基于无人机倾斜摄影测量的道路工程测量与精度分析

乔德山

摘要：道路工程测量工作是道路工程建设规划设计、施工建造、运营养护管理等各个阶段的基础工作和重要保障。首先，概述了无人机倾斜摄影测量技术基本特点； 其次，结合实践分析无人机倾斜摄影测量技术在道路工程测量中的应用要点。结果表明：无人机飞行高度在80～100 m、像控点间距在150 m以内、地面分辨率在1.5 cm以内时，利用无人机倾斜摄影测量进行城市道路测绘可获取±5 cm的平面及高程精度。

关键词：无人机 倾斜摄影测量 道路工程 精度分析

中图分类号：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

無人机倾斜摄影测量技术是近年来发展起来的一项新型技术，倾斜摄影测量不仅可以生成还原现实的真三维模型成果，带有空间位置信息的可量测影像数据，可真实反映地物的外观、位置、高度等属性，还能生产输出DSM、DOM、TDOM、DLG等多种数字化地理信息成果[1]。

无人机倾斜摄影测量适应各类复杂的野外环境，可快速采集影像数据，实现全自动化三维建模，具有测量成本低、工期短、省人力、易转场等特点。目前，此技术被广泛应用到建设工程各个领域，在道路工程基础设施建设各个阶段中，也发挥着重要的作用[2]。

1 无人机倾斜摄影测量技术的基本特点

传统的道路测量作业模式下，采取常规仪器+人工的方法，由于点多线长，需要布设一定等级和数量的测量控制点，工作效率的提升受到局限。

从测量作业的方式分析，采用无人机倾斜摄影方法，可以实现“人在空中数据尽收”的效果，提高了测量工作的效率，极大限度替代人员的地面测量作业，以及现场不利环境的影响，保障测量作业的质量。道路工程测量外业作业中，采用无人机作业、少量调绘辅助测量，充分利用GNSS-ＲTK辅助空中三角测量导航与定位，助力内外业数据资料采集工作，最大限度减少对地面控制点的数量要求，不仅可以缩短外业作业时间，更重要的是做到了充分利用现代先进技术、确保了测量数据的质量可靠，促进经济效益、社会效益全面提升[3]。无人机倾斜摄影测量外业采集及内业处理作业流程如图1所示。

2 工程案例

2. 1 工程概况

项目研究区位于广州市南沙区，占地面积0.072 km2，包括4层、6层住宅区和50-65 m多层建筑。道路绿化覆盖较好，沥青路面是广州典型的道路状况。根据《低空数字航空摄影野外规范》（CH/Z3004），合理设计测量区域路线，确保目标摄影区域完全覆盖。航高取决于周围建筑的高度。

2. 2 测量方法

使用DJI M300RTK进行倾斜野外摄影测量，配有五个D2-PSDK睿铂镜头。内业处理使用Smart 3D全景建模软件创建OSGB格式的3D模型。DLG线划图是利用清华山维EPS三维绘图软件制作的。

使用Topcon OS全站仪器（测距2+2ppm，测量角度1“）采集道路上地形地物点平面和高程，如人行道横线角点、道路上可变车道线角、方向指示线角等。

将清华山维EPS三维地图上收集的特征点三维坐标与全站人工收集的特征点三维坐标进行比较，获取成果校差。计算无人机倾斜单面和高度摄影测量结果的准确性，评估无人机倾斜测量结果。

2.3 控制测量

平面控制测量采用网络RTK的方式进行，利用广州CORS系统采集控制点的城市平面坐标（x，y），RTK平面控制点测量流动站的技术要求满足：（1）流动站对中整平后应分多方向量测仪器高度，并正确设置仪器高类型（斜高、垂高）和量取位置（天线相位中心、天线项圈、天线底部等），互差≤±2 mm时取其平均值记录[4]。（2）流动站应正确设置流动站的仪器类型、电台类型、电台频率、天线类型、数据端口、蓝牙端口设置、多路径类型、数据信息类型等。（3）RTK测量数据采样间隔一般设为1 s，模糊度置信度应设为99.9%以上。经、纬度记录到0.00001″，平面坐标和高程记录到0.001 m。（4）RTK测量作业开始前，或单基站RTK测量中基准站重新设置的，应至少在一个已知点上进行检核。检核平面较差应≤±5 cm，高程较差应≤±7 cm。单次测回应满足点位平面残差≤±2 cm，高程残差≤±3 cm，采集测回数应符合相关规定[5]。（5）RTK控制点测回间观测记录的时间间隔不应小于1 min，各测回均应作重新初始化。测回间平面互差应≤±2cm，高程互差应≤±3 cm。符合要求的取各次观测结果的平均值作为最终成果。（6）初始化后5 min之内仍不能获得固定解时，应断开数据链，重启接收机，再次进行初始化操作。此外，还可以提高卫星截止角，或选择不同的多路径效应消除模式进行测量。

高程控制测量采用四等几何水准测量的方法，利用1个现有水准控制点高程数据，引测其它控制点，水准测量成果符合规范要求。本项目高程控制测量采用四等几何水准法测量实施，以闭合水准线路用电子水准仪（天宝DiNi03）施测，线路长度1.02 km，允许误差20 mm，施测闭合差0.06 mm，闭合差满足四等水准精度要求[6]。

本项目为无人倾斜摄影测量与传统人工测量两种作业模式的数据精度比对，故所用控制点、像控点及检核点均用相同方法施测。传统人工测量控制点布设4个，无人机倾斜摄影测量像控点间距为150 m，共布设4个，像控检查点6个，与像控点距离由近及远布设。

2.4 无人机倾斜摄影测量

首先根据测区范围KML文件现场踏勘，布设像控点、检查点；根据现场环境规划航线、航高，设计航高100 m，分辨率13.7208 mm/pixel，航向和旁向重叠度分别为80%、75%，航线外扩测区1倍的航高即外扩100 m，共计采集3345张影像。像控点布设4个，检查点由近到远布设6个具体布设如图2所示。

2.5 空三计算

在现场拍摄无人机图像后，可以使用Skyscanner软件导出倾斜相机数据。该过程同时记录位置信息、相机相关参数和位置校正信息，以创建空三任务xml文件。然后，只需简单的操作，即可将文件导入瞰景Smart 3D计算软件。

空三计算通常需要两次计算。第一次计算是在定向模式下进行的。计算完成后，导入用户PRJ坐标系文件并导入挖掘控制点。完成后，开始第二次空间分布计算，通过调整控制点完成。控制点的水平误差中位数为8.4 mm，平均高程误差为0.7 mm。检查点水平误差中位数为35 mm，高度误差为0.3 mm，模型的相对精度满足相关要求。表1和表2中所示的具体三维计算结果提供了对各种误差和精度的详细解释。

2.6 三维建模成果及DLG线化图生产

瞰景Smart3D三维重建完成后生成三维倾斜模型OSGB成果，如图3所示。采用清华山维EPS三维测图三维测图软件进行DLG线化图生产任务，提取的道路特征点（如人行道横线角点、车行道可变车道线角点、行驶方向指示线角点等），本着均匀分布原则共计提取887个特征点。另安排传统人工测量方式测量相应点位坐标进行后期成果精度比对。

2.7 精度分析

2.7.1特征点分析

对三维模型提取的特征点比对人工全站仪测量的相应特征点进行计算分析，经计算平面中误差3.3 cm，高程中误差1.9 cm。其中高程中误差3 cm以内检查点占72%，5 cm以内检查点占93%。由于篇幅有限，在此就不列出对比详表了。

2.7.2道路断面数据分析

根据模型中提取断面对比人工全站仪实地测量数据对比，斷面对比抽取2处，其中实测宽度分别为1 2.10 m和14.00 m，模型量测值分别为1 2.11 m和14.01 m，道路宽度差值、断面高程差值均1 cm左右，满足相关要求。

3 结语

（1）采用人工测绘手段对无人机倾斜摄影测量大量特征点进行了检核，成果表明无人机飞行高度在80～100 m、像控点间距在150 m以内、地面分辨率在1.5 cm以内时，利用无人机倾斜摄影测量进行城市道路测绘可获取±5 cm的平面及高程精度。

（2）无人机倾斜摄影测量误差除无人机飞控平台、镜头及作业中的航高、重叠率等影响外，在三维测图进行DLG线划图生产时，不同技术人员在数据采编过程中对点、线、面的捕捉经验不同对生产的线划图精度影响较为明显，随着无人机倾斜摄影测量相关软、硬件产品技术水平的提升，技术人员的经验水平成为DLG成果精度的主导因素。

参考文献

[1] 孙佳龙.无人机倾斜摄影测量在房地一体化测绘中的应用研究[J].测绘与空间地理信息，2023，46（5）：131-134.

[2] 张凯想. 无人机摄影测量技术在边坡变形监测中的应用研究[D].唐山：华北理工大学，2023.

[3] 侯健文. 基于无人机摄影测量和深度学习的公路边坡病害研究[D]太原：太原理工大学，2022.

[4] 黄永壮，常换燕.无人机倾斜摄影测量在采煤区沉陷监测中的应用[J].测绘与空间地理信息，2023，46（4）：209-212..

[5] 于凯强. 基于无人机倾斜摄影技术的农村不动产测量研究[D].西安：长安大学，2023.

[6] 李帆，晋良高，潘红平等.无人机倾斜摄影测量技术在农村房地一体确权登记发证中的创新应用[J].测绘，2022，45（5）：215-220.