基于免像控無人機傾斜攝影測量的實景模型裸眼三維測圖研究

張文春 范洪洋 林 楠

(吉林建筑大學測繪與勘查工程學院 吉林長春 130118)

0 引言

無人機航攝系統(tǒng)是通過無人機搭載傳感器設備，對作業(yè)區(qū)進行外業(yè)航飛獲得成果數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理獲得日常所用的數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字線劃圖(DLG)和數(shù)字三維模型等產(chǎn)品[1]。與傳統(tǒng)的無人機測繪相比，免像控無人機傾斜攝影技術的發(fā)展與應用，進一步完善了無人機的作業(yè)方式，該技術通過無人機低空飛行，利用多鏡頭數(shù)碼相機攝影獲取高分辨率和多方位的影像數(shù)據(jù)，通過相應的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件自動生成三維數(shù)字模型，從而實現(xiàn)地理信息的及時獲取。

傾斜攝影技術主要是從多角度、多方位的方面對地物進行信息的采集，從三維的角度獲得更多地形信息，在數(shù)字測圖方面得到了廣泛的應用。免像控技術是應用在無人機測繪技術領域的一項重要手段，可以克服諸多限制因素的存在而造成的影像質(zhì)量較差等問題。同時，應用于航空測繪技術中不需要三方軟件的參與，有效地提高了數(shù)字化成圖的效率。獲取的POS數(shù)據(jù)精度較高，省去了外業(yè)布置像控點的工作，只需輸入基站點坐標后經(jīng)過照片的對齊、密集點云的建立、網(wǎng)格的生成、紋理的生成等處理，即可生成DEM、DOM、DLG、DRG等4D數(shù)字產(chǎn)品[2-3]。

1 免像控技術概況

1.1 免像控技術

在現(xiàn)代化測繪技術中無人機航攝系統(tǒng)是重要的新型測繪技術，該技術具有較高的影像數(shù)據(jù)分辨率及工作效率。但由于該技術的測繪成果質(zhì)量高低受控于無人機的飛行狀態(tài)、天氣因素等，導致了測繪精度較低[4]?；诖?，將RTK模塊融入無人機航空攝影技術，即實現(xiàn)航攝免像控，可以在獲得高密度、高精度航空制圖像控點的同時，有效地提高測繪精度和整體測繪成果的質(zhì)量[2]。

1.2 免像控無人機系統(tǒng)

配有動態(tài)差分GPS、慣性測量單元(IMU)、地面參考站等設備的免像控無人機系統(tǒng)作為新型的無人機遙感技術被廣泛關注。由于野外航拍照片自帶實時坐標信息，實現(xiàn)了野外航測作業(yè)，減少了野外圖像控制點的作業(yè)步驟，提高了野外航測作業(yè)效率。首先，對航攝的影像與空中姿態(tài)所記錄的信息進行配準。其次，導入到后處理軟件Agisoft Photoscan中自動實現(xiàn)DOM、DSM的生產(chǎn)及空中三角測量的解算等。與傳統(tǒng)的布設像控點的無人機系統(tǒng)相比，免像控無人機航測系統(tǒng)具有效率高、機動性強、免像控控制和自動處理等重要特點。無人機可以實現(xiàn)超低空飛行和高分辨率圖像數(shù)據(jù)采集。配備免像控無人機的數(shù)字GPS和IMU，實現(xiàn)了照片數(shù)據(jù)的自動處理、DOM和DSM的自動生成以及對空三解算數(shù)據(jù)的生產(chǎn)。免像控無人機系統(tǒng)主要由系統(tǒng)硬件設備、影像處理系統(tǒng)、信息分析系統(tǒng)等組成，具有高度集成、一體化高度融合的特點。

(1)系統(tǒng)硬件設備，包括無人機飛行平臺、飛行控制系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、發(fā)射與回收系統(tǒng)；遙感任務設備、任務設備穩(wěn)定裝置、影像位置和姿態(tài)采集系統(tǒng)等。

(2)影像處理系統(tǒng)，包括影像數(shù)據(jù)快速檢查、糾正、拼接；以及DOM、DSM等產(chǎn)品的快速生產(chǎn)等。

(3)信息分析系統(tǒng)，包括信息提取、信息分析、報告自動生成、數(shù)據(jù)管理與檢索等[3]。

1.3 無人機影像數(shù)據(jù)的處理

采集到的航攝數(shù)據(jù)，經(jīng)航攝系統(tǒng)自動預處理后導入與之對應的軟件平臺進行處理，根據(jù)目標任務設置坐標系、投影方法、中心子午線和數(shù)據(jù)處理精度，并根據(jù)目標任務輸出相應的格式數(shù)據(jù)，滿足項目設計的基本要求。圖像處理，是通過排序完成，以得到DEM、DOM、EPT和DSM等數(shù)據(jù)，通過圖像拼接和分幅得到最終的成果圖。

2 基于實景模型繪制地形圖

2.1 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理基于EPS平臺，主要包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、模型加載、數(shù)據(jù)采集檢查以及數(shù)據(jù)導出等，步驟如圖1所示。

圖1 EPS數(shù)據(jù)處理方法

2.2 實景模型數(shù)據(jù)的加載

2.2.1OSGB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

建立索引文件對Smart 3D處理后的模型直接進行加載。通過菜單工具欄選擇三維測圖的OSDB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，導出傾斜攝影產(chǎn)生的data文件目錄(瓦片數(shù)據(jù))與metadata.xml文件生成DSM實景表面模型[4-9]。

2.2.2加載本地模型

由于實景模型裸眼三維測圖需有相應的實景模型支持，所以在三維測圖中選擇加載本地傾斜模型。實景表面模型即OSGB轉(zhuǎn)換后生成DSM文件，如圖2～圖3所示。

圖2 讀取本地模型文件

圖3 本地模型加載

2.3 繪圖編輯

該試驗基于EPS軟件平臺，分別對房屋、道路、植被、斜坡、獨立地物等5種地類以及等高線進行繪圖。

(1)房屋的繪制：該項目繪制房屋采用的方法為“以面代點”，采集清晰面上的任意一點自動擬合計算出房角點。在繪圖過程中，軟件支持房層、地面等選擇。錄入房屋結構和樓層后建立立體白膜，如圖4所示。運用此方法完成校園內(nèi)學生公寓等建筑物的繪制。

圖4 立體白模

(2)道路的繪制：采用道路支路邊線方法，在實景模型上繪制道路邊界線后自動生成道路平行線，如圖5所示。

圖5 生成道路平行線

(3)植被的繪制：繪制一個閉合的區(qū)域作為植被邊界后對植被構面進行選擇，系統(tǒng)自動生成二三維植被符號，直到植被數(shù)據(jù)與實景模型相吻合(即植被數(shù)據(jù)邊界與實際植被地物邊界相吻合)。運用此方法完成的校園內(nèi)草坪、花壇、果園以及樹林的繪制，如圖6所示。

圖6 植被的繪制

(4)斜坡的繪制：在采集邊緣線后系統(tǒng)將自動生成二三維斜坡符號，斜坡數(shù)據(jù)與實景模型相吻合。調(diào)整斜坡美觀，保證坡上線和坡下線都有節(jié)點，并在節(jié)點位置進行調(diào)整，如圖7所示。

圖7 道路的繪制

(5)獨立地物的繪制：獨立地物包括井蓋、路燈等設施。利用加點功能通過底圖的地物繪制獨立地物，如圖8所示。

圖8 獨立地物的繪制

(6)等高線的繪制:首先，利用已有高程點構建三角網(wǎng)，其次，根據(jù)三角網(wǎng)生成等高線[10-13]，完成測區(qū)的小山丘，如圖9所示。

圖9 根據(jù)三角網(wǎng)生成等高線

3 精度分析

為了檢驗基于三維模型量測地形圖的可行性和精度，本次實驗在試驗區(qū)采用RTK技術均勻量測一些特征點，包括平面和高程點各50個點。以這些實地量測的檢查點坐標作為已測地形圖的檢核點的方法，進行地形圖的高程精度分析如圖10所示，以及地形圖的平面精度分析如表1所示。

圖10 高程誤差分布

表1 高程精度m

點號實測高程刺點高程高程誤差Δh21234.679234.685-0.0060.000 036 2233.915233.8960.0190.000 361 3233.604233.5840.020.000 400 4233.175233.1580.0170.000 289 5233.375233.381-0.0060.000 036 6233.483233.4710.0120.000 144 ……………48240.568240.5570.0110.000 121 49240.055240.066-0.0110.000 121 50244.518244.547-0.0290.000 841

4 結語

該項目以無人機傾斜攝影測量為理論基礎，以吉林建筑大學北校區(qū)為例，分析了在無人機傾斜攝影測量三維模型的基礎上進行裸眼測量，繪制地形圖所能達到的精度水平。以數(shù)字傾斜三維模型為數(shù)據(jù)源，通過EPS(地理信息工作站)軟件，繪制了測區(qū)的數(shù)字地形圖和建筑單體模型。通過外業(yè)實測部分檢查點得出:抽樣檢查點平面點位中誤差為0.034m，高程點位中誤差為0.017m，點位中誤差滿足1∶500比例尺的測圖精度要求。結果表明，實景模型裸眼三維測圖能用于1∶500地形圖的生產(chǎn)，該項目的研究方法雖為地形圖的批量生產(chǎn)提供了新的思路，但測圖精度有待提高，須后續(xù)進一步研究。