無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用

周小杰，胡振彪，喬新

(1.青島市勘察測(cè)繪研究院，山東 青島，266032；2.海陸地理信息集成與應(yīng)用國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，山東 青島 266032)

1 引 言

近年來(lái)迅速發(fā)展的無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)，具有機(jī)動(dòng)靈活、作業(yè)高效迅速、可高頻監(jiān)測(cè)關(guān)鍵區(qū)域以及成本低廉等特點(diǎn)，在應(yīng)急保障和小區(qū)域地形圖測(cè)繪領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢(shì)[1～3]。但無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)搭載的單一普通數(shù)碼相機(jī)，獲取的影像畸變嚴(yán)重，傾斜角和旋偏角較大，同時(shí)普通數(shù)碼相機(jī)，像幅偏小，導(dǎo)致小的基高比。由于普通數(shù)碼相機(jī)以上這些缺點(diǎn)，采用傳統(tǒng)航測(cè)生產(chǎn)方式很難滿足大比例地形圖測(cè)繪的要求。

本文通過(guò)無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)搭載傾斜相機(jī)，采用傾斜攝影的方式獲取高重疊度影像數(shù)據(jù)，利用自動(dòng)實(shí)景三維建模和三維模型立體量測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)免外業(yè)調(diào)繪的高精度大比例尺地形圖測(cè)繪，并通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此技術(shù)路線的可行性。

2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影

測(cè)區(qū)位于青島市高新區(qū)溝角村，屬于丘陵地形。外業(yè)航空攝影通過(guò)四旋翼無(wú)人機(jī)，搭載2個(gè)SONY 7R微單相機(jī)，與垂直方向成45°夾角，南北和東西航線各飛一次，獲取地物側(cè)面紋理；再搭載1個(gè)SONY 7R微單相機(jī)進(jìn)行一次垂直攝影，獲取地物頂面紋理。設(shè)計(jì)航線相對(duì)航高 120 m，航向和旁向重疊度分別為80%、75%，整個(gè)測(cè)區(qū)21條航線，630張影像。為輔助后續(xù)數(shù)據(jù)處理，測(cè)區(qū)采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)模式，布設(shè)13個(gè)外業(yè)像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)區(qū)域范圍及像控點(diǎn)的布設(shè)如圖1所示。

圖1 測(cè)區(qū)概況及像控點(diǎn)布設(shè)

3 實(shí)景三維模型建立及大比例地形圖測(cè)繪

本文通過(guò)無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)搭載傾斜相機(jī)，采用傾斜攝影的方式獲取測(cè)區(qū)的影像數(shù)據(jù)，利用自動(dòng)建模的技術(shù)構(gòu)建實(shí)景三維模型；在構(gòu)建的實(shí)景三維模型基礎(chǔ)上，通過(guò)三維立體量測(cè)技術(shù)，采集地物地貌特征點(diǎn)、線、面，最后通過(guò)內(nèi)業(yè)編輯的方式制作地形圖，從而省去煩瑣的外業(yè)調(diào)繪工作，為快速制作大比例尺地形圖測(cè)繪提供一種新的解決方案。基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影的大比例尺地形圖測(cè)繪技術(shù)路線如圖2所示。

3.1 實(shí)景三維模型

本項(xiàng)目采用5個(gè)像控點(diǎn)解算，8個(gè)像控點(diǎn)進(jìn)行精度檢查，實(shí)景三維建模采用Smart3D軟件進(jìn)行制作，主要步驟如下：

圖2 基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影的大比例尺地形圖測(cè)繪技術(shù)路線

(1)構(gòu)建工程

加載影像數(shù)據(jù)，設(shè)置相機(jī)參數(shù)，編輯pos數(shù)據(jù)，引入控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)，建立好Smart3D工程，如圖3所示。本項(xiàng)目采用2個(gè)相機(jī)，需設(shè)置2個(gè)相機(jī)文件，分別有364張和266張影像；原始POS數(shù)據(jù)坐標(biāo)系為WGS1984，通過(guò)七參數(shù)模型及似大地水準(zhǔn)面補(bǔ)償模型轉(zhuǎn)換到西安1980平面、黃海1985高程系統(tǒng)下。采取區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)，解算控制點(diǎn)5個(gè)，檢查控制點(diǎn)8個(gè)。

圖3 smart3D工程文件

(2)傾斜攝影空中三角測(cè)量

如圖4所示，本項(xiàng)目采用區(qū)域網(wǎng)5點(diǎn)法布點(diǎn)，即四周4個(gè)控制點(diǎn)，測(cè)區(qū)中心1個(gè)控制點(diǎn)，用于解算傾斜攝影空中三角測(cè)量；同時(shí)布設(shè)8個(gè)檢查點(diǎn)以檢驗(yàn)空中三角測(cè)量的精度。通過(guò)空三加密處理，自由網(wǎng)的精度為1.82pix，像控點(diǎn)精度平面中誤差 0.033 m，高程中誤差 0.063 m；檢查點(diǎn)精度，具體精度見(jiàn)精度分析小結(jié)。

圖4 傾斜攝影空中三角測(cè)量

(3)三維實(shí)景模型生成

基于空中三角測(cè)量成果，進(jìn)行模型分塊，在分塊模型的基礎(chǔ)上，提取測(cè)區(qū)密集點(diǎn)云，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，建立三維模型；同時(shí)利用5鏡頭獲取的多角度紋理信息，自動(dòng)拼貼，得到測(cè)區(qū)實(shí)景三維模型，如圖5所示。

圖5 實(shí)景三維模型

3.2 大比例尺地形圖測(cè)繪

大比例地形圖測(cè)繪主要基于EPS無(wú)人機(jī)三維模塊，利用三維實(shí)景模型的空間量測(cè)功能，直接進(jìn)行地形、地物的采集工作。具體步驟如下所示。

(1)EPS軟件加載三維實(shí)景模型

在EPS無(wú)人機(jī)測(cè)量模塊中利用模型轉(zhuǎn)換功能將Smart3D生成的OSGB格式的模型轉(zhuǎn)換成DSM高程模型，然后加載DSM模型從而實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維模型的加載，如圖6所示。

圖6 EPS加載三維模型

(2)地形圖繪制

如圖7所示，基于三維實(shí)景模型的地形圖制作，借助模型的空間尺寸信息，直接進(jìn)行空間量算及采集，同時(shí)通過(guò)模型旋轉(zhuǎn)及多角度觀察等功能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)房檐改正，免去大量的外業(yè)實(shí)測(cè)及調(diào)繪工作，大大提高地形圖測(cè)繪的工作效率。

圖7 基于EPS繪制地形圖

4 精度分析

4.1 空中三角測(cè)量精度

由表1控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)的精度表可知，控制點(diǎn)水平中誤差為 0.007 m，高程中誤差為 0 m，點(diǎn)位中誤差 0.007 m，檢查點(diǎn)水平中誤差 0.038 m，高程中誤差 0.079 m，點(diǎn)位中誤差 0.088 m，空中三角測(cè)量精度較高，滿足大比例尺地形圖測(cè)繪需求。

像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)中誤差 表1

4.2 平面及高程精度

(1)平面精度

平面精度檢查采用RTK外業(yè)實(shí)測(cè)特征點(diǎn)和地形圖上的同名點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，具體精度統(tǒng)計(jì)表如表2所示。

平面坐標(biāo)精度統(tǒng)計(jì)表 表2

如圖8所示，總共22個(gè)平面精度統(tǒng)計(jì)的點(diǎn)，平面位置精度均小于 0.25 m，中誤差 0.144 m，滿足 1∶500大比例尺地形圖平面精度要求。

圖8 平面精度統(tǒng)計(jì)折線圖

(2)高程精度

高程精度檢查采用RTK外業(yè)實(shí)測(cè)特征點(diǎn)和地形圖上的同名點(diǎn)(可通過(guò)實(shí)景三維模型直接獲取)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，具體精度統(tǒng)計(jì)如表3所示。

高程精度統(tǒng)計(jì)表 表3

圖9高程精度統(tǒng)計(jì)折線圖

如圖9所示，總共35個(gè)平面精度統(tǒng)計(jì)的點(diǎn)，高程誤差均小于 0.1 m，最大高程誤差為 0.086 m，高程中誤差 0.034 m，滿足 1∶500地形圖高程精度要求。

5 結(jié) 論

本文給出了基于傾斜攝影技術(shù)測(cè)繪大比例尺地形圖的技術(shù)路線，并通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)精度分析，驗(yàn)證了此技術(shù)路線的可行性。同時(shí)借助實(shí)景三維的立體量測(cè)、任意視角等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)房檐改正、地形、地物全內(nèi)業(yè)繪制，避免了傳統(tǒng)地形圖外業(yè)調(diào)繪、補(bǔ)測(cè)等工作，為大比例地形圖測(cè)繪提供了一個(gè)新的解決方案。