倾斜摄影测量技术在高速公路建设中的应用

王 旭, 陶 鹏

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

倾斜摄影测量技术是国际测绘遥感领域近几年发展起来的一项高新技术[1]，它打破了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，可同时从垂直、倾斜等不同角度对地进行影像采集，不仅能够真实的反映建筑物顶部的信息，同时也能从侧面角度观测到地物的立面信息，获取更为完整的地物对象纹理信息。通过三维重建技术，精确还原影像获取时刻地物的三维实景模型，受到各单位广泛欢迎和大量应用[2-4]。

与此同时，高速公路沿线区域高程起伏大且呈带状分布，为发挥现代测绘遥感和空间信息技术在工程管理中的作用[5]，我省合肥至枞阳高速公路建设将倾斜摄影测量技术引入该项目，要求在公路初步设计阶段统筹应用BIM技术和GIS技术进行方案研究和论证，提高方案比选的全面性和针对性，旨在通过跟踪BIM技术应用，把握推进过程中的难点和关键环节，总结和提炼示范工程经验，优化建设管理组织流程。

1 总体技术思路

通过无人机搭载倾斜摄影设备，获取工程范围内的道路、构筑物等高精度影像数据。同时，对沿线内进行高精度的控制信息采集，将影像数据和控制点信息导入自动建模软件，构建具有准确地物地理位置信息的真实三维空间场景。基于实景三维模型表达的测区内地形地貌与建筑详细细节特征，直观、准确地辅助公路高速勘察设计。

2 基于带状工程的数据采集、处理关键技术

合枞高速全长约134 km,项目区域走势总体特征是两端低，中间高，地形地貌条件复杂。针对本项目特点，本文进行了严密、细致的技术分析和部署。本项目无人机数据采集与处理流程总体分为航测前准备工作、地面控制点测量、数据采集、三维重建、精度验证等步骤，如图1所示。

图1 关键技术流程

2.1 像控点采集

针对带状区域特点、本次像控布设一方面需保证整体数据成果精度、另一方面需保证不同架次或相邻内业处理区域之间不出现模型二义性现象(分层、错位)。基于以上两点考虑，在无人机架次规划的基础上，将控制点位均匀地布设至架次接边处，如图2所示。

图2 像控点布设示意图

2.2 影像数据采集

本项目飞行平台采用了大疆M600pro旋翼无人机，相机采用了两镜头倾斜相机[6]。两镜头倾斜相机的双相机摇摆工作模式，能够大大减轻重量，提高续航时间，从而提高数据采集的效率。

根据地面分辨率5 cm以内的要求，综合研究后采用像片重叠度航向为85%，旁向为70%；航线弯曲度不大于5%；同一航线上相邻像片的航高高差不应大于20 m；最大航高与最小航高之差不应大于50 m。航摄分区内实际航高与设计航高不应大于300 m。

2.3 数据处理

由于本项目是带状测区，以30 km为单元进行整体重建，其中每一个架次的数据必须进行无缝连接。按照既有项目经验，空三采用四架次为一个处理单元进行计算。由于测区内存在大面积的连续森林区域，在光照、拍摄角度变化的情况下，空三中特征提取与匹配环节容易出错，导致空三失败，严重影响工期。Hartmann等[7]提出在不影响匹配精度的条件下，对提取的特征点进行分类，仅将稳健的特征点进行匹配，极大地提高了空三成功率，在大面积森林区域尤其显著。

同时通过自动化软件重建的模型由于地形条件和软件算法本身的问题，原始模型会出现不完整悬浮和少量连接的破碎面，同时水域处会出现大量空洞，这给对模型的可视化和后续的带来了很大的不利。本项目采用了国产自主研发软件进行碎片和空洞进行处理，取得了显著的效果,如图3、图4所示。

图3 底部碎片去除

图4 水域空洞处理

由于本项目途径多个县市，采集时间跨度大，周期长，所以模型重建过程中色差明显，反差较大，在最终交付时不利于地物解译和可视化效果。经过研究，创新性地提出了一套匀光匀色处理方法。首先通过实景三维模型生产低分辨率正射影像；其次，利用PhotoShop软件手动对正射影像进行匀色匀光处理；最后，利用调整后的低分辨率正射影像作为参照，通过模型纹理UV值与正射影像的建立对应关系，对三维模型纹理进行匀色匀光处理。

3 倾斜摄影测量工程应用

本项目所获取的倾斜摄影测量数据是具有测绘级的高分辨率三维模型，模型可应用于公路工程建设的各个方面。结合合枞高速的实际需求，我们开展了以下几种应用。

3.1 方案比选

在工可建设。方案比选阶段，传统方式是在谷歌影像和1∶10000地形图进行设计，实地踏勘不全面，往往不能充分考虑设计中所要获取的控制因素。倾斜摄影测量模型具有分辨率高，现势性高的优点，在倾斜模型上进行方案设计，可以直观地掌握方案与周边环境的相关关系，快速响应方案优化。

3.2 辅助外勘

利用倾斜摄影测量模型的直观性、现势性和精确性，设计阶段可以利用模型进行辅助外勘。遇到雨雪不利天气，或者人员不易到达地区，利用倾斜模型可以在室内进行判读，展开对房屋征拆、被交道路沟渠和杆线等工程范围内的调查，提高了工作效率，减小了野外工作风险。经过测算，利用倾斜模型辅助外勘(图5),缩短外勘周期40%，外业人员减少了50%，在保证外业质量和精度的前提下，延长了内业设计的时间，为精细化设计提供了保障。

图5 辅助设计外勘

3.3 设计环境校核

公路工程建设与周边地形地貌、环境和经济社会等多种因素息息相关，借助倾斜模型我们可以高效准确地还原工程范围内的场景。将工程模型与倾斜模型融合，借助BIM+GIS平台系统，可对公路建设中的改路改沟、杆线迁移、放坡条件和通道涵洞的限界复核等进行设计校核(图6)。在合枞高速施工图上设计中，配合专业分院完成了各类设计校核工作，提高了精细化设计水平，减少了外业复核。

图6 设计校核

3.4 工程模拟

CAD二维方式往BIM三维协同方式转变是三维成果的展现，传统设计成果往往都是各种平面图或者渲染效果图，表现方式依靠设计说明或者设计交底，直观性不强，表现力不足，非专业人员不能第一时间领会设计意图。合枞高速项目完成并固化了行车线形模拟、施工组织模拟、中央分隔带防眩模拟、标志标牌设计模拟和隧道安全模拟五大类工程模拟，将建成后的工程实体模型化，内嵌到真实场景倾斜模型中，实现了真正意义上的仿真模拟(图7)。

图7 行车仿真模拟

4 结束语

合枞高速作为交通部首批BIM示范工程项目，倾斜摄影测量技术的应用作为技术创新点之一尤为的重要，同时对于该技术在后续项目的深入应用也起到了很好的探索作用。本文介绍了适合于带状公路工程的倾斜摄影测量外业采集和内业数据处理的方式，同时阐述了该技术在设计阶段的实际应用。