◎ 邓樑斌 潘挺志 中交广州航道局有限公司
由于快速、准确的优点使无人机摄影测量技术发展迅速。BIM技术是工程建设中的全生命周期信息管理技术，在工程领域对三维实景建模的支持与互动日益迫切。无人机摄影测量系统以其高效率、高精度的优势应用于4D产品采集和3D场景建模，是今后快速成图、建模的一种方法。
本工程位于厦门翔安区东南海面，大嶝岛和小嶝岛之间，为厦门新机场提供建设用地，南侧距金门岛约3km，地理坐标位于东经118°20′至118°22′、北纬24°32′至24°34′。工程主要施工内容为陆域形成与地基处理，陆域形成面积约为170万m2，填砂量约为2030万m3。
此次摄影测量任务区是在大嶝岛、小嶝岛与厦门翔安区东南海域的交界处，此地是厦门新机场的施工场地，由于在冬季进行，地面植被覆盖程度比较低，对消除点云噪声和提高模型的准确率是有利的。本论文以拓普康天狼星无人机的飞行平台、数据平台、数据后处理等为主要内容进行测量，其主要技术指标见表1。
表1 天狼星无人侦察机的主要技术指标
2.1 数据采集
在飞行规划软件中，结合现场的实际状况进行航线规划，设计的飞行高度为400m，地面取样5cm，航线交迭程度大于80%，侧面交迭程度大于60%。在整个地区总共5架飞机，共获得1292幅有效照片。
2.2 数据处理外业
完成工作后，对现场外业数据进行质量检验，通过验收后进行内业数据的整理。内业工作首先使用了Agisoft Photoscan Professional，实现了图像数据的高自动化后处理；
并将POS数据与其自身的高精度POS数据相结合，利用空三解计算并生成云数据；
然后再构造DEM，最后对其进行高分辨率的纹理处理，从而建立 DSM，获得普通的二维DOM。在此过程中，还可以将空三解算结果、点云等其他资料分别推导出来，供其他途径应用[1]。
2.3 数据分析
内业作业结束后，对DEM、DSM等成果进行人工目视检查。初步的目测结果显示，没有发现测区和数据遗漏，模型整体光滑，成果没有异常，内部处理达到了初步的要求。为了确保测量的准确性，不但要进行定性的目测，而且要有定量的资料支持。为了检验内业成果的品质，在数据收集之前在测区内均匀地设置了18个控制点，以便检验内部工作的质量，现场使用白色的十字标靶标点，外业使用GNSS-RTK（4次平均）进行测量。首先，对应点的三维坐标（4次平均）可在内业所建立的3D场景模型中获取；
然后对两组数据进行作差，并将各个方向模型上的误差进行比较；
最后通过计算中误差，可以定量地反映模型的精度品质。
从GNSS-RTK坐标与模型坐标之间的差异可以看出，模型平面精度最大偏差为9.8cm，平均7.6cm，中误差7.8cm；
高程精度最大偏差为1 5.2 c m，平均5.3 c m，中误差6.5cm；
模型的高精度与平面相比有很大的差异，误差也比较大，这表明卫星的定位相对于地面而言，其高程较低。此模式的精度达到1∶500的制图要求，可以为以后1∶500 DLG制图提供高质量的基础资料，并证明了用摄影法所获得的三维真实场景模型是比较准确的。
结果表明，B13区与其他控制区相比存在着严重的高程异常，由此可以推断出B13区存在着很大的偶然误差。通过对B13号点处的高压线路进行了分析，得出了GNSS-RTK数据采集过程中所接收到的数据有很大的偏差，因此该方法的坐标值与其他点相比有显著差异。GPS测量规程中明确规定了这样的测量条件，必须加以特别的关注和规避。为了确保数据的准确性，B13号的数据暂时不会被纳入到数据的准确性分析中，而剩下的17个数据也足以进行精确度的评估[2]。
2.4 三维虚拟现实建模与BIM技术的结合
用BIM技术实现无人机摄影测量获得的三维真实地理模型，可以有效地解决BIM技术在现场建模中的不足，从而使得 BIM技术能够快速准确的进行现场建模。利用摄影测量技术构建的三维立体景观模型，能够提供地表、高程、纹理等信息，还可以方便地获取长度、面积、体积、坡度等的资料，而BIM技术中的某些信息也是基于这些信息而形成的。在后期可以通过BIM技术对目标建筑（构筑物）进行建模，并将其与3D现实场景相结合，从而形成一个完整的工程项目建模体系。通过对桥梁模型进行三维真实场景的叠加，得出了一个 BIM系统，见图1，为 BIM的后期设计提供了一定的依据和支撑。
图1 三维立体实景建模+BIM技术
3.1 影像匹配
相对于传统的正视模式，倾斜摄影具有多种视角的优势，并使图像的冗余信息更加丰富。该方法能够利用多余的信息对多视图中的错误进行校正，为了保证图像的正确匹配需要使用多种基本元素。针对基于特征的图像匹配技术的强适用性和较高匹配准确率，提出了一种新的特征匹配算法。
3.2 多视影像联合平差
多视图的联合校正是在多视图的几何基础上，将POS外部的方向与飞行平台得到的信息相结合。首先通过对多视角图像进行匹配，获取准确的外方位元素，并采用特征匹配的方法进行图像特征匹配。其次通过对 POS数据的分析，建立了相应的误差方程，并对其进行了联合求解，以确保校正的准确性。波束平差模型具有较强的理论和较高的加密精度，将其应用于空中三角网平差。在完成了空中三角测量后，会产生带有表面纹理信息的自动结点[3]。
3.3 多视影像密集匹配
多视点密集匹配是以三个空间为基础而构成的自动结点。根据相关的密集匹配算法构造了密集点云。多视图密集匹配算法采用多基匹配算法，对图像基线进行定位，并将各节点进行对应的匹配，采用倾斜摄影方法建立的三维模型为网状结构。所以，利用密度较大的点云来构建网格，三维点云的数据具有很高的通道性。点云结构的网格采用不规则三角形网格，由密集的点云组成三角分割计算方法。任意的地形目标信息都可以用一个三角形的风扇来表达，而所有的三角形都是一个完整的三角形网格模型。
3.4 纹理映射
纹理映射的实质就是在三维空间中，空间点和平面上的点面的对应。将与二维空间点相对应的色彩和灰度值映射到三维目标表面，得到了与实际色彩视觉一致的真实3D模型。多视点影像会在多幅影像中呈现同样的置换信息，所以在纹理映射时，必须清除多视图图像。
随着无人机技术的迅速发展，在大型立体建模中应用无人机摄影测量技术已成为当前的主流方法。倾斜照相技术虽然才出现了20多年，但是它已经在各行业中得到了广泛的应用。山区高速公路由于线路长且复杂、植被茂密、地形复杂、临建设计不但需要大量的工程勘察，而且存在着一定的安全隐患，利用倾斜摄影技术，建立了一个真实的立体空间模型，克服了传统的步行踏勘方法所造成的视觉上的局限，以点带面，造成了后续的便道、临时场站建设不合理，不经济。
4.1 航空摄影计划编制
在进行航空摄影之前，必须搜集有关工程的地形图、路线图、重点构筑物设计图、交通图、天气预报、空中限制区等资料，确定航拍范围，并根据现场地形条件、能见度等因素制订航空摄影计划。为了保证以后的三维模型准确定位，必须把航空摄影系统和高程系统与施工图纸结合起来，为了提高航空摄影数据的准确性，必须在现有控制点上建立一个加密控制点，并将其设在露天开阔、视野好的地方。
4.2 全景拍摄
利用无人驾驶的五目专业摄像机，根据预定的计划，完成整个工程的全景拍摄，拍摄的区域为拟建设的高速公路沿线300～500m，此外还将建设项目所在地、临时场站、弃土场、临时便道等场地。为了提高成图的准确性，在摄影时可以适当地降低飞行高度和速度，并在合适的天气条件下进行摄影，以保证充足的光照，太阳的角度应该超过45°，而影子不应该超过1倍。
4.3 三维实景成像
利用ContextCapture对GIS后期的数据进行了处理。ContextCapture是一个完整的三维建模软件，功能齐全，能够迅速地为不同的基础结构工程提供真实的三维模型，利用倾斜摄影技术对影像进行拍照，并依据影像参数、控制点等相关信息，计算、输出对应的 GIS结果，为工程全局控制和后期深度处理提供依据。尤其注重画面的清晰度、对比性、色彩饱和、色彩鲜艳、色彩均匀，而且同一功能部件的色彩也基本一样，而且层次更加丰富，该系统能够识别出符合地面分辨率的小型地面目标，并能构建出清晰的立体模型。在拍摄时要尽量避免出现片状云、大面积烟雾、阴影、镂空等问题，以保证后续数据的正确性。有缺漏或不符合规定的，要补录[4]。
4.4 使用效果评价
利用无人机的倾斜拍摄，利用3D的实景建模技术，对重点项目周边进行了真实的模拟，让专业人士可以从高空俯瞰，全面掌握工程的真实地形，为以后的施工组织提供了科学、直观、高效且合理的决策依据，使施工的工作效率得到了很大的提升。
通过建立该模式的坐标和高程数据，可以有效地解决项目区地形复杂、地势陡峭等问题，同时，也能减少工作中的危险，增加工作的效率。充分运用三维真实场景，完整直观地记录地表河流、植被和农田，在设置临时设施时，能够正确避开上述区域，从而有利于环境保护，并为绿色公路的建设提供依据。利用虚拟现实的3D数字实景，把工程的实体和周边的环境融合在一起，形成一个电子的沙盘，充分展现项目区域的全景，方便项目管理各个层次的沟通、交流、传达与落实。
在BIM技术中运用摄影测量技术，可以充分发挥其优势，为有关人士提供大范围的真实地理环境，并为专业人士提供准确的地理信息资料。目前BIM技术发展到目前为止，三维和BIM的结合还存在着转化环境和转化标准不一致的问题，会造成原资料的疏漏或差错，无法达到良好的非破坏性转化与融合，这也是BIM技术快速发展所迫切需要解决的问题。
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