基于實景三維模型地形圖要素提取方法及應(yīng)用檢驗

羅 浩，馮 藝，邵茂亮，嚴(yán)曉玲

(1.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司， 四川 成都 610051; 2.成都遠(yuǎn)石信息技術(shù)有限公司， 四川 成都 620500)

1 概 述

隨著無人機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，無人機(jī)航測已成為生產(chǎn)大比例尺地形圖的主要手段，具有成本低、效率高、機(jī)動性好等優(yōu)點，在災(zāi)后應(yīng)急測繪、小范圍內(nèi)的大比例尺地形圖測繪等工作中發(fā)揮了重大作用。

傾斜攝影技術(shù)的出現(xiàn)，為大比例尺測圖提供了新的解決方案，擺脫了以往垂直攝影的局限，在同一飛行平臺上同時搭載多個不同角度的傳感器，從多個角度(前、后、左、右、下)采集影像。傾斜攝影與垂直攝影相結(jié)合，同時得到地面地物的頂部和側(cè)面的紋理信息，獲取的實景三維模型成果更接近真實場景，使用基于模型1 ∶1 000地形圖要素的矢量繪圖平臺，有效避免了傳統(tǒng)作業(yè)方式強(qiáng)度大、效率低、周期長、重復(fù)測量等弊端，提升了生產(chǎn)效率。

2 傾斜攝影生產(chǎn)實景三維模型作業(yè)方案

2.1 設(shè)備及軟件

無人機(jī)傾斜影像獲取利用多旋翼無人機(jī)搭載五拼傾斜相機(jī)進(jìn)行航攝，由5個SONY LICE-5100相機(jī)組裝而成，每個相機(jī)像幅大小為6 000×4 000像素，配備旋翼地面站系統(tǒng)。實景三維模型制作采用Bently ContextCapture軟件進(jìn)行空中三角測量及全自動三維建模。地形圖采用EPS 2012地理信息工作站進(jìn)行地形圖要素提取及圖形編輯。圖1是大疆M-600型無人機(jī)，圖2 是航攝傳感器。

圖1 大疆M-600型無人機(jī)

圖2 航攝傳感器

2.2 作業(yè)流程

根據(jù)無人機(jī)傾斜攝影測量的技術(shù)特點及相關(guān)要求制定作業(yè)流程，主要包括：項目準(zhǔn)備、航空攝影、像片控制測量、實景三維建模、數(shù)據(jù)采集、編輯、成果提交等內(nèi)容，生產(chǎn)流程如圖3所示。

圖3 作業(yè)流程

3 案例分析

3.1 測區(qū)概況

測區(qū)位于四川省涼山藏族自治州木里藏族自治縣芽祖鄉(xiāng)，地處雅礱江流域，測區(qū)內(nèi)最高海拔2 290 m，最低海拔1 850 m，總面積約0.6 km2，測區(qū)內(nèi)植被覆蓋類型交錯復(fù)雜，地勢陡峭。本次測圖作為傾斜攝影1 ∶1 000地形圖生產(chǎn)應(yīng)用對象，全要素采集房屋、道路、農(nóng)田、坡坎等地形圖基本要素。

3.2 實施步驟

3.2.1 無人機(jī)航空攝影及像控測量

3.2.2 自動三維建模

傾斜攝影無需相機(jī)檢校及影像畸變糾正，通過自動建模軟件自動完成影像配準(zhǔn)，人工像控刺點，自動空三平差，空三解算完成后，利用空三成果自動三維建模及映射紋理，獲取實景三維模型后可直接用于數(shù)據(jù)采集(見圖4～7)。

表1 無人機(jī)傾斜攝影信息

傾斜攝影實景三維模型影像質(zhì)量良好，分辨率高、紋理清晰、無大面積噪聲、拉花，依據(jù)模型可多角度、多尺度瀏覽，并進(jìn)行距離、面積、體積等測量。

3.2.3 地形圖要素采集

以EPS 2012地理信息繪圖軟件為地形圖要素采集平臺，利用傾斜攝影模型進(jìn)行高精度大比例尺地形數(shù)據(jù)的矢量采集工作，無需佩戴立體眼鏡，根據(jù)三維模型直接定位地物要素的三維信息。軟件內(nèi)置地類地物屬性模塊實現(xiàn)要素分類、編碼分類，實現(xiàn)二三維顯示一體化、符號一體化、編輯一體化，最后經(jīng)整理編輯形成1 ∶1 000數(shù)字地形圖，如圖8、9所示。

圖4空三匹配高密度點云

圖5測區(qū)三維模型

圖6測區(qū)內(nèi)建筑

圖7道路、植被及山體

圖8 房屋、道路輪廓提取

圖9 地面高程點提取

3.3 精度分析

3.3.1 測量精度要求

根據(jù)《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》(CH/Z 3003-2010)，1 ∶1 000數(shù)字線劃圖的地物點對附近野外控制點的平面位置中，誤差不應(yīng)大于1.2 m(平地、丘陵)、1.6 m(山地、高山地)；高程注記點的高程中誤差不應(yīng)大于1.0 m(平地、丘陵)、2.0 m(山地、高山地)。

2) 當(dāng)不確定加箱或減箱事件發(fā)生時見圖2b)，進(jìn)入下一階段t=t+1，更新集裝箱序列和船舶貝內(nèi)箱位序列，減箱事件對應(yīng)的集裝箱c4和箱位p6從序列中被刪除，加箱事件對應(yīng)的集裝箱c7被添加到集裝箱序列。

3.3.2 成果精度檢測

項目成果采用全野外數(shù)字化實測檢查點與傾斜攝影內(nèi)業(yè)提取成圖成果對比的方法進(jìn)行精度檢測，所有檢查點均使用油漆做標(biāo)識或采用明顯地物點，成果精度檢查內(nèi)容包括：平面精度和高程精度，精度分析如表2所示。

表2 精度分析

由以上可知，基于實景三位模型提取的1 ∶1 000地形圖測繪精度明顯優(yōu)于規(guī)范要求。

3.3.3 誤差原因分析

(1)原始像片分辨率受限引起的航攝誤差。由于無人機(jī)傾斜攝影受地理條件局限、安全飛行高度影像以及設(shè)備精度等綜合因素制約，可能造成原始像片分辨率不足。因此，通過優(yōu)化航飛參數(shù)(降低航高、使用長焦鏡頭等)，提高像片地面分辨率，進(jìn)而提高數(shù)據(jù)成果精度。

(2)自動空三加密匹配引起的模型誤差。數(shù)據(jù)影像進(jìn)行空三匹配時，因傾斜影像的航攝比例尺不一致、分辨率差異、地物遮擋等因素導(dǎo)致獲取的數(shù)據(jù)中含有較多的粗差，影響到后續(xù)空三解算的精度。高精度匹配成為傾斜攝影測量中的關(guān)鍵性技術(shù)，目前可通過人工干預(yù)方式將空三成果優(yōu)化到最佳。

(3)人工采集操作產(chǎn)生的誤差。人工采集產(chǎn)生的誤差是基于傾斜攝影實景三維模型提取地形要素的重要誤差來源，某一地物在不同角度時會因視差造成采集要素的不準(zhǔn)確，需要作業(yè)員根據(jù)模型變換不同角度進(jìn)行調(diào)整。提高作業(yè)員操作經(jīng)驗和熟練程度，可提高采集成果的精度。

4 應(yīng)用成果

本次生產(chǎn)應(yīng)用案例證明，應(yīng)用這種三維采集新方法，可基本滿足1 ∶1 000數(shù)字線畫地形圖測圖的精度要求，能有效提升測繪生產(chǎn)效率，使地形圖精度和工期得到保障。同時也反映出使用三維模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，與傳統(tǒng)外業(yè)實測地形圖相比，大大減少了外業(yè)工作量，節(jié)約了許多外業(yè)成本，且對作業(yè)員要求相對較低；與常規(guī)攝影測量立體測圖相比較存在以下優(yōu)勢。

4.1 優(yōu)勢分析

(1)降低了安全風(fēng)險。以往需進(jìn)行地形測量的部位，或山高、路遠(yuǎn)、坡陡或有毒蛇出沒，大大增加了作業(yè)人員的安全風(fēng)險。采用無人機(jī)航拍代替?zhèn)鹘y(tǒng)地形測量方法后，作業(yè)人員可以預(yù)先設(shè)計好飛行路線，就近找到安全的操作平臺進(jìn)行操作，降低了測量人員測量過程中的安全風(fēng)險。

(2) 提高精度。進(jìn)行地形測量現(xiàn)場工作，很難對所有的點全面覆蓋，一般采用特征點進(jìn)行地形測量，遇到大樹或建筑物遮擋，還不便于棱鏡架設(shè)。采用無人機(jī)航拍三維地形提取的地形圖，通過除噪方式消除樹木或建筑物遮擋影響，并匹配高密度點云數(shù)據(jù)，提高了測量精度。

(3) 其他優(yōu)點。①空三加密人工干預(yù)較少。②在三維模型上測圖，不需要立體顯示器、立體眼鏡及手輪腳盤等立體采集設(shè)備，從而降低了成本。③可采集到房屋主體結(jié)構(gòu)，無需房檐改正；各類坡坎易于分辨，裸露地表可精確采集；房屋層數(shù)可內(nèi)業(yè)識別并標(biāo)注。

4.2 存在的難點

基于無人機(jī)傾斜攝影模型提取地形要素為大比例尺地形圖測繪提供了一種新的方法，同時也存在很多難點。

(1)對于電桿、路牌、獨立樹等桿狀地物識別度較低。

(2)由于高分辨率傾斜影像數(shù)據(jù)量大，地表植被覆蓋區(qū)域及建筑物復(fù)雜密集等區(qū)域數(shù)據(jù)提取困難，加大內(nèi)業(yè)處理工作量。

5 結(jié)論與展望

由于無人機(jī)的成本及可控性、安全性等各項指標(biāo)越來越完善，無人機(jī)應(yīng)用將趨于普及狀態(tài)，隨著航攝影像采集方案的優(yōu)化以及傾斜攝影技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于實景三維模型的大比例尺測圖將具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

(1)可在電站蓄水發(fā)電前，對整個庫區(qū)及周邊進(jìn)行全方位航拍，獲取DEM信息，并提取1 ∶1 000地形圖，可獲取變形庫岸原始地形資料，同時可以復(fù)核庫容參數(shù)，提高工作效率。

(2)無人機(jī)地形圖可提取剖面圖，用于不穩(wěn)定庫岸及建筑物邊坡的變形監(jiān)測。