孙少楠，张 瑞，于景波，杨仲洪

(1.华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 450046;2.中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450001)

随着水利事业的发展，水利项目建设标准的提高，BIM技术在水利行业的应用逐渐兴起，三维可视化模型作为其主要部分，越来越被人们关注。传统的三维地形模型往往是由人工外业采集数据信息，用地形处理软件建立三维地形模型，而水利工程一般处于深山峡谷，地形条件较为复杂，测量工作较难开展，且山区一般植被覆盖较多，二维外业数据的采集受到测区内树木等植被遮挡、GPS信号不稳定、全站仪通视不理想等因素的制约，需要专门的作业人员进行相关的处理，且其地形表面纹理主要是依靠专业的3D渲染软件(如3DS MAX，Lumion等)进行人工黏贴，工作量大，效率较低，不能真正反映实际地形的表面情况，无法满足大面积的三维地形建模要求[1]。无人机倾斜摄影技术极大地调节测绘内外业的协同工作，具有效率高、成本低、数据精确、操作灵活、侧面信息可用等特点，满足测绘行业的不同需求。无人机航拍可广泛应用于国家重大工程建设、灾害应急与处理、国土监察、公路选线[2]、新农村和小城镇建设[3]等方面，尤其在基础测绘、土地资源调查监测[4]、土地利用动态监测、数字城市建设[5]和应急救灾测绘数据获取[6]等方面，具有广阔的前景。孙涛文[7]等利用无人机倾斜摄影技术与VR技术，与BIM技术相结合，通过虚拟体验，来制订房间的价格，通过高效率的摄影采集设备和高精度的数据处理方式，能够以真实的效果和测绘级精度反映出研究对象的外观特征、度及位置等信息；Claudia[8]等人以西班牙安达卢西亚的案例研究了无人机航测在沟渠测量中的应用；李东[9]对山区水利项目实施无人机航测的必要因素进行了研究。

1 无人机航测基本理论

1.1 无人机测绘系统组成

无人机航测系统主要由两大部分组成。以数据采集为主的外业部分包括无人机主体、数码传感器、地面控制系统，以及用于无人机定位的GPS系统，系统组成如图1所示。

(1)无人机主体。无人机主体包括固定翼和多旋翼。民用固定翼多为弹射式起飞，柔软地面硬着陆，相对于固定翼而言其起落场地要求条件较为苛刻，在一些山势较为复杂的地方活动受限，而多旋翼对各种环境都能较好地适应，续航方面多旋翼不如固定翼。

(2)数码传感器。数码传感器是数据获取的主要场所。无人机作为搭载平台可以搭载各种传感器，受限于无人机的载重，传感器重量不能太大。选择像幅大、分辨率高的传感器不仅能提高精度，也能减少运算的工作量。

(3)GPS定位模块。集成在无人机内部的GPS定位模块提供了粗略的飞行器定位。数据解析需要非常精细的相片方位元素，GPS模块提供的坐标信息并不能满足要求，但在解析之前的相片配对中有重要作用，可以加快相片配对。目前，小体积、质量轻的差分仪器的出现，极大地改善了这一状况。无人机可携带式的差分仪器可大量减少像控点的布设，可减少90%以上的像控点，对于小片区域，甚至可以完全免像控点。

(4)地面操作系统。地面操作系统主要监测和控制无人机的飞行状态。操作系统可以手动实施控制飞行，也可以事先规划好航线，让无人机沿航线自动飞行。无人机航测对数据完整性要求很高，手动操作费时间，而且完整性难以保证，因此航测时多为自动飞行。自动飞行也会带来一定的风险，应实时观察，预测到有潜在危险时，及时转换到手动操作。

(5)数据处理平台。数据处理平台分为云计算和工作站两种。由于航测数据处理工作量非常大，必须选择高性能的平台，否则非常占用时间，甚至会导致平台的频繁崩溃而无法进行数据解析。

图1 无人机测绘系统组成

1.2 无人机测绘实施流程

在实施之前应确定实施范围并规划出航测路线，航线的规划对航测的效果有直接影响。实地考察，合理划分航测区域，充分发挥无人机电池的功效。评估天气情况，在良好天气情况下，外业实施对数据的采集。作为数据处理的地图，外业数据的检查处理直接影响成果的精度，单架次的航摄影片质量评定如下：

(1)飞行返航前对索引像片进行检查，看设计时的计算数量和返回的像片数量是否一致，确保无漏飞。

(2)影像清晰，分辨率满足要求，无云影及烟雾，色调一致，色影分明，层次丰富、反差适中、灰雾度小。

(3)像片上不应有云影、阴影、雪影，不存在大面积的反光现象。

(4)像片上不应有斑点、擦痕、折伤及其他情况的药膜损伤，没有明显模糊、重影及错位; 同像片上所有时钟、框标、像片号等齐全且清晰可辩。

(5)相同地物影摄影标志，如圆水准器、像色调应基本一样，不同架次像片的色调效果也要基本一致，像片应具有一定的现势性。

检测满足要求后，进行内业处理形成初步成果；将内业成果无损的引入到 BIM 工作流当中，辅助工程管理，航测流程图如图2所示。

图2 航测流程图

1.3 无人机测绘与传统测绘方式对比

随着高新技术的发展与革新，航空摄影测量技术应运而生，与传统方法相比，航空摄影测量所需人员较少、拍摄范围广，但是价格昂贵、外界设施要求高。近年来，无人机技术有了长足发展，在航空摄影的基础上，无人机摄影成为一项高新技术，其中倾斜摄影测量技术作为测绘遥感领域的又一突破，被广泛应用。

传统的地形测绘技术一般使用GPS基站与全站仪测绘等。制作1km2的11000三维地形图，用传统方法与使用无人机倾斜摄影技术所消耗资源情况如表1所示。

表1 制作1km2 的11000三维地形图所消耗资源表

表1 制作1km2 的11000三维地形图所消耗资源表

方法耗时/h平坦区域山地人力/人设备投入/万元传统方法20501030航测法610470

在人力方面，传统测绘方式大约需要10位外业工作人员，且每位工作人员都需配备相应的测绘设备；而无人机测绘只需要4人(1名工作人员标画控制点，1名飞手，2名工作人员设置地面控制点)，可节省大量的人力资源。同时，无人机测绘工作人员的工作强度也远远小于传统测绘方式。

在精度方面，传统测绘方式的精度取决于测点的多少，而测点的多少又会直接影响测量耗时与工作人员的工作强度。无人机测绘的精度取决于飞机的飞行高度以及飞机所携带倾斜相机的参数，无人机测绘并非“单点式”测量方法，每平方公里可得到上万个测点。

2 无人机航测主要内容

2.1 部分技术参数

(1)飞行器部分参数

类型：四旋翼；全载重量：3060g；电池容量：4500mAh；最大水平飞行速度：22m/s。

(2)传感器系统部分参数

云台角度抖动量：±0.005°；有效像素：26MP；照片最大分辨率：4000*3000；电子快门速度：1/8000-8s；镜头：20mm,f/2.8；传感器尺寸：23.5*15.7mm；ISO范围：100-25600。

2.2 航空摄影要求

根据《低空数字航空摄影规范》(CH/Z3005-2010)要求[10]，确定地面分辨率，相对航高，绝对航高和飞行路线。根据大比例尺航测图的特点，结合测区的地形条件，各个飞行架次的飞行时间间隔依据实际情况而定，保证采集的影像照片有足够的重叠度。

因此，本次测量地区位于河南省，为宜抽水蓄能电站的下水库，测区由一部分平地及一小部分山地组成，受山地地势影响，本次测量的相对航高为110m，航向重叠度为80%，旁向重叠度为70%，测区内设置控制点共19个，获取影像的地面分辨率为3cm，共计获取照片403张，所获取的影像符合航摄影片的质量评定要求。

2.3 影像数据处理

此阶段使用ContextCapture Master软件做影像的数据处理，将航拍的影像数据以及POS数据等输入到软件中，最终生成非单体对象化模型。控制点坐标见表2。

其处理过程如下所示：

(1)导入影像，并确定传感器尺寸与焦距信息完整。

(2)将控制点与影响相关联，在进行空三角运算拼合之前，人工对已测得的控制点与相应的影像相关联。

(3)确定导入数据完善后，提交空三角加密运算。

3 无人机摄影三维地形模型精度分析

如图3所示，在测区内设置检测点，与模型中的点位相对应，检验由倾斜摄影技术建立的地形模型(图4～图7)精度是否达到大比例尺测图精度，得出的误差值见表3，误差折线图见图8。

表2 控制点坐标

图3 控制点、误差观测点布置图

图4 空三角运算结果

图5 点云图

图6 点云构建TIN(不规则三角网格)图

图7 灰度与RGB三维模型

由于工程建设领域目前还没有制定类似的标准，在此参照《基础地理信息数字成果 1500，11000，12000 数字规划图》对航测结果的误差进行评判。国家测绘行业标准的评判依据是中误差。中误差是一种用来衡量观测精度的数字标准，又被称作“标准差”或“均方根差”。实际上是一组真误差平方均数的平方根。中误差求解公式如下：

其中:m表示中误差；n表示检查测点个数；Δi表示检查点的误差。

表3 航测数据及误差统计表

图8 误差折线图

国家测绘的具体标准如表4和表5所示。

表4 平面位置中误差

注：最大允许误差为2倍中误差

表5 高程中误差

按照公式对航测数据进行误差分析，得出误差分析结果见表6。

表6 航测误差分析表

综合以上内容，可以得出以下结论：X精度、Y精度相差不多，在 0.04 左右波动；高程精度略大于平面精度，在 0.055 左右波动。航测精度可满足测图规范的标准，可将精细化的实景模型与BIM模型相结合。

4 航测成果结合BIM技术应用分析

4.1 土石方工程中无人机航测应用

利用无人机航测技术和 BIM模型建立精确的土石方调配模型，对合理利用开挖石料、减少工程造价有重要意义。

(1)通过无人机航拍所得到的三维实景模型，在精度达标的情况下，可进行两点之间距离、工作面面积、体积的测量工作。图9为本工程水库下游部分围堰，实际总填方量为8412m3，使用此方法多次测量求平均值，得到的填方量为8352.6m3，与实际填方量相差不超过3%。

图9 下游围堰填方量

(2)与civil3D相结合的开挖处理。如图10～图13，运用无人机航测技术，在开挖区表土剥离和土方开挖剥离工程完工之后，对暴露出的可上坝料层进行航测，得出测区的点云模型，并导入 civil3d，由点云文件生成可上坝料层曲面。

图10 航测地形图

4.2 辅助边坡危险源识别与安全管理

本工程位于山区，施工区域大，地形复杂，施工过程中，地形受施工机械和爆破等人为因素干扰大，施工周期长，现场施工条件多变。在施工人员活动比较频繁的区域往往存在着不稳定因素，对这些不稳定因素进行及早判定，并实时监控预警，是减少安全事故，保证施工人员人身安全的重要手段。

图11 部分点云与等高线

图12 导入civil3D开挖

图13 开挖量的计算

根据《水电水利工程边坡施工技术规范》，如图14所示的区域边坡高度大于30m，属于高边坡，且坡度在60°～ 90°之间，属于急坡，然而此处明显挂渣太多，存在安全隐患，应进行相关处理，以避免危险事故的发生。

图14 危险源识别

5 结语

无人机航测技术作为一种成本相对低廉、快速有效的小区域测绘手段，辅助BIM技术进行地形模型的建立，具有广阔的应用前景。本研究显示了无人机倾斜摄影技术可快速建立三维地形模型的能力，且所得的地形模型具有一定的精度，可实现小区域内批量化、自动化的三维建模目标，为BIM技术提供更加真实、可靠的三维模型产品，是BIM技术的有效补充。