无人机倾斜摄影测量在城市建筑物竣工测量中的应用

吴国荣，李甫群，彭军文，黄江雄

(长沙市规划勘测设计研究院，湖南 长沙 410007)

1 引 言

随着城市的发展，城市规划在城市管理和建设中扮演着越来越重要的角色。规划竣工验收测量是规划监督测量的最后一个环节，是城市规划行政主管部门进行建筑规划竣工验收的主要依据，具有权威性和法律意义[1]。

倾斜摄影测量技术是指通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜等5个不同的角度采集影像[2]，该技术通过低空多视镜头摄影获取高清立体影像数据，自动生成三维地理信息模型[3]。本项目采用以倾斜摄影测量、实景三维建模技术为主，以传统竣工测量为辅的路线。该作业方式能有效减少野外作业工作量，将能在室内三维实景上采集完成的要素在室内完成，最后在野外进行必要的补测、调绘，最终得到符合要求的竣工测量成果。该成果还能为规划验收提供更为丰富、直观的数据信息，辅助行政审批部门管理决策[4，7，9]。

2 技术流程

2.1 仪器及软件

野外作业采用无人机航空倾斜摄影测量方法完成。同时对于控制测量、主要建筑物技术指标采集、地下综合管线测量、航摄漏洞等则采用全野外“全站仪+GPS RTK”数字测图方法完成。内业处理将影像、相机参数、定位定姿信息、像控点成果作为基础数据，利用Bentley Context Capture软件在全数字摄影测量工作站上完成空中三角测量。数据质量检查以及地理信息数据集库更新采用清华山维EPS2008地理信息工作站。

2.2 作业流程

鉴于该项目测区面积大，建筑物数量多、结构复杂以及项目工期要求紧，我们大胆创新地使用“无人机航空倾斜摄影实景三维建模技术+传统竣工测量技术”的方式进行数据采集和成果资料的整理，作业过程中利用到的关键技术及其作用如下：

(1)无人机倾斜航空摄影测量技术

利用无人机搭载五镜头的倾斜相机组，拍摄地面的倾斜航片，以此获取航片资料，为摄影测量技术辅助竣工测量打下数据基础。

(2)GPS虚拟基站技术

无人机航摄时，配有后差分PPK模块，需要GPS虚拟基站数据才能实施POS数据的后差分改正。本项目GPS虚拟基站技术是在长沙市规划勘测设计研究院“长株潭GNSS CORS系统”中，虚拟项目区域位置和航飞时刻的静态基站数据，用以实现后差分姿态位置改正，以提高POS初始值的准确度。

(3)五镜头联合空三技术

本项目通过无人机同时获取了5个相机镜头的航片，通过五镜头联合空三平差技术，使得每个镜头的照片数据可以统一到相同的位置上来，并且通过联合平差，5个镜头的数据都具有相同的精度，保证了后续实景三维建设和倾斜三维测绘竣工图要素的实施可靠性。

(4)实景三维建模技术

利用实景三维建模技术，建立每个区块的实景三维，将野外的实景搬到室内来多角度显示、测绘[8]。利用航摄成果匹配出实景地表的DSM，三维建模的同时获取每个位置包括建筑等高出地面地物的侧面真实纹理。通过该技术的实施，得到了实景三维场景，为竣工图要素航内测绘创建基础环境。

(5)“传统立体模型测图”联合“三维实景模型测图”技术

传统立体模型测图是利用下视镜头的航片空三建模，该方法局部区域会含有投影差，进入三维实景界面进行三维实景模型测图，场景视角可以随意旋转，消除投影差，提高作业速度，确保成果精度。

本项目作业流程如图1所示。

图1 作业流程图

3 试验结果与分析

3.1 测区概况

本项目位于长沙市开福区青竹湖镇，东为青竹湖路，南为开福大道，北临高尔夫球场，测区面积42.01万平方米，建有双拼、联排及独栋形式的别墅共计271栋。

图2 测区范围航拍图

3.2 项目实施

(1)航摄数据来源

本项目采用了无人机加载高精度PPK、GPS/IMU、五镜头倾斜摄影平台，同时从垂直、前方、后方、左侧、右侧5个不同角度以大范围、高精度、高分辨率的方式全方位感知复杂场景，采集多源POS、航片数据。本次倾斜摄影主要技术参数如表1所示。

倾斜摄影主要技术参数 表1

摄影航线图如图3所示。

图3 摄影航线图

(2)空三测量

基于CSCORS在测区构建的虚拟基站数据，对高精度PPK位置信息进行后差分处理，结合GPS/IMU定位定姿数据融合解算，获取高精度的定位定姿信息[5，6]，将影像、相机(按国家有关主管部门要求进行检验)参数、定位定姿信息、像控点成果作为基础数据，利用Bentley ContextCapture软件在全数字摄影工作站上完成空中三角测量。空三测量采用全数字加密方法，以像片上量测的像点坐标为依据，采用严密的数学模型，按最小二乘原理用少量地面控制点为平差条件，采用光束法为测图求解可靠的定向点。空三加密控制点平差如图4所示。

图4空三加密控制点平差

(3)室内立体测图

本项目基于未畸变下视影像、下视影像外方位元素、空三解算后相机参数等数据进行传统立体测图。采用航天远景MapMaxtrix全数字摄影测量工作站进行内业数据采集，直接将加密像对导入工作站，然后在全数字采编一体化平台EPS的立体测图菜单下调用立体像对进行航测室内立体测图，采集本项目竣工测量要素，如图5所示。

图5传统立体测图

(4)三维实景竣工测图

这是一种全新的立体测图方法，它是通过立体多视角全方位、高精度提取地物地貌及其属性信息。这种方法内业绘图人员无须佩戴立体眼镜，降低了传统竣工测量的劳动强度，减少了繁重的外业全数字测图工作内容，极大地节约了资源、能源以及人力，真正做到了节能减排、创新环保。过程展示如图6所示。

图6三维实景竣工测图

(5)数据成果

正射影像图、实景三维模型采用航空倾斜摄影测量方法获取；DLG竣工测量成果基于“实景三维模型+传统立体测图+传统竣工测图”三种联合手段获得。作业过程中还能获取大量的中间成果，如：目标区域点云、三维模型、DEM、DOM等，这些成果能为其他勘测设计工作服务，可谓达到“一举多得”“外事内做”“节能减排”的目标。部分成果如图7所示。

图7项目部分成果图

3.3 结果分析

为了保证测量成果的精度和可靠性，本次试验采用全数字野外采集与倾斜航空摄影测量成果比对的方法进行精度评定，结果表明，测量精度满足《城市测量规范》(CJJ/T 8-2011)中建筑规划竣工测绘相关标准。部分精度对比结果如表2所示。

精度统计表 表2

4 结 语

本项目利用多镜头倾斜摄影测量的一系列技术辅助城市小区竣工测量，是一种降低成本、改善工作环境、高效率、高精度的作业方式。通过将无人机航空倾斜摄影测量技术、GPS虚拟基站技术、五镜头联合空三技术、实景三维建模技术、“传统立体模型测图”联合“三维实景模型测图”技术、室内三维实景竣工要素拾取技术等多技术结合，有效实现了将外业工作搬到室内来实现的愿景。这一方式的运用，使得外业测绘不再因为雨天耽误工期，不再因为恶劣的工作环境伤害员工身体，是环保节能、高效、高精度的技术融合路线。传统竣工测量与多镜头倾斜摄影测量技术的完美融合，是本项目的技术亮点。通过本项目技术路线的尝试，我们可以将该技术延伸到其他外业测绘领域，比如：线路测量、现状地形图测绘、规划监督执法测绘等。