无人机倾斜摄影在市政道路设计中的应用

常 远 张 胜

(1. 吉林省交通规划设计院, 吉林 长春 130021;2. 中国地质调查局廊坊自然资源综合调查中心, 河北 廊坊 065000)

0 引言

随着城市建设力度的不断加强,原有的一些市政道路已经无法满足现在人们正常的出行需求,对市政道路进行改造能够在一定程度上有效缓解交通压力,为城市居民日常出行带来巨大的便利。市政道路改造设计是一项复杂的系统工程,需要多个专业相互配合,以确保各环节衔接顺畅[1]。市政道路改造设计对于测绘精度要求高,测绘成果要能准确地拟合现有道路的平纵线型[2],特别是涉及重大桥梁改造时,要准确施测出桥梁的平面及高程位置信息。

无人机倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术,该技术通过在无人机飞行平台上搭载多镜头传感器,能够同时从一个垂直、多个倾斜的角度采集影像,从影像中提取地物的空间位置、建筑结构、色彩与纹理等,然后按照统一的坐标系迅速建立实景三维模型[3-6]。这种实景三维模型一方面能够真实准确地反映地物情况,另一方面能够将用户引入符合人眼视觉的真实直观世界,具有高精度、可量测的特点[7]。

近年来国内学者对于无人机倾斜摄影技术开展了诸多研究。李红梅等[8]利用无人机在公路设计路线附近建立倾斜摄影模型,更直观更立体的实现在三维场景中的勘察设计工作。乐志豪等[9]利用无人机倾斜摄影测量技术进行了实景三维建模,为道路项目测图提供了新的解决方案。石磊[10]采用无人机倾斜摄影测量技术实施某道路测量,成果精度满足设计及相关规范要求。刘兆等[11]以倾斜摄影测量技术在城市大比例尺地形测绘工作中的应用为例,探讨其成果质量控制的主要技术要点。陈陈等[12]探讨了基于无人机倾斜摄影技术的地理信息获取和原始影像的处理方法。佘宏伟[13]对建筑信息模型(building information model,BIM)与倾斜摄影技术在道路桥梁优化设计中的应用进行了分析。耿涛[14]探讨融合BIM技术与无人机倾斜摄影技术,精确完成工程量算、施工模拟、碰撞检查等工作。郭长东等[15]采用低空无人机倾斜摄影测量,通过摄像影像解算获取点云数据,准确地计算土石方量,极大地提高道路土石方量测绘工作效率。

国内学者在无人机倾斜摄影建模技术方法、质量控制、地形图生产及与BIM结合方面做了相关研究,但是对于如何利用无人机倾斜摄影技术系统性地生产满足市政道路改造设计要求的地形图的研究较少。针对市政道路改造设计,本文首选设计了应用无人机倾斜摄影技术生产地形图的技术流程,并通过具体项目案例验证了精度的可靠性。

1 市政道路设计地形图生产方法

结合无人机倾斜摄影技术的特点,针对市政道路改造工程,设计了应用无人机倾斜摄影技术进行市政道路改造设计测图的技术流程,该技术流程详细阐述了从外业数据采集到内业数据建模,再到地形图制作的过程。首先,基于高等级控制网做控制测量,构建道路改造设计的基准网,其次,通过无人机获取影像资料,进而完成三维建模,制作三维实景模型,最后,利用三维实景模型生产地形图,流程图如图1所示。

图1 技术流程图

2 关键技术

上述技术流程中三维实景模型构建的质量至关重要,其直接影响后期地形图生产的精度。对于本项目大范围倾斜摄影模型生产,因没有大型的计算机集群系统,无法将项目区域内的倾斜影像数据一次性生产为一套模型,经过反复论证,采取分区分块的策略分别构建每一个区域块的倾斜摄影模型,最后再将每一个分区生产的模型进行拼接,整合为一套模型。然而分区生产模型时为了保证生产的倾斜摄影模型相邻两块区域之间不出现错位的现象,影响后期生产地形图的精度,在生产模型时相邻两个分区之间设置了一定的重叠度,并且在重叠区域内保证足够的相控点数量,这样一方面能够使相邻分区之间相互咬合,保证最终生产的模型不出现错位的现象,另一方面能够有效控制模型精度,保证地形图生产的质量。

3 工程应用及分析

为检验本文设计的上述技术流程的可行性及实用性,结合项目实际生产应用场景,依托国道集阿公路辽源红五星互通立交改建项目开展了生产项目实践应用,验证上述技术路线的可行性与实用性。

3.1 工程概况

国道集阿公路辽源红五星互通立交改建项目位于辽源市东南部新城,互通周边4S店、加油站、粮库等企业较多,互通南、北两侧紧邻四梅铁路及渭津河,部分路段处于与铁路占地交叉范围,对于互通改建测量及设计工作均提出了较高要求,勘测难度极大。

3.2 数据获取与建模

倾斜摄影外业测量小组共计4人,2人布设相控点,2人进行无人机倾斜航摄。外业测量利用六旋翼无人机搭载倾斜五镜头相机作业,相机有效像素≥1.2亿。倾斜摄影外业作业前最主要的工作是布设像控点,本项目在航摄区域内均匀规划并布设了34个像控点,采用实时动态测量(real time kinematic,RTK)技术准确采集了外业布设的34个像控点的CGCS2000平面和1985国家高程坐标。航摄实施时首先进行航线规划,本项目航线规划时设置航向重叠度85%、旁向重叠度75%、航高120 m、下视影像分辨率1.5 cm,规划航线完成后即按照规划参数自动控制无人机执行飞行任务。项目外业数据获取历时5 d,飞行24个架次,总共采集项目区域7.71 km2、80 504张倾斜影像。最后对于采集的倾斜影像,组建计算机集群系统生产倾斜摄影模型。

3.3 精度评定

为验证利用无人机倾斜摄影模型生产地形图能否达到市政道路改造设计对于地形图精度的要求,依据《三维地理信息模型数据产品规范》(CH/T 9015—2012),在项目区域范围内选取了若干特征点,分别对平面及高程精度做了检验。

3.3.1平面精度

平面精度检核利用RTK技术外业实测特征点与制作的倾斜三维模型上直接获取的同名点坐标进行统计分析,共选取检查点30个,具体精度统计如表1所示。

表1 平面坐标精度统计 单位：m

通过对30个平面精度检核点的坐标数据统计计算得知,平面坐标误差都在0.2 m内,中误差0.082 m,满足1∶2 000大比例尺地形图平面精度要求。

3.3.2高程精度

高程精度检核利用RTK技术外业实测特征点与制作的倾斜三维模型上直接获取的同名点坐标进行统计分析,共选取检查点30个,具体精度统计如表2所示。

通过对30个高程精度检核点的高程坐标统计计算得知,高程误差都在0.15 m内,中误差为0.112 m,满足1∶2 000大比例尺地形图高程精度要求。

在检验倾斜摄影模型平面及高程精度均合格的基础上,利用倾斜摄影模型生产了项目区域的地形图,并成功应用于辽源红五星互通改造设计项目。

4 结束语

传统方式测绘地形图普遍采用全站仪或RTK测量方法,全站仪测绘方法外业测量要耗费大量的人力,RTK测绘方式在城镇作业时信号强度低,容易失锁。相较于传统测绘地形图的方式,利用本文的测量方式,4人5 d即可完成7.71 km2的外业测量任务,不仅极大地减少了外业测量时间,而且无人机飞行作业基本不受GPS信号干扰的影响,可见应用无人机倾斜摄影技术极大地改善了原来生产地形图工作的方式,提高了生产效率。

本文通过对市政道路改造设计区域进行无人机倾斜摄影,建立了项目区域范围内的倾斜摄影模型,生产了项目区域范围内的地形图,通过实际检核成果精度,验证其满足市政道路改造设计的要求,本文的方法对于今后进行市政道路改造项目的开展具有一定的借鉴指导作用。