无人机倾斜摄影测量技术在桥墩护坡测量中的应用研究

2023-01-08李永泽

交通世界 2022年10期

李永泽

（中建路桥集团有限公司，河北石家庄 050000）

0 引言

在桥梁工程建设中，为防止桥墩受到严重的冲刷，时常需要设置桥墩护坡，而护坡的设置是否会对其他部位施工及使用造成影响，往往需要通过测量来确定。但由于场地狭窄、地势陡峭等因素，桥墩护坡现场测量难度较大，即便采用人力可以完成测量，测量成果的精度也不高，难以达到工程要求。针对这种情况，无人机倾斜摄影测量技术的出现和应用提供了一种新型解决方案。

1 倾斜摄影

1.1 数据获取

对倾斜摄影而言，其数据获取依托于搭载在飞行平台的传感器实现，能从不同角度进行信息获取，当垂直地面进行拍摄时，获得的影像一般称作正片，而与地面不垂直进行拍摄时，获得的影像一般称作斜片。

1.2 数据处理

倾斜摄影过程中的数据处理主要是指对正片或斜片实施联合平差或密集匹配等处理，由此生成以倾斜影像纹理为基础的三维模型，进而达到三维可量测目标。相较于传统的人工建模方式，由于倾斜摄影可实现自动化建模，因此往往有更高的效率、精度及真实感，且能显著降低成本。就当前的三维模型来看，主要具有以下几方面特点：①三维模型是将倾斜影像匹配作为依据确定具体体块建立而成的，不论建筑物或地物，均为一体化表示；②模型的完整度很高，且位置准确，有良好的现势性，和航空影像表现完全一致；③三维模型能准确地反映出地物外部轮廓具有的基本特征，当视点高度为200m时对模型进行浏览，基本没有拉伸变形[1]。

2 无人机倾斜摄影测量

2.1 无人机系统

在航测遥感领域，无人机作为最基本的飞行平台，在进行选型设计时，应注意以下几点：①设备的各项性能指标，设备必须有良好安全性及可靠性；②充分考虑无人机的任务载荷水平，应能符合任务设备搭载要求；③应能实现精度控制，不论飞行轨迹或高度的控制，其精度都应满足相关规范提出的要求；④对不同环境有良好的适应能力；⑤其他方面的技术指标，如续航、航速、可控距离及操作便捷性[2]。

无人机具体可以分成以下几类：固定翼、旋翼、垂直起降（一般为固定翼）和无人飞艇。不同类型无人机的优势及不足均不相同。旋翼无人机的主要优势包括：操作相对简单，起飞与降落灵活，有较高安全性；可实现低空飞行与空中悬停，能提高影像分辨率；其缺点为：大多搭配电动发动机，续航不足，航速慢，航距限制大，不得不频繁起飞与降落，影响作业效率；容易受到气流的影响，难以对飞行姿态予以有效控制。固定翼无人机的主要优势包括：可搭配燃油发动机，续航足，航速快；有很高控制精度，对保持分辨率的一致性有利；其缺点为：对起飞与降落的场地有很高要求，难以在人口较为密集的情况下使用；由于航速快，因此飞行高度一般不能太低，导致影像的清晰度和分辨率受到一定程度的影响。垂直起降无人机将前两种无人机各自的优势充分结合，保留旋翼无人机的起飞与降落方式，而采用固定翼无人机的巡航方式，能在简化操作的同时保证航速，是现阶段最重要的一种机型，但仍然存在续航方面的不足[3]。

2.2 任务载荷系统

作为无人机倾斜摄影的核心，任务载荷系统由以下几部分构成：①倾斜摄影相机，支持多镜头和多角度拍摄；②同步控制装置，用于对多台相机进行同步控制；③稳定云台；④无人机位置及飞行姿态的动态采集系统。在以上组成部分中，①、②属于必备件，对地物不同方位的影像予以同步获取；而③、④则属于可选件，配置后能提高精度，并能为数据处理及三维建模提供帮助，保证最终的建模效果[4]。

倾斜摄影相机通常包含五个镜头，其中一个垂直向下，其他则按不同角度进行设置。通过该设置，可同时对一个曝光点进行正射与四个不同方向的影像进行获取，能显著提高作业效率，而且对飞行航线无要求，按照常规航线进行布置即可。当然在某些特殊情况下可对镜头组合方案进行调整，比如当所用无人机自身任务载荷不支持搭载五个镜头时；相机重量较大普通小型无人机难以搭载时等。

三维建模最终效果及测图精度会受到很多因素的影响，如设备的品质，包括相机、像元及传感器等；影像质量，包括倾斜度、分辨率和重叠度等，此外，光照与地物遮挡也会影响到影像的质量；数据处理，包括处理软件、像控点精度及人员自身技术水平等。可见，为保证质量，需要从以上对三维建模有直接影响的各方面入手进行严格的控制，最终达到理想效果。

2.3 数据处理系统

作为系统重要组成部分之一，数据处理系统主要依靠数据处理软件为三维建模提供可靠的数据支持。通过对空三分布式计算机制的引入，能大幅加快计算速度，并能对海量数据进行处理，通过空三解算、点云匹配及融合，对三维模型进行自动构建。此外，根据二维图像还能对实景三维模型进行还原，在无需人工干预的情况下即可对海量模型予以批量处理。

3 基于无人机倾斜摄影测量技术的桥墩护坡测量

3.1 航线设计与数据获取

对桥墩进行护坡测量时，需在测量开始前做好航线规划与设计，此时要保证航向重叠度不低于80%，且旁向重叠度不低于60%。航线布设过程中，相关工作人员需根据测区具体走向，优先考虑直线的方法，保证首末航线与边界线保持平行，如此，在指定测量范围内即可采用镜头进行影像获取。为使物体边缘达到立体成像效果，需对无人机具体航线范围予以严格控制。一般而言，航线范围应比测量范围边界线大至少200m，且最终航线路径应有14条以上，航向及旁向的重叠度均须达到要求，飞行点高度按150m控制，航向与旁向的间隔距离分别按照25m、38m严格控制。拍摄时，应用五个镜头实施倾斜摄影，以获得五份数据，所有数据均为POS格式。

3.2 空三加密

根据空三加密成果可实现自动建模，增加护坡测量方面的信息，并添加影像数据，然后针对特征点及连接处等开展相互匹配，以逐步形成测量区域内三角式结果。对结果特征点必须认真提取，将其作为依据建成倾斜模型，包括三角网、纹理映射及密集点云数据。

3.3 矢量绘图

在DP-Modeler的支持下根据倾斜摄影成果进行现场测量，以点状地物及建筑物矢量作为测量对象。数据采集过程中，现场工作人员需对不同地物实施标记，确保矢量绘图达到质量要求。

3.4 成果精度及误差分析

成果精度方面，结合规范提出的桥墩护坡测量要求，位置偏差应能达到1∶500的绘图要求。通过分析与研究现有统计数据，经倾斜摄影获取的所有矢量数据均能满足工程测量基本要求，且在测量中还能发挥出重要的作用及价值。误差分析时，相关工作人员应先保证影像分辨率与精度标准到达完全一致。在摄影测量过程中，摄影照片作为一种基础数据类型，其质量会对空三测量结果的精度及最终的三维模型构建效果造成直接影响。

基于此，相关工作人员必须确保摄影照片达到精度要求，并应对无人机系统及其任务载荷系统进行必要的完善与优化。如对飞行高度进行全过程严格控制，根据实际情况适当调整长焦镜头，以提高影像成果分辨率。在达到以上基本要求后，可以使最终得到的影像数据符合精准度要求。对于空三加密产生的误差，目前常用的Smart3D可能产生匹配及飞点数据等误差，给空三精准度带来不利影响。针对这一实际问题，应通过适当的人工干预解决，保证空三精准度，最终使测量成果达到理想精度。但人工干预要有一定限度，如果完全采用人工进行数据的采集，不仅操作难度大，且极易产生误差，并会受到很多客观因素的限制及影响。若不同高程面均有相同的物体，则会在视觉数据动态获取过程中对矢量精度造成影响。针对这种情况，在实际的测量工作中应根据角度，采用适当的方法对影像数据进行调整。通过上述分析可知，对三维建模数据实施矢量化操作时，相关技术人员应具备扎实的基本功和丰富的工作经验，这是保证测量精准度的基础。