無人機攝影測量及其在BIM技術中的應用

徐 銳

（1.上海市政交通設計研究院有限公司，上海 200030）

攝影測量技術走過了模擬攝影測量階段和解析攝影測量階段[1]，現已全面步入數字攝影時代[2]。無人機攝影測量系統憑借其生產成本低、靈活性高等優點，能更加快速直觀地得到測繪成果。專業測量型無人機配備的PPK、免相控技術、傾斜攝影技術極大提高影像的定位精度與高程精度[3]，使其測量成果滿足更高精度的測繪需求。通過無人機攝影測量系統得到的三維點云數據、DEM數據、DOM數據、DSM數據可滿足不同專業不同階段對基礎地理信息和數據的需求。BIM技術是全生命期工程項目或其組成部分物理特征、功能特性和管理要素的共享數字化表達[4]。在市政工程領域，BIM技術在全生命周期過程中始終需要基礎地理數據的支持和輔助。地理三維實景模型是BIM設計的基礎，攝影測量技術與BIM技術的融合將為BIM技術提速，擺脫傳統人工制作的漫長過程。

本文主要研究無人機攝影測量技術在市政公路設計中的應用。在攝影測量得到的數據的基礎上，結合BIM技術，進行攝影測量技術與BIM技術的融合，利用攝影測量建模速度快、信息精度高等優勢，為BIM更好的提供基礎地理信息數據。

1 無人機攝影測量

本次攝影測量任務區位于內蒙古赤峰市八里罕鎮，為一個狹長曲折帶狀區域，總長度約為20 km，總面積約為20.5 km2。測區西南部為山地，東北部為平原，地貌類型多樣。航測時間為冬季，地表植被覆蓋較少，有利于剔除點云噪聲，提高模型精度。本文采用拓普康天狼星無人機航測系統進行測量，主要包括無人機飛行平臺、數據通信平臺和數據后處理系統。其主要技術參數如表1所示。

表1 天狼星無人機航測系統主要技術參數

1.1 數據采集

根據現場實際情況，在飛行計劃軟件中對航線進行設計，設計航高為400 m，地面采樣距離為5 cm，航向重疊度≥80%，旁向重疊度≥60%。全區域共飛行5個架次，累計采集有效相片1 292張。

1.2 數據處理

外業作業完成后，檢查外業數據質量，確認合格后進行內業數據處理。內業首先利用自動化程度較高的后處理軟件Agisoft Photoscan Professional對相片數據進行處理；再結合自帶的高精度POS數據，通過空三解算生成密集點云數據（圖1）；然后建立DEM（圖2）；最后賦予高清紋理，建立DSM（圖3），也可得到常規二維DOM。在該過程中，也可將空三解算結果、點云等數據另行導出，作為其他用途使用。

圖1 測區三維密集點云模型

圖2測區DEM模型

1.3 數據分析

內業處理完成后，通過人工目視檢查DEM、DSM等成果的質量。本文初步目視檢查結果并未發現測區、數據遺漏，模型較完整平滑，成果無異常，內業處理滿足初步要求。在整個項目中，為保證測量精度，不僅需要定性的目視檢查，還需定量的數據佐證。因此，本文在數據采集前在測區范圍內較均勻地布設了18個控制點，以便檢查內業成果的質量，實地采用白色十字標靶標記，外業采用GNSS-RTK測量其三維坐標值（4次均值）。首先在內業建立的三維實景模型上抓取對應點的三維坐標（4次均值）；然后對兩組數據作差，比較模型在各個方向上的誤差值；最后根據中誤差公式得到每個點的中誤差，中誤差即可定量反映本次建模的精度質量。

圖3測區DSM模型

各控制點的GNSS-RTK坐標和模型坐標差值如表2所示，轉化為柱狀統計圖如圖4所示，可以看出，模型平面精度的最大較差為9.8 cm，均值為7.6 cm，中誤差為7.8 cm；高程精度的最大較差為15.2 cm，平均值為5.3 cm，中誤差為6.5 cm；模型的高程精度比平面精度波動大，較差之差也更大，說明衛星自身定位在高程測量方面比平面弱。該模型精度符合1∶500比例尺測圖要求，可為后期的1∶500 DLG成圖提供合格的底圖數據，同時說明攝影測量得到的三維實景模型具有較高的精度。

圖4 模型坐標與RTK坐標的差值統計圖

由表2可知，相較于其他控制點，B13號點存在高程嚴重異?，F象，斷定存在一個較大的偶然誤差。經過分析發現，B13號點的正上方存在高壓線，使得GNSS-RTK測量時接收的信號存在較大誤差，因此測得的坐標值較其他點有明顯異常，如圖5所示。這種測量條件在全球定位系統測量規范中有特別說明，是需要特別注意和避免的情況[5]。為保證數據的真實性，B13號點的數據暫不參與數據精度分析，其他17個點也足夠用來精度評定。

圖5 B13號點存在高壓線干擾

表2 控制點RTK坐標值與模型坐標值差值/m

2 三維實景模型與BIM技術的融合

無人機攝影測量得到的三維實景地理模型可在BIM技術中加以利用，彌補了BIM技術建立場地模型的短板[6]，使BIM技術在場地建模方面更加快速、精確。通過攝影測量技術建立的三維實景模型，可以很好地提供地表信息、高程信息、紋理信息等，也可以很輕松地得到長度、面積、體積、坡度等信息，這些信息也正是BIM技術中一些信息的基礎和組成。后期可利用BIM技術構建目標建（構）筑物，與三維實景模型進行融合疊加，得到一個完備的工程項目模型系統。本文利用三維實景模型疊加橋梁模型得到的一個BIM系統如圖6所示，可為后期BIM設計提供數據基礎和支撐。

圖6 三維實景模型+BIM效果

3 結語

無人機攝影測量系統在4D產品獲取和三維實景建模中具有高效高精度的優勢，是未來快速成圖、建模的手段之一。本文通過實際工程案例驗證了無人機攝影測量系統所能達到的精度和效果，進一步印證了其優勢。將攝影測量技術應用于BIM技術中，可發揮各自的優點，為相關人員提供大場景的真實地理環境，為專業人員提供精準的地理信息數據。BIM技術發展到現階段，三維實景模型與BIM建（構）筑物模型的融合還存在轉換環境與轉換標準不協調的問題，將導致各自原有信息的遺漏或錯誤[7]，還達不到一種較理想的無損轉換和融合，這也是隨著BIM技術的飛速發展急需解決的問題。