无人机摄影测量技术在峡谷地形桥隧施工中应用研究

张军 高月波 付绍强

（中国水利水电第十四工程局有限公司，云南昆明 650041）

1 无人机倾斜摄影测量概述

摄影测量技术是指将具有一定重叠度的照片经过数字解析与处理后，使照片具有空间尺度度量的能力。在无人机上搭载云台和相机，按摄影测量解算对照片重叠度的要求对被测区域进行多方向拍照。经过摄影测量处理后，可以逆向构建出地形的三维模型，该方法被称为倾斜摄影测量[1-2]。倾斜摄测量影的原理如图1 所示。倾斜摄影按主光轴倾斜角可分为：①垂直影像：t<5°；②轻度倾斜影像：5°30°；④水平视角影像：t+α>90°。影像匹配是倾斜摄影测量基本问题，目前，随着消费级无人机的发展，无人机可自带RTK（Real-time kinematic）载波相位差分器，可以实现相机位置达到厘米级的定位精度，这将极大降低影响匹配的误差，并得到全局高精度地理坐标系下的实景模型。

2 施工现场倾斜摄影测量

2.1 工程概况

宜宾至昭通高速公路彝良（海子）至昭通段，路线起于昭通市彝良县海子镇K144+910，止于昭通市昭阳区北闸镇K237+600，全长93Km。全线按双向四车道高速公路标准设计，设计时速80Km/h，路基宽度24.5m。

桥址区海拔高程介于975～1640m（次级分水岭）之间，相对高差达665m，桥位处微地貌属于窄路沟河谷、右岸I 级阶地及左岸斜坡，地形起伏较大，右岸地形较陡为岩质陡崖，桥位跨越窄路沟右岸I 级阶地并顺河床右岸而行。

2.2 设备选取

为满足施工现场峡谷区域地形拍摄及桥隧结构全方位数据采集的要求，选取具有仿地拍摄功能的大疆精灵Phantom 4 RTK设备，实时动态差分法（Real-time kinematic，RTK）能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度,可以满足多种条件下航测拍摄，对于高差悬殊，环境恶劣的地区具有较好的航拍效果。（图1）

图1 精灵4RTK 无人机

2.3 无人机现场数据采集

兼顾数据采集效率和数据生产效率两个方面，在影像重叠度设计时，一般航向重叠度为70%，旁向重叠度为70%[3]。具体飞行步骤如下：

（1）飞行前应向有关航空部门申请飞行区域的许可。

（2）结合测区地形以及影像用途，设置航线高度、像片重叠度、曝光时间间隔以及飞行区域等参数。

（3）数据检查工作，对采集到的影像应进行以下检查：影像的清晰度、色调是否一致；影像是否有阴影以及反光，是否有漏拍情况等。

（4）对于质量不满足要求的区域进行补测，保证初始数据满足后期建模要求。

3 峡谷桥隧施工现场三维模型建立

对采集到的影像数据采用ContextCapture 建模，建模流程如下所示：

（1）工程准备，在ContextCapture 中创建工程文件，对导入的影像数据进行完整性及一致性检查，包括影像的排序以及相机的姿态等进行检查。

（2）在测区内设置5 个像控点，使用油漆喷涂在墙体、石头、马路等不易损坏的硬质对象上。采用手持RTK 获取像控点的精确坐标。像控点用于提高影像的配准精度和检验最终模型的测量误差。

（3）空中三角测量采用Photoscan 软件进行，Photoscan 相对于ContextCapture 具有更强的稳定性。将配准后的相机文件导入到ContextCapture 中，进行像控点的设置。在ContextCapture 中再次提交影像配准计算。该方法尤其适用于高山峡谷地形等复杂场景下的的影像配准。

（4）影像配准完成后，可进行密集点云的计算。该步骤是精细解算重叠照片中的同名点，获得构建3D 精细几何模型的海量点坐标。对点云进行三角网格封装，即可获得实景模型的曲面几何模型（白模）。进一步，将照片的纹理映射在白模上，得到了与现场高度一致的实景模型。

（5）在建成实景模型中，提取出像控点，并与实测点坐标进行对比，获得该实景模型的在地理坐标系下的绝对误差。

4 倾斜摄影测量技术在桥隧施工中的应用

4.1 桥隧连接区域地形的精准测绘

通过采用前文所述的无人机倾斜摄影建模方法，可以得到1:500 的精细地形模型。将该模型生成地表曲面点云。点云中包含4000 万个坐标点，每个点具有准确的地理坐标，如图2 所示。

图2 桥隧连接区域点云模型

在点云模型中，可以按照任意的剖切线进行2D 地形曲线的绘制，如图3 所示。在桥隧连接区域，沿垂直于道路轴线的方向在不同的位置进行剖切，得到的精确的地形曲线如图4 所示。基于这些精确的地形曲线，可实现精准的施工便道设计、施工临时措施设计。这在传统的技术中是难以实现的。

图3 剖切线

图4 地形剖面图

4.2 构件尺寸校核

在实景模型基础上，对构件几何尺寸信息进行量测，同时与现场数据实测结果对比，如表1 所示，其中D 表示现场实测数据与实景模型量测值误差对比结果，从表中计算结果可知，对于构件的尺寸测量，实景模型量测误差在1cm 左右；对于构件的定位量测误差也能控制在4cm 以内，量测结果可作为参考数据提供给施工方。

图5 构件尺寸量测

4.3 施工方案超前预演及比选优化

通过由实景模型生成的地形曲线与设计地形曲线对比，发现桥隧连接处设计图纸地形与实景地形存在显著的差异，这是在高山峡谷区域桥隧施工中普遍面临的难题。这将导致桥隧连接处桥梁设计跨径小于实际跨径，从图6 中可明显看出，桥台无法搭接到边坡处。

图6 施工方案预演及分析

通过所提出的方法获得精确的地形3D 模型和地形曲线后，及时反馈到设计单位，经设计单位调整后，满足现场实际地形需要，调整后效果如图7 所示。该应用成果表明，无人机倾斜摄影及地形生成技术，可以快速发现设计中存在的问题，并加快了设计变更进程，避免了材料的浪费和返工。仅该项，为项目节省综合成本约300 万。

图7 施工方案优化

5 结论

本文以宜宾至昭通高速公路某段桥隧施工现场数据为依托，探讨了无人机摄影测量技术在峡谷地形桥隧施工中应用，同时对无人机倾斜摄影数据采集的原理以及模型建立的流程进行了详细论述，基于此，总结出以下几点应用优势：

（1）现场全要素信息的可视化，为制定施工计划提供了直观的数据支持。

（2）实景模型具有较高量测精度，同时支持三维空间量测及分析，为现场测绘人员提供制图及测绘依据。

（3）对于人员不便前往的区域，如桥底以及陡坡地段，为现场提供较高时效性的环境及工程情况信息。

（4）施工方案的超前预演及对比优化，及时发现不合理之处，提前调整方案减少不必要损失。