测较差；为平面抽样检测点个数。经计算得到：平面中误差 ；高程中误差 。精度满足城市测量规范（）中的要求。因此，无人机倾斜摄影测量在平面和高程精度上满足竣工测量的要求。第 期刘伟伟：无人机倾斜摄影测量在城市竣工测量中的应用研究表 平面精度检测表（单位：）（：）序号表 高程精度检测表（单位：）（：）点号（）点号（）结束语选用无人机倾斜摄影测量的方法对新建居民小区进行竣工测量，并对测量成果进行了平面及高程精度验证。试验表明，无人机倾斜摄影测量精度符合竣工测量相关技术指标，为建设项目竣工验收提供了一种新的测绘手段。但是，无人机在竣工测量过程中会存在死角，并且无法替代传统的测量方式，可以结合全站仪进行竣工测量，提高作业效率。参考文献：朱轶群，吴煜心，金国建，等基于倾斜摄影的三维测图技术研究测绘通报，（）：储灿清无人机倾斜摄影测量在规划竣工测量中的辅助应用测绘与空间地理信息，（）：，杨铭新型测绘技术在道路竣工规划验收测量中的应用研究测绘通报，（）：，吴国荣，李甫群，彭军文，等无人机倾斜摄影测量在城市建筑物竣工测量中的应用城市勘测，（）：赵海强基于无人机倾斜摄影的建筑规划验收测量方法探讨地理信息世界，（）：丁鸽，彭健，焦明东，等无人机倾斜摄影测量技术在超高层建筑竣工测量中的应用测绘地理信息，（）：杨光，刘敏，王磊，等空地协同测绘在广州圆异型建筑验收中的应用测绘通报，（）：吴志栩无人机实景三维模型在规划监督测量中的应用初探测绘通报，（）：柳静 无人机倾斜摄影测量三维模型绘制大比例尺地形图精度研究西安：西安科技大学，王保国，张润科无人机倾斜摄影测量在规划方案比选中的应用测绘通报，（）：陈昕无人机倾斜摄影测量在建筑规划竣工测绘中的应用城市勘测，（）：，编辑：张 曦（上接第 页）图 建筑物数字化成果 参考文献：马炳坚中国古建筑木作营造技术北京：科学出版社，王超级传统民居木构架体系结构性能研究郑州：郑州大学，徐海波基于建筑特征的三维激光点云数据处理方法研究重庆：重庆交通大学，张立伟，刘鹏飞，李冠三维激光扫描技术在古建筑物测绘中的应用研究 北京测绘，（）：黄飒三维激光扫描技术应用于古建筑测绘及其数据处理研究焦作：河南理工大学，刘旭春，丁延辉三维激光扫描技术在古建筑保护中的应用测绘科学，（）：廖紫骅，蔡继鸣三维激光扫描测量技术在古建筑维修保护中的应用东华理工大学学报（自然科学版），（）：于海霞基于地面三维激光扫面测量技术的复杂建筑物建模研究北京：中国矿业大学，谢宏全，谷风云地面三维激光扫描技术与应用武汉：武汉大学出版社，国家测绘地理信息局地面三维激光扫描作业技术规程：北京：测绘出版社，中华人民共和国建设部工程测量规范：北京：中国计划出版社，编辑：张 曦 测绘与空间地理信息 年