无人机摄影测量及其在BIM技术中的应用

徐 锐

（1.上海市政交通设计研究院有限公司，上海 200030）

摄影测量技术走过了模拟摄影测量阶段和解析摄影测量阶段[1]，现已全面步入数字摄影时代[2]。无人机摄影测量系统凭借其生产成本低、灵活性高等优点，能更加快速直观地得到测绘成果。专业测量型无人机配备的PPK、免相控技术、倾斜摄影技术极大提高影像的定位精度与高程精度[3]，使其测量成果满足更高精度的测绘需求。通过无人机摄影测量系统得到的三维点云数据、DEM数据、DOM数据、DSM数据可满足不同专业不同阶段对基础地理信息和数据的需求。BIM技术是全生命期工程项目或其组成部分物理特征、功能特性和管理要素的共享数字化表达[4]。在市政工程领域，BIM技术在全生命周期过程中始终需要基础地理数据的支持和辅助。地理三维实景模型是BIM设计的基础，摄影测量技术与BIM技术的融合将为BIM技术提速，摆脱传统人工制作的漫长过程。

本文主要研究无人机摄影测量技术在市政公路设计中的应用。在摄影测量得到的数据的基础上，结合BIM技术，进行摄影测量技术与BIM技术的融合，利用摄影测量建模速度快、信息精度高等优势，为BIM更好的提供基础地理信息数据。

1 无人机摄影测量

本次摄影测量任务区位于内蒙古赤峰市八里罕镇，为一个狭长曲折带状区域，总长度约为20 km，总面积约为20.5 km2。测区西南部为山地，东北部为平原，地貌类型多样。航测时间为冬季，地表植被覆盖较少，有利于剔除点云噪声，提高模型精度。本文采用拓普康天狼星无人机航测系统进行测量，主要包括无人机飞行平台、数据通信平台和数据后处理系统。其主要技术参数如表1所示。

表1 天狼星无人机航测系统主要技术参数

1.1 数据采集

根据现场实际情况，在飞行计划软件中对航线进行设计，设计航高为400 m，地面采样距离为5 cm，航向重叠度≥80%，旁向重叠度≥60%。全区域共飞行5个架次，累计采集有效相片1 292张。

1.2 数据处理

外业作业完成后，检查外业数据质量，确认合格后进行内业数据处理。内业首先利用自动化程度较高的后处理软件Agisoft Photoscan Professional对相片数据进行处理；再结合自带的高精度POS数据，通过空三解算生成密集点云数据（图1）；然后建立DEM（图2）；最后赋予高清纹理，建立DSM（图3），也可得到常规二维DOM。在该过程中，也可将空三解算结果、点云等数据另行导出，作为其他用途使用。

图1 测区三维密集点云模型

图2测区DEM模型

1.3 数据分析

内业处理完成后，通过人工目视检查DEM、DSM等成果的质量。本文初步目视检查结果并未发现测区、数据遗漏，模型较完整平滑，成果无异常，内业处理满足初步要求。在整个项目中，为保证测量精度，不仅需要定性的目视检查，还需定量的数据佐证。因此，本文在数据采集前在测区范围内较均匀地布设了18个控制点，以便检查内业成果的质量，实地采用白色十字标靶标记，外业采用GNSS-RTK测量其三维坐标值（4次均值）。首先在内业建立的三维实景模型上抓取对应点的三维坐标（4次均值）；然后对两组数据作差，比较模型在各个方向上的误差值；最后根据中误差公式得到每个点的中误差，中误差即可定量反映本次建模的精度质量。

图3测区DSM模型

各控制点的GNSS-RTK坐标和模型坐标差值如表2所示，转化为柱状统计图如图4所示，可以看出，模型平面精度的最大较差为9.8 cm，均值为7.6 cm，中误差为7.8 cm；高程精度的最大较差为15.2 cm，平均值为5.3 cm，中误差为6.5 cm；模型的高程精度比平面精度波动大，较差之差也更大，说明卫星自身定位在高程测量方面比平面弱。该模型精度符合1∶500比例尺测图要求，可为后期的1∶500 DLG成图提供合格的底图数据，同时说明摄影测量得到的三维实景模型具有较高的精度。

图4 模型坐标与RTK坐标的差值统计图

由表2可知，相较于其他控制点，B13号点存在高程严重异常现象，断定存在一个较大的偶然误差。经过分析发现，B13号点的正上方存在高压线，使得GNSS-RTK测量时接收的信号存在较大误差，因此测得的坐标值较其他点有明显异常，如图5所示。这种测量条件在全球定位系统测量规范中有特别说明，是需要特别注意和避免的情况[5]。为保证数据的真实性，B13号点的数据暂不参与数据精度分析，其他17个点也足够用来精度评定。

图5 B13号点存在高压线干扰

表2 控制点RTK坐标值与模型坐标值差值/m

2 三维实景模型与BIM技术的融合

无人机摄影测量得到的三维实景地理模型可在BIM技术中加以利用，弥补了BIM技术建立场地模型的短板[6]，使BIM技术在场地建模方面更加快速、精确。通过摄影测量技术建立的三维实景模型，可以很好地提供地表信息、高程信息、纹理信息等，也可以很轻松地得到长度、面积、体积、坡度等信息，这些信息也正是BIM技术中一些信息的基础和组成。后期可利用BIM技术构建目标建（构）筑物，与三维实景模型进行融合叠加，得到一个完备的工程项目模型系统。本文利用三维实景模型叠加桥梁模型得到的一个BIM系统如图6所示，可为后期BIM设计提供数据基础和支撑。

图6 三维实景模型+BIM效果

3 结语

无人机摄影测量系统在4D产品获取和三维实景建模中具有高效高精度的优势，是未来快速成图、建模的手段之一。本文通过实际工程案例验证了无人机摄影测量系统所能达到的精度和效果，进一步印证了其优势。将摄影测量技术应用于BIM技术中，可发挥各自的优点，为相关人员提供大场景的真实地理环境，为专业人员提供精准的地理信息数据。BIM技术发展到现阶段，三维实景模型与BIM建（构）筑物模型的融合还存在转换环境与转换标准不协调的问题，将导致各自原有信息的遗漏或错误[7]，还达不到一种较理想的无损转换和融合，这也是随着BIM技术的飞速发展急需解决的问题。