無(wú)人機(jī)航測(cè)傾斜攝影在工礦遺址上的應(yīng)用

朱 超

（北京京能地質(zhì)工程公司，北京 102300）

0 引言

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)已成為低空數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量領(lǐng)域的一項(xiàng)高新技術(shù)，已徹底解決厘米級(jí)分辨率影像和大比例尺地形圖的現(xiàn)時(shí)、快速獲取問(wèn)題[1]。攝影測(cè)量已不再局限于小型地形圖，它也被廣泛用于大面積中小型地形圖的測(cè)繪。航空攝影測(cè)量技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的，它可以快速收集數(shù)據(jù)，縮短測(cè)繪周期，并節(jié)省大量的人工成本。這些優(yōu)勢(shì)使其向著城市變形監(jiān)測(cè)、資源開(kāi)發(fā)、新農(nóng)村建設(shè)、城市規(guī)劃、重大工程項(xiàng)目、國(guó)土資源遙感監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域迅速拓展[2]。無(wú)人機(jī)航測(cè)傾斜攝影技術(shù)亦可應(yīng)用于工礦遺址項(xiàng)目。本文通過(guò)工礦遺址傾斜攝影航測(cè)工程實(shí)例，介紹傾斜攝影技術(shù)生產(chǎn)測(cè)繪產(chǎn)品的流程，并進(jìn)一步探索工礦遺址三維模型在空間測(cè)量、3D 漫游、與BIM 結(jié)合方面的應(yīng)用。

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

無(wú)人機(jī)航測(cè)傾斜攝影技術(shù)改變了傳統(tǒng)測(cè)繪作業(yè)方式，具有劃時(shí)代的意義。傳統(tǒng)的正射影像只能從一個(gè)垂直視角進(jìn)行拍攝，通過(guò)傾斜攝影技術(shù)在飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)影像傳感器，同時(shí)從垂直及傾斜不同角度采集影像數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖1）。采集影像數(shù)據(jù)的同時(shí)，記錄無(wú)人機(jī)飛行航高及航速，航攝影像的航向和旁向重疊率、位置、姿態(tài)等參數(shù)信息。影像數(shù)據(jù)不僅能夠真實(shí)地反映地物情況，而且可通過(guò)GPS 定位技術(shù)嵌入地理信息，進(jìn)而獲得更高的數(shù)據(jù)利用價(jià)值[3]。

圖1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)[4]

1.2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的特點(diǎn)

（1）生產(chǎn)三維模型：通過(guò)該技術(shù)生產(chǎn)的三維模型具有很好的現(xiàn)時(shí)性，能夠反映地物的真實(shí)情況，從三維模型中可以獲得地物的位置、高度、面積、體積等屬性信息。

（2）極高的性價(jià)比：傾斜攝影技術(shù)所獲取的影像數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后還可以得到數(shù)字正射影像（DOM）、數(shù)字地表模型（DSM）、數(shù)字線劃地圖（DLG）等4D 測(cè)繪類產(chǎn)品成果[5]。

（3）節(jié)約人力成本：幾百人外業(yè)工作完成的工作量相當(dāng)于一架無(wú)人機(jī)通過(guò)該技術(shù)一天的外業(yè)航測(cè)作業(yè)量，大量的外業(yè)工作變成室內(nèi)的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作。同時(shí)，數(shù)據(jù)處理使用高性能工作站集群運(yùn)算，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人監(jiān)守自動(dòng)化生產(chǎn)。

1.3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)組成

無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)包括無(wú)人機(jī)飛行器，飛行控制系統(tǒng)，搭載的傾斜攝影傳感器，地面控制站設(shè)備以及數(shù)據(jù)處理工作站集群。在本項(xiàng)目中飛行平臺(tái)采用智繪鷹S100 型無(wú)人機(jī)，內(nèi)置PPK 定位模塊，搭載影像傳感器為五鏡頭相機(jī)，焦距25 mm，單鏡頭像素為2430 萬(wàn)，側(cè)視鏡頭角度為45°，傳感器分辨率6000×4000（見(jiàn)圖2）。

圖2 搭載相機(jī)5 鏡頭分布

2 工礦遺址概況

王平煤礦位于北京市門(mén)頭溝區(qū)的中東部地區(qū)，地處北京西山，曾是京西地區(qū)的八大煤礦之一。長(zhǎng)溝峪煤礦位于北京市西南地區(qū)，距北京市中心45 km，行政區(qū)劃屬房山區(qū)周口店鎮(zhèn)。2016年開(kāi)始，長(zhǎng)溝峪煤礦主動(dòng)完成了關(guān)停礦井、拆除井下生產(chǎn)設(shè)備，現(xiàn)已關(guān)停。

為實(shí)現(xiàn)煤礦遺址的規(guī)劃設(shè)計(jì)再利用，對(duì)兩個(gè)煤礦遺址進(jìn)行無(wú)人機(jī)傾斜攝影航測(cè)，獲取地面影像數(shù)據(jù)，建立實(shí)景三維模型，生產(chǎn)數(shù)字正射影像，為后期的規(guī)劃設(shè)計(jì)建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 無(wú)人機(jī)航測(cè)具體步驟

3.1 現(xiàn)場(chǎng)踏勘

外業(yè)起飛前，需要對(duì)項(xiàng)目飛行的區(qū)域進(jìn)行踏勘，以便對(duì)測(cè)區(qū)的情況進(jìn)行了解，有助于布設(shè)像控點(diǎn)及無(wú)人機(jī)起降點(diǎn)的最佳位置。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際踏勘，王平煤礦測(cè)區(qū)范圍3 km2，長(zhǎng)溝峪測(cè)區(qū)面積2 km2，初步確立了像控點(diǎn)的位置以及最佳無(wú)人機(jī)的起降點(diǎn)（見(jiàn)圖3）。

圖3 工礦遺址

3.2 布設(shè)測(cè)量像控點(diǎn)及航線設(shè)計(jì)

像控點(diǎn)是攝影測(cè)量控制加密的基礎(chǔ)，其布設(shè)的位置和數(shù)量直接影響到航測(cè)數(shù)據(jù)后期處理的精度，所以像控點(diǎn)的布設(shè)和選擇應(yīng)當(dāng)規(guī)范、準(zhǔn)確。選擇像控點(diǎn)位置時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇地形測(cè)量通視良好且可以從空中明確辨認(rèn)的地物和目標(biāo)點(diǎn)。布設(shè)的標(biāo)志點(diǎn)應(yīng)對(duì)空視角好，避免被建筑物、樹(shù)木等遮擋。本項(xiàng)目采用九宮格方式布設(shè)像控點(diǎn)。根據(jù)測(cè)區(qū)范圍，在Google Earth Pro 繪制測(cè)區(qū)邊界，根據(jù)地圖上海拔高程，進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè)標(biāo)記。其中王平煤礦布設(shè)了16 個(gè)像控點(diǎn)，長(zhǎng)溝峪煤礦布設(shè)了20 個(gè)像控點(diǎn)，長(zhǎng)溝峪煤礦采用分區(qū)域分塊生產(chǎn)三維模型的處理方式，所以在分塊交接位置增加了像控點(diǎn)的數(shù)量，以保證三維模型精度（見(jiàn)圖4）。

圖4 王平煤礦遺址像控點(diǎn)布設(shè)圖

根據(jù)本項(xiàng)目生產(chǎn)1∶500 地形圖的精度要求，地面分辨率GSD≤0.01 M（cm）(M 為成圖比例尺分母)[6]，本項(xiàng)目地面分辨率GSD 應(yīng)小于5 cm。根據(jù)航高計(jì)算公式H=?×GSD/α（?為焦距，α像元尺寸），搭載相機(jī)主焦距?=25 mm，像元尺寸α=15.6/4000=3.9 μm，計(jì)算得到設(shè)計(jì)航高為320 m。飛行高度越低，地面分辨率越高，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況綜合考慮，設(shè)計(jì)航高100 m，地面分辨率GSD 達(dá)到1.56 cm，滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)的精度要求。

在規(guī)劃飛行航線時(shí)，利用Google Earth Pro 軟件導(dǎo)出測(cè)區(qū)范圍KML 文件，導(dǎo)入DJI GS PRO 地面控制站，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)按照測(cè)繪航拍模式規(guī)劃飛行航線。為更好地獲得模型效果，設(shè)置無(wú)人機(jī)航向及旁向重疊率80%以上，航高100 m。航線設(shè)計(jì)考慮到電池續(xù)航問(wèn)題，其中王平煤礦項(xiàng)目劃分了11 個(gè)任務(wù)區(qū)，即劃分了11 個(gè)飛行架次，采用階梯式飛行，設(shè)計(jì)航線高差不超過(guò)飛行高度的50%。長(zhǎng)溝峪煤礦項(xiàng)目劃分9 個(gè)飛行架次（見(jiàn)圖5）。

圖5 長(zhǎng)溝峪煤礦遺址航線規(guī)劃圖

3.3 像控點(diǎn)測(cè)量和外業(yè)航飛

像控點(diǎn)的測(cè)量應(yīng)該在外業(yè)航飛之前進(jìn)行，像控點(diǎn)坐標(biāo)采集使用RTK 方式測(cè)量，記錄所有像控點(diǎn)在地方坐標(biāo)系及WGS84 坐標(biāo)系下坐標(biāo)。

像控點(diǎn)測(cè)量完成之后，架設(shè)靜態(tài)PPK 測(cè)量基站，用于航飛后與機(jī)載差分定位數(shù)據(jù)解算，獲得高精度的照片位置信息。選擇比較空曠的地方作為無(wú)人機(jī)起飛和降落的地點(diǎn)，準(zhǔn)備航飛。

航飛作業(yè)前，首先利用DJI GO 對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行自檢，檢查影像傳感器、指南針等各項(xiàng)參數(shù)是否正常，如無(wú)人機(jī)提示校準(zhǔn)指南針操作，應(yīng)按照提示操作方法進(jìn)行人工校正，自檢通過(guò)后才可以準(zhǔn)備飛行。將航線設(shè)計(jì)參數(shù)通過(guò)DJI GS PRO 地面控制站上傳到無(wú)人機(jī)，開(kāi)始航飛（見(jiàn)圖6）。

圖6 設(shè)置航飛參數(shù)

3.4 解析空中三角測(cè)量

空中三角測(cè)量是在已知少量地面控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)量測(cè)重疊像片的像點(diǎn)坐標(biāo)，依據(jù)立體像對(duì)的相對(duì)定向和絕對(duì)定向等攝影測(cè)量原理，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法解求加密控制點(diǎn)坐標(biāo)的方法。本項(xiàng)目通過(guò)ContextCapture 軟件進(jìn)行空中三角測(cè)量計(jì)算，首先對(duì)外業(yè)航測(cè)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，篩除不合格不能用于構(gòu)建模型的影像，然后將像片與PPK 差分解算出來(lái)的照片位置數(shù)據(jù)同時(shí)導(dǎo)入軟件，進(jìn)行自動(dòng)空中三角測(cè)量計(jì)算。由于照片拍攝質(zhì)量和解算定位精度影響，空三計(jì)算一般需運(yùn)行2～3 次才能通過(guò)[7?8]。

空三計(jì)算通過(guò)后，進(jìn)行像控點(diǎn)刺點(diǎn)工作，每個(gè)像控點(diǎn)刺5 張以上的影像，像控點(diǎn)清晰的影像盡量多刺，每個(gè)鏡頭都應(yīng)進(jìn)行刺點(diǎn)，刺點(diǎn)完成后再次進(jìn)行空三計(jì)算?？杖ㄟ^(guò)結(jié)束后，軟件會(huì)自動(dòng)生成空三計(jì)算質(zhì)量報(bào)告，根據(jù)報(bào)告可以直接查看精度情況（見(jiàn)圖7、圖8）。

圖7 空中三角測(cè)量計(jì)算

圖8 空三加密計(jì)算質(zhì)量報(bào)告

本項(xiàng)目中重投影誤差的RMS（像素）均小于1 像素，像控點(diǎn)顯示為綠色，說(shuō)明精度很高，滿足進(jìn)行下一步模型建設(shè)的要求[9?10]。

3.5 生產(chǎn)實(shí)景三維模型

根據(jù)測(cè)區(qū)范圍導(dǎo)入生成模型范圍數(shù)據(jù)文件，然后對(duì)模型進(jìn)行切塊，進(jìn)行三維模型的計(jì)算。生產(chǎn)三維模型需要的時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)工作站的配置要求也比較高，根據(jù)工作站性能配置情況進(jìn)行合理切塊，生產(chǎn)三維模型中間不需要人為干預(yù)，工作站會(huì)自動(dòng)運(yùn)算，直到全部三維模型生產(chǎn)成功（見(jiàn)圖9）。

圖9 長(zhǎng)溝峪煤礦遺址三維模型

兩個(gè)測(cè)區(qū)均采用多架次航測(cè)路線，分區(qū)域進(jìn)行三維模型生產(chǎn)，需要注意，各區(qū)域生產(chǎn)模型時(shí)要設(shè)置統(tǒng)一的模型原點(diǎn)坐標(biāo)，這樣生產(chǎn)的三維模型可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)合并拼接（見(jiàn)圖10）。

圖10 長(zhǎng)溝峪煤礦遺址全景三維模型

3.6 生產(chǎn)數(shù)字正射影像

三維模型生產(chǎn)之后，再進(jìn)行正射影像的生產(chǎn)，軟件會(huì)自動(dòng)進(jìn)行生產(chǎn)正射影像，直到正射影像完全生產(chǎn)出來(lái)（見(jiàn)圖11）。

圖11 數(shù)字正射影像圖

3.7 生產(chǎn)數(shù)字地形圖

獲得三維模型后，將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入EPS 數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)立體采集，實(shí)時(shí)輸出二維線劃圖數(shù)據(jù)。地物描繪完成后，采集三維模型高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，生成等高線，經(jīng)圖幅整飾后生成大比例地形圖[11?12]（見(jiàn)圖12、圖13）。精度驗(yàn)證采用實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)方法驗(yàn)證地形圖的精度，采用RTK 測(cè)量方式采集地形特征點(diǎn)，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證本項(xiàng)目可以達(dá)到1∶500 航空攝影測(cè)量法的精度要求。

圖12 EPS 立體采集生產(chǎn)地形圖

圖13 數(shù)字地形圖

4 成果應(yīng)用

利用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)成果有多方面的應(yīng)用，針對(duì)本項(xiàng)目從礦區(qū)遺址上有以下幾點(diǎn)應(yīng)用。

4.1 數(shù)字正射影像DOM

正射影像能夠真實(shí)顯示出礦山遺址現(xiàn)狀，查詢?yōu)g覽位置坐標(biāo)、距離方位，還能實(shí)現(xiàn)面積統(tǒng)計(jì)分析，制作出電子地圖和專題地圖，對(duì)于規(guī)劃設(shè)計(jì)提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4.2 實(shí)景三維模型

實(shí)景三維模型空間漫游瀏覽可以通過(guò)大屏幕、互聯(lián)網(wǎng)等平臺(tái)展示。模型上可以進(jìn)行地物空間量算，對(duì)長(zhǎng)、寬、高進(jìn)行立體測(cè)量，并且可以進(jìn)行土方分析量算。通過(guò)進(jìn)一步生產(chǎn)大比例尺地形圖，對(duì)指導(dǎo)規(guī)劃建設(shè)、BIM 應(yīng)用提供基礎(chǔ)三維模型數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖14?圖16）。

圖14 三維模型建筑物空間測(cè)量

圖15 三維模型面積測(cè)量

4.3 3D 立體漫游

通過(guò)利用手柄實(shí)時(shí)控制漫游三維模型、佩戴3D眼鏡觀看大屏幕三維模型，可以提高三維模型的立體顯示效果。本項(xiàng)目采用色分法（色差式3D 顯示技術(shù)），增強(qiáng)模型的現(xiàn)實(shí)感，可使觀眾體驗(yàn)到“真實(shí)”實(shí)景效果（見(jiàn)圖17）。

圖17 3D 立體漫游

4.4 BIM 結(jié)合三維平臺(tái)

實(shí)景三維模型通過(guò)三維平臺(tái)與BIM 相結(jié)合，在實(shí)景三維模型上添加擬建建筑物、道路、景觀等模型，實(shí)現(xiàn)瀏覽設(shè)計(jì)后效果，更能使用戶快速地測(cè)量、分析和標(biāo)注三維地理信息數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖18）。

圖18 與BIM 結(jié)合三維平臺(tái)

5 結(jié)論

（1）通過(guò)無(wú)人機(jī)航測(cè)傾斜攝影技術(shù)能夠生產(chǎn)工礦遺址大比例尺地形圖，地形圖作業(yè)成果滿足航空攝影測(cè)量法的精度要求。

（2）生產(chǎn)的正射影像、三維模型能夠滿足用戶對(duì)地理數(shù)據(jù)現(xiàn)時(shí)、快速的實(shí)際要求，并且實(shí)現(xiàn)了3D 漫游瀏覽功能，極大地增強(qiáng)了現(xiàn)實(shí)感。

（3）進(jìn)一步探索了三維模型模型與BIM 平臺(tái)的結(jié)合，可在工礦遺址項(xiàng)目后期的規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中提供基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。

無(wú)人機(jī)航測(cè)傾斜攝影技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)時(shí)代的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛，在BIM 平臺(tái)、三維可視化地圖、智慧城市建設(shè)、智慧廠區(qū)建設(shè)、游戲地圖開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域?qū)⒂懈嗟膽?yīng)用價(jià)值。