无人机倾斜摄影实景建模技术在施工中的应用

(中铁四局集团管理研究院，合肥 230000)

1 序言

随着空间信息获取与处理技术的进步，越来越多的新技术应用于规划设计、施工调查、及施工管理等环节。其中无人机倾斜摄影技术由于能获取大量密集的、高精度的三维点云数据及数字表面模型，其与BIM技术结合的应用模式在施工领域也越来越广泛。

图1 施工现场控制点坐标标记及数据采集

2 外业数据采集

外业数据采集主要是指运用无人机搭载任务设备到待测区域，按照预先设置的航线飞行，并在飞行的过程中持续拍照及记录拍照点的GPS信息的过程。本施工应用研究采用的设备型号为：猎隼 MC6-NX-GT无人机，大势智慧双鱼座相机。具体过程如下：

2.1 标记相控点

图2 无人机航线规划及地面站实时显示的飞机姿态信息

图3 主要的航线规划形式

图4 航线规划与手动补拍结合，细节效果更好

为了得到绝对精度较高的模型，以及提高大面积多架次模型数据拼接精度，在外业数据采集前，须在测区范围内标记控制点。控制点在区域内均匀分布(不能在一条直线上)，且总数量不小于3个。并用RTK测量出控制点的WGS-84坐标(图1)，以便后期融入Context Capture软件进行解算。

2.2 航线规划

综合考虑待测区域的地理位置，线路走向、精度要求、起降点等因素，利用航线规划软件计算出飞行高度、飞行速度、拍照间隔、飞行轨迹等执行参数(见图2)，控制无人机采集航空影像。

主要的航线规划有两种形式：“S”型扫描，多层绕飞(见图3)。对于区域较大，同时对模型细节要求较高的情况，在航线规划之外采用手工补拍照片能起到很好的效果(见图4)。

3 内页数据处理

主要是将外业采集的照片及对应的GPS数据通过专业软件进行匹配，导入倾斜摄影处理软件(以Context Capture为例)软件进行空三运算，输出成果模型，并在第三方软件进行集成应用的过程。

3.1 照片与POS数据匹配

将GPS信息与照片匹配，并写入照片属性(图5)。

图5 照片与POS文件匹配

3.2 空三运算

空中三角测量是立体摄影测量中，根据少量的野外控制点，在室内进行控制点加密，求得加密点的高程和平面位置的测量方法。航空摄影测量中利用像片内在的几何特性，在室内加密控制点的方法。即利用连续摄取的具有一定重叠的航摄像片，依据少量野外控制点，以摄影测量方法建立同实地相应的航线模型或区域网模型(光学的或数字的)，从而获取加密点的平面坐标和高程(见图6)。主要用于测地形图。

3.3 成果输出

空三运算后，就可以提交成果输出，生成实景模型(见图7)。

在成果输出过程中，由于拍摄时的光照和被拍物体的结构特点等因素，可能会生产后的模型出现破洞、畸变等缺陷，以及根据应用要求需剔除某些结构物，这时就需要对实景模型进行修整以使其能满足应用需求。

将需要修整实景模型瓦片导出obj格式，利用Bentley Descartes、Meshmixer等软件进行修复后，再导入原工程文件重新运算并生产出新的模型(见图8)。

图6 CC软件软件空三运算过程

图7 实景模型成果(乐百高速地貌、凤阳体育馆、黔张常高铁项目)

图8 模型修补(墙面破洞修补龙门吊及梁体剔除)

4 工程项目应用

根据实际模型可视化效果好，模型精度较高的特点，实景模型在工程领域的主要应用如下：

4.1 前期施工调查

在工程投标阶段，运用无人机实景建模技术对投标项目航拍建模，模型中包含了场地的三维空间信息及相关尺寸，为投标方案的编制提供准确的参考信息，相比传统的照片及文字描述，实景模型能更快捷、全面、真实地了解现场情况(图9)。

图10 黔张常项目BIM模型与实景模型的整合

4.2 与BIM模型整合

实景模型反应的是现场客观存在的环境信息，而BIM模型则反应的是将要建造(或建造过程中的)的结构信息，二者的结合应用更能提升工程项目的BIM应用层次，为项目建设增值(图10)。

4.3 与道路施工结合

将实景模型以3MX格式导入Descartes软件，提取地形模型信息，生成等高线(见图11)。再以tin格式导入Power Civil软件创建道路模型，进行计算土方量及相关BIM应用(图12)，深层次挖掘实景模型的应用价值。

图11 实景模型地形信息提取

图12 基于实景模型创建道路模型及相关的填挖方计算

4.4 实景模型与GIS平台结合

实景模型导入GIS平台(如Locaspace、SkyLine及蓝色星球系统平台等)，与GIS结合进行测量、分析及信息集成(见图13)，为信息管理系统平台提供高精度的基础数据，全面管理和展示项目施工的动态信息。

图13 实景模型与GIS平台整合

5 总结

倾斜摄影已成为航空测量领域的一个热点，国家测绘地理信息局也已经把倾斜摄影作为一项新技术手段进行推广。该技术是一项复杂系统应用工作，涉及到多专业的配合，项目应用难度较大。通过在各项目中的综合应用，为类似工程的技术应用提供了一些借鉴，更深层次的应用需要在项目实践中进一步探索研究。

[1] 李安福， 曾政祥，吴晓明.浅析国内倾斜摄影技术的发展[J].测绘与空间地理信息， 2014, 37(9): 57-62.

[2] 田野， 向宇，高峰，等.利用Pictometry倾斜摄影技术进行全自动快速三维实景城市生产-以常州市三维实景城市生产为例[J].测绘通报， 2013(2)： 59-66.

[3] 王亮. 城市三维景观建模方法综述[J].地矿测绘， 2011, 27(3): 19-21.

[4] 张祖勋， 张剑清.数字摄影测量学[M].武汉：武汉大学出版社， 1997.

[5] 郭辉， 李天子，徐克科.利用数码相机进行航空大比例尺测的研究[J].铁道勘察， 2005(6)： 27-29.