无人机摄影测量在工程建设中的应用

张 际 泽， 刘 礼

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

巴丹托鲁水电站(Batang Toru HEPP)位于印度尼西亚北苏门答腊省南部的巴丹托鲁(Batang Toru)河上，工程区距省会棉兰(Medan)市约400 km，距离西苏门答腊省省会巴东市约410 km。工程以发电为主，工程等别为二等大(2)型，总装机容量为510 MW(4×127.5 MW)，最大坝高71.5 m,正常蓄水位高程427.5 m,对应库容3.87×106m3。

印尼巴丹托鲁水电站建设在人迹罕至的高山密林地区，该工程地形条件复杂，多悬崖峭壁，测量难度极大。若采用常规测量作业方式，现场劳动强度大、效率低且测量人员野外作业极不安全，经研究决定，该项目采用无人机摄影测量手段辅助野外测量作业，取得了较好的效果。

2 无人机摄影测量方法

2.1 测量原理

无人机低空摄影测量技术以获取高分辨率数字影像为应用目标，以无人驾驶飞机为飞行平台，以高分辨率数码相机为传感器，通过3S技术在系统中集成应用，最终获取小面积、真彩色、大比例尺、现势性强的航测遥感数据，然后以数字影片为基础，由计算机软件进行影像处理和影像匹配，自动识别相应像点及坐标，运用解析摄影测量的方法确定所摄物体的三维坐标并输出数字高程模型和正射数字影像，或图解线划等高线图以及带等高线的正射影像图等地理信息。

2.2 无人机及软件

该项目摄影测量选用大疆精灵4 Pro无人机及自带摄影镜头。无人机摄影测量需满足以下要求[2]：

(1)环境光线稳定；

(2)无人机起飞地点地势开阔，地面平坦，有稳定的GPS信号；

(3)避免雨天等特殊天气。

常用的摄影测量数据处理软件：

(1)飞行控制软件：飞马无人机管家。

(2)三维实景建模软件：ContxetCapture(简称CC)。

(3)地形图绘制软件：SV360智能三维测绘系统。

2.3 航线设计

依据测量任务书，利用《飞马无人机管家》的智航线设计功能进行航线、航高、重叠度等航飞参数设计。考虑到测区为零散分布的高山区域，为保障航飞像片的精度，飞行模式选用变高飞行。

2.4 像控点布设

现场实施无人机测量前，需要在测区范围内由人工布设像控点。相邻像控点间距根据测图精度确定，间距为150～400 m[3]。像控点使用标靶布设，标靶为L型标记，线宽约30 cm，长100 cm。使用RTK测量像控点坐标(L型标记拐角内侧点坐标)。

2.5 摄影测量

采用锂电池动力无人机执行航飞任务。航飞模式为正摄变高飞行，航飞高度为73～150 m，空间分辨率(GSD)为2～5 cm，航向重叠度为80%，旁向重叠度为70%。

2.6 空三处理

将无人机采集到的像片上传至CC软件，导入像控点坐标。选中其中一个像控点，在像片中查找含有该像控点的像片并一一刺点。当所有含有像控点的像片刺点完成后进行空三处理。空三处理完成后，检查空三处理结果，直至全部像控点空三处理合格。

2.7 三维建模

空三处理合格后，利用CC建模软件开始自动三维建模，生成DSM/DOM模型。

2.8 模型检查

实景三维模型生成后，在三维模型中提取像控点、特征点、检查点三维坐标，与现场RTK测量的三维坐标进行比较，判断模型的精度及准确性。三维模型检查合格后，可用模型进行设计方案选择、道路勘探、地形图绘制、项目管理等工作。

3 应用案例

3.1 大坝地形图测量

3.1.1 地形条件

大坝区域河面宽约20 m，两岸地势陡峭，植被茂密，地形平均坡度大于40°，给测量工作带来了很大困难。测量坝区地形时GPS不能使用，全站仪免棱镜能在河两岸互相测量部分河对岸上的部分地形点。河面宽度及河面上30 m范围内全部不能测量，故大坝部分地形图主要采用无人机摄影测量。

3.1.2 技术要求

根据美标测量规范，大坝区地形图设计比例为1∶500，等高线间距为1 m，其特征点坐标、高程点高程的RMSE限差要求见表1。

表1 地形图精度要求(美标)[4]表

3.1.3 无人机摄影测量

该项目外业控制测量平面采用墨卡托投影、印尼国家坐标系，高程采用印尼国家高程基准。航测像控点布设主要利用GPS-RTK接收机进行坐标点量测，整个大坝区域共布设8个像控点，11个检查点。

大坝区地面起伏较大，最大高差为210 m，因此，无人机摄影测量选择正摄变高飞行，飞行相对地面高度为73 m，空间分辨率(GSD)为2 cm，航向重叠度为80%，旁向重叠度为70%。整个航摄飞行时间为30 min，分两次完成，共拍摄463张航片。

3.1.4 三维建模

航片拍摄完成后，将具有空间信息数据的航片导入CC建模软件，经空三处理、像控刺点、建模等流程生成实景三维模型。

3.1.5 模型检查分析

三维模型生成后(图1)，共检查了平面特征点11个点，高程点检查了13个点，其误差统计见表2、3。

图1 大坝三维模型图

表2 特征点坐标检查统计表

表3 高程点高程检查统计表

经比较得知，11个平面特征点坐标误差最大的为9.2 cm，RMSE值为：X=0.023 m，Y=0.053 m；高程点高程最大误差为13.7 cm,RMSE值为：H=0.048 m；其数字模型满足美标规范要求。

最后，打开SV360智能绘图软件，加载三维模型，绘制设计所需要的地形图。

3.2 R4路勘测

3.2.1 R4路现场实际情况

R4道路位于巴丹托鲁河右岸、厂房下游，设计路线长5 493.701 m，其中K2+462.020～K2+872.737跨过两个高边坡塌方段。毛路修到K1+800位置时据现场工作人员反映，按照设计线路，高边坡塌方处道路不能通过，需要技术部确定施工方案。项目负责人要求测量协助工程技术人员进行现场踏勘，测量并采集数据，以供技术部研究制定道路线性方案。

R4毛路K0+000～K1+800段初步形成路基，但没有整修成型，车辆不能行使，需步行30 min。K1+800～K2+462.02段由于没有清理，植被密集、沟壑纵横，比较难走，行走需时间3 h。如果采用常规测量，往返的路上就要花7～8 h，现场工作没法开展，经研究决定采用无人机摄影测量。

3.2.2 无人机摄影测量

R4道路K2+462.02～K2+872.737段河宽40 m，左岸有长300 m、宽20 m左右的河滩，适合布设像控点和无人机起飞。无人机摄影测量选择正摄变高飞行，飞行高度为90 m，空间分辨率(GSD)为2.5 cm，航向重叠度为80%，旁向重叠度为70%。

3.2.3 成果应用

三维模型生成后(图2)，由技术部根据三维模型研究确定路线方案。

图2 R4道路K2+462.02～K2+872.737段三维模型图

4 无人机摄影测量具有的优点及优势

摄影测量生成的实景三维模型主要具有以下优点:

(1)机动、灵活和安全性高。无人机具有灵活机动的特点，受空中管制和气候的影响较小，能够在恶劣环境下直接获取影像，即便是设备出现故障，也不会出现人员伤亡，具有较高的安全性。

(2)成本相对较低、操作简单。无人机低空航摄系统使用成本低，耗费低，对操作员的培养周期相对较短，系统的保养和维修简便，无需机场起降，是当前唯一将摄影与测量集为一体的航摄方式，可实现测绘单位按需开展航摄飞行作业这一理想生产模式。

(3)周期短、效率高。对于面积较小的大比例尺地形测量任务(10～100 km2)，受天气和空域管理的限制较多，大飞机航空摄影测量成本高;采用全野外数据采集方法成图，作业量大，成本亦较高。而将无人机遥感系统进行工程化、实用化开发，则可利用其机动、快速、经济等优势，在阴天、轻雾天也能获取合格的影像，从而将大量的野外工作转入内业，既能减轻劳动强度，又能提高作业的效率和精度。

(4) 真实性。倾斜影像能让用户从多个角度观察，可以更真实地再现地物的实际情况，无限逼近真实世界，弥补了传统正射影像的不足。

(5)可量测性。倾斜影像通过配套软件的应用，可以直接基于成果影像进行高度、长度、面积、角度的量测，实时获取数据。

(6) 丰富纹理。与传统垂直影像相比，倾斜影像具有自己独特的优势: 它能提供丰富的建筑物立面信息。有了建筑物的立面信息，即获取了建筑物表面纹理，对于三维建模等方面具有深远的影响。

5 结 语

此次无人机摄影测量在巴丹托鲁项目成功应用的经验表明：多数情况下，无人机摄影测量技术可以取代劳动强度大、工作效率低、传统的地形图测量方式，其具有操作简便、速度快、采集信息量大等优点，可为工程建设项目管理全寿命周期进行增值，使建设过程更经济、高效和便捷[5]。