基于高精度实景三维模型的公路纵横断面生成方法.pdf

第4 6卷第5期2 0 2 3年9月现 代 测 绘M o d e r nS u r v e y i n ga n dM a p p i n gV o l.4 6,S e p t.,2 0 2 3 第一作者简介:苏杰,工程师,研究方向为倾斜摄影测量技术。通讯作者简介:苏炜清,助理工程师,研究方向为地理信息系统应用。基于高精度实景三维模型的公路纵横断面生成方法苏 杰1,苏炜清2,慕 炀1,白巧丽1(1.兰州天润四方工程技术有限公司,甘肃 兰州7 3 0 0 5 0;2.南京师范大学地理科学学院,江苏 南京2 1 0 0 2 3)摘 要 道路纵横断面测量是道路测量工作的重要内容,道路纵横断面测量数据是道路勘测设计的必要基础数据,是计算道路填挖方工程量的依据。利用无人机低空摄影测量技术,构建道路高精度实景三维模型,在此基础上进行道路中线提取和横断面提取。根据纵断面和横断面上的坡度变化情况提取坡度变换点,实现公路纵横断面的自动生成,通过数据格式转换,将纵横断面数据导入公路设计软件,进行道路平、纵、横设计。实验证明,该方法在我国西部山区的道路勘测中具有明显的技术优势,极大减少了野外工作量,降低了野外测量成本,提高工作效率,缩短勘测设计周期,同时能提高困难测区纵横断面测量的精度。关键词 低空摄影测量;实景三维;纵横断面测量中图分类号:P 2 3 1;U 4 1 2 文献标志码:A 文章编号:1 6 7 2-4 0 9 7(2 0 2 3)0 5-0 0 3 5-0 30 引 言近年来随着无人机倾斜摄影测量技术的快速发展,以其得天独厚的技术优势,广泛应用于众多行业,同传统测绘技术相比而言,无人机倾斜摄影技术效率更高、成本更低、方式更灵活,应用前景也更为广阔1-4。倾斜摄影实景三维模型具有真实直观、可量测、精度高的优点,可以进行放大、缩小、移动、多角度观看等操作,无须到达现场,便可身临其境了解现场情况5-9。本文依地形较为复杂的省道S 5 8 3三级公路勘测设计为例,全面了解利用无人机倾斜摄影测量技术构建的实景三维模型在公路带状地形图采编、优化设计方案、纵横断面数据采集等方面的应用,为类似项目提质、降本、增效提供借鉴,为进一步拓展无人机倾斜摄影实景三维模型的应用积累经验。1 无人机倾斜摄影实景三维模型的构建省道S 5 8 3线路线起于沙木多黄河大桥东侧,与已建成的G 3 4 5线相接,路线基本沿黄河北岸布设,途径夏木塔沟口、乃合桥乎、东木若、塔玛沟口、张茂河、荷含拉地、当茂河至本项目终点木西合乡乡政府驻地赞格尔塘,路线全长4 5.0 1 3k m。总体走向由 东 向 西,设 计 标 准 为 三 级 公 路,路 基 宽 度7.5m。1.1 航摄分区划分航摄区位于甘肃省甘南州玛曲县,线路走向东西偏北,南面紧邻黄河,北面紧靠高山,平均海拔在35 0 0m以上。由于航摄区东西跨度大、高差大,根据摄区内地形及线路走向,总共分5 1个航摄分区,平均宽度4 0 0m,平均长度10 0 0m,航摄分区划分如图1所示。图1 无人机航摄摄区划分图1.2 像片控制点布设根据航摄分区及带状图成图精度要求,本测区共设计2 2 8个像控点,3 0 0个检测点。不同摄区间最少布设一对像控点,像控点沿线路两边布设,垂直线路方向,尽量远离线路中线布设,沿线路走向间距小于2 0 0m。像控点采用航飞前布设地标的形式。像控点采用喷涂和彩布2种方式,像控点布设如图2所示。图2 像控点布设略图1.3 无人机倾斜摄影实景三维模型构建流程实景三维模型的构建1 0包括内业、外业两个阶段,其工作流程如图3所示。图3 实景三维模型构建流程图1.4 实景三维建模本项目采用两台消费级无人机大疆精灵P h a n-t o m 4P r o,倾斜摄影获取数码影像资料2 14 2 8张,由于测区高差大,为保证模型精度,影像航向重叠度设计为8 0%,旁向重叠度设计为8 0%,最低点地面分辨率为0.0 5m,采用C o n t e x tC a p t u r eM a s t e r3 D三维建模软件。实景三维建模过程包括数据准备、空三加密、建模3个环节。数据准备主要是整理航飞影像数据、相机文件、P O S数据以及像控点数据。空三加密是实景三维建模的核心环节之一,为提高成果的位置精度水平,需要将外业采集像控点数据转刺点到对应的像片,要求各个视角均选刺一定数量的像片。刺点完成后,运行空三加密,软件自动进行多视角影像密集匹配、区域网平差,确定像片之间的位置对应关系。基于原始影像数据和空三成果,经三维T I N构建、自动纹理映射等流程,生产制作实景三维模型及其派生数据。1.5 模型精度检查实景三维模型建成后,对航飞区均匀布置的3 0 0个检测点采集坐标数据,和实测数据进行比对,平面中误差为0.0 3 2m,高程中误差为0.0 8 4m,达到1 10 0 0地形图要求。2 道路纵横断面的自动提取实景三维模型是倾斜摄影测量的产品之一,在公路勘测设计中主要有如下几方面的应用。2.1 地形图采编利用实景三维模型采集、编辑地形图1 1-1 2是倾斜摄影测量的核心技术,倾斜摄影测量技术发展迅速,软硬件成熟,已被广泛应用,这里不再进行赘述。2.2 公路定线S 5 8 3线是既有旧路升级改造项目,在尽量利用旧路的基础上按三级公路标准进行设计,线路设计方面的主要工作有加宽路基、裁弯取直、降低纵坡,以满足三级公路的平纵技术指标,完成定线测量。本项目为旧路升级改造,大部分路段选线定线不存在困难,有好几段临河路段选线定线存在较大困难,考虑的主要因素有路基稳定性、工程量及工程造价,而借助实景三维模型选线定线,能很好的解决最优线路的选定,在满足路基稳定及技术指标的情况下,从实景三维模型上采集纵横断面数据进行线路方案比选,优化平纵横设计,使所选线路更经济,工程量最小,从而降低工程造价。如图4所示路段,旧路左侧临河、右侧靠山(线路方向从东到西),受地形及黄河岸线的限制,线路中线沿山坡行走。这种情况下确定最优线路,可在实景三维模型上采集此路段中具有限制线位且满足设计宽度的横断面中心点,在这些点的连线上进行平纵横设计,即可找到最经济的线位,也是最优线路。图4 局部路段结合实景三维定线图2.3 纵横断面数据采集纵横断 面 数 据 采 集 传 统 方 法 是 外 业 实 测 或D TM上提取,如图5、图6路段,外业实测纵横断面数据是相当困难的,好多测点人员根本无法到达,测量人员和仪器设备安全极难保证,工作效率低下。而从D TM提取纵横断面数据也存在横断面上缺失高程变化点现象,影响数据质量,另外数据转换成公路设计软件所要求的数据格式自动化程度不高。从实景三维模型上采集纵横断面数据就很直观,身临现场,每条横断面上的高程变化点逐点采集,也可根据设计需要加桩加点都很方便,所有纵横断面数据采集完成,检查后导出纵横断面数据,用软件直接转换成公路设计软件所要求的数据格式。图5 局部路段纵断面生成效果图63现 代 测 绘 第4 6卷图6 局部路段横断面生成效果图3 结 语倾斜摄影测量快速生成的三维实景模型在西部山区的道路勘测设计中发挥越来越重要的作用,成功解决了地形复杂、道路崎岖地域地面数据获取的难题,可代替人工实地采集纵、横断面数据等测量工作。在低等级公路测量中,提高了测量精度,降低了测量成本,并缩短了勘察设计周期。为项目的提质、降本、增效提供了解决思路,为公路勘察设计提供参考。参考文献1 付博,陈姗,张俊.无人机倾斜摄影测量技术在三维数字城市建模中的应用J.湖南工业大学学报,2 0 1 9,3 3(5):7 9-8 3.2 黄骞,代成,张金海,等.倾斜摄影技术在公路勘察设计中的应用初探J.公路,2 0 1 8,6 3(3):1 7 0-1 7 4.3 杨国东,王民水.倾斜摄影测量技术应用及展望J.测绘与空间地理信息,2 0 1 6,3 9(1):1 3-1 5,1 8.4 王旭,陶鹏.倾斜摄影测量技术在高速公路建设中的应用J.工程与建设,2 0 1 9,3 3(6):9 3 1-9 3 2,9 3 7.5 陈志华,张俊贤,张克铭,等.云南高速公路无人机倾斜摄影测量实景三维模型建立方法改进及精度提高J.测绘通报,2 0 1 9(S 1):2 7 5-2 7 9.6 冯雪峰.无人机单镜头倾斜摄影测量的精度研究D.唐山:华北理工大学,2 0 1 8.7 国家测绘局.低空数字航空摄影规范:CH/Z_3 0 0 5-2 0 1 0S.北京:中国标准出版社,2 0 1 0.8 陈明杰.无人机倾斜摄影测量三维建模及模型可视化研究D.西安:西安科技大学,2 0 1 9.9 曹帅帅.无人机倾斜摄影测量三维建模的应用试验研究D.昆明:昆明理工大学,2 0 1 7.1 0 刘森.倾斜摄影三维建模技术流程及案例分析J.科技资讯,2 0 1 7,1 5(3 0):1,3.1 1 黎其添.基于倾斜摄影测量的大比例尺地形图测绘及精度评定J.测绘通报,2 0 1 9(S 1):1 4 3-1 4 6,1 5 0.1 2 陈姣.无人机航摄系统测绘大比例尺地形图应用研究D.昆明:昆明理工大学,2 0 1 3.M e t h o do fG e n e r a t i n gC r o s sS e c t i o no faH i g h w a yB a s e do nH i g h-P r e c i s i o nR e a l-T i m e3 D M o d e lS UJ i e1,S UW e i-q i n g2,M UY a n g1,B A IQ i a o-l i1(1.L a n z h o uT i a n r u n s i f a n gE n g i n e e r i n gT e c h n o l o g yC o.L t d.,L a n z h o uG a n s u7 3 0 0 5 0,C h i n a;2.N a n j i n gN o r m a lU n i v e r s i t yS c h o o l o fG e o g r a p h y,N a n j i n gJ i a n g s u2 1 0 0 2 3,C h i n a)A b s t r a c t R o a dc r o s s-s e c t i o nm e a s u r e m e n t i sa n i m p o r t a n t a s p e c to f r o a ds u r v e y i n gw o r k.T h ed a t ao b t a i n e df r o mr o a dc r o s s-s e c t i o nm e a s u r e m e n t ss e r v e sa se s s e n t i a lf o u n d a t i o n a ld a t af o rr o a ds u r v e y i n ga n dd e s i g n,a s w e l la sf o rc a l c u l a t i n gt h ee a r t h w o r kq u a n t i t i e s i n v o l v e d i nr o a dc o n s t r u c t i o n.I n t h i sp a p e r,t h eu s eo f l o w-a l t i t u d e a e r i a l p h o t o g r a mm e t r y t e c h n i q u e sw i t hu n m a n n e da e r i a l v e h i c l e s(UAV s)i se m p l o y e dt oc o n s t r u c th i g h l ya c c u r a t et h r e e-d i m e n s i o n a lm o d e l so fr o a de n v i r o n m e n t s.B a s e do nt h e s em o d e l s,t h ee x t r a c t i o no fr o a dc e n t e r l i n e sa n dc r o s s-s e c t i o n si sc o n d u c t e d.B ya n a l y z i n gt h es l o p ev a r i a t i o n sa l o n gt h e l o n g i t u d i n a l a n dt r a n s v e r s ep r o f i l e s,p o i n t so fs l o p et r a n s i t i o n sa r ei d e n t i f i e d,e n a b l i n gt h ea u t o m a t i cg e n e r a t i o no fr o a dc r o s s-s e c t i o n s.T h r o u g hd a t af o r m a tc o n v e r s i o n,t h ec r o s s-s e c t i o nd a t ai si m p o r t e di n t oh i g h w a yd e s i g ns o f t w a r et of a c i l i t a t e t h ed e s i g no f r o a da l i g n m e n t s,p r o f i l e s,a n dc r o s s-s e c t i o n s.E x p e r i m e n t a l r e s u l t sh a v ed e m o n s t r a t e dt h a t t h i sm e t h o de x h i b i t ss i g n i f i c a n tt e c h n i c a la d v a n t a g e si nr o a ds u r v e y i n gw i t h i n m o u n t a i n o u sr e g i o n so fw e s t e r nC h i n a.I tg r e a t l yr e d u c e sf i e l d w o r k,l o w e r ss u r v e y i n gc o s t s,i m p r o v e sw o r ke f f i c i e n c y,s h o r t e n st h es u r v e y i n ga n dd e s i g nc y c l e,a n de n h a n c e st h ea c c u r a c yo f c r o s s-s e c t i o nm e a s u r e m e n t s i nc h a l l e n g i n gt e r r a i n.K e yw o r d s l o w-a l t i t u d ep h o t o g r a mm e t r y;t h r e e-d i m e n s i o n a l s c e n e;v e r t i c a l a n dc r o s s-s e c t i o n a lm e a s u r e m e n t73第5期苏 杰等:基于高精度实景三维模型的公路纵横断面生成方法