貼近攝影測(cè)量在塑石造景表面積測(cè)量中的應(yīng)用

葉超，江華，楊鵬，胡耀文，李昌振

(重慶市長(zhǎng)壽勘測(cè)規(guī)劃院，重慶 401220)

1 引 言

近年來，隨著綜合國(guó)力的發(fā)展，城市中的各類裝飾美化工程增加，如塑石等，其造價(jià)高，造型復(fù)雜，對(duì)其工程量(表面積)進(jìn)行驗(yàn)收時(shí)精度要求高，驗(yàn)收時(shí)使用傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)已無法完成驗(yàn)收。在新興技術(shù)中，貼近攝影測(cè)量三維建模和三維激光掃描點(diǎn)云逆向建模技術(shù)均能生產(chǎn)出高精度模型成果，且后期可根據(jù)模型成果計(jì)算其表面積[1，2]，但介于三維激光掃描儀價(jià)格昂貴，對(duì)復(fù)雜造型表面掃描設(shè)站難度大、不易掃描完整等特點(diǎn)，且塑石造景為人工修建，表面無植被覆蓋等特點(diǎn)，所以本次項(xiàng)目采用小型無人機(jī)進(jìn)行貼近攝影測(cè)量，來完成三維精細(xì)模型的生成和表面積計(jì)算的目標(biāo)。因小型無人機(jī)價(jià)格便宜，方便靈活，最終可達(dá)到低投入、高收益、高效率的驗(yàn)收途徑。

本文將以某社區(qū)公園塑石造景為例，研究基于貼近攝影測(cè)量技術(shù)生產(chǎn)精細(xì)三維模型并完成表面積計(jì)算的方法，再采用GPS實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)與利用地面站掃描儀抽樣掃描點(diǎn)云逆向建模并完成表面積計(jì)算的方式來驗(yàn)證貼近攝影測(cè)量生產(chǎn)的模型的精度。

2 貼近攝影測(cè)量

2.1 貼近攝影測(cè)量的原理

貼近攝影測(cè)量方法是利用已知的或常規(guī)攝影影像重建的初始地形信息生成三維航跡，并以近距離(5 m～ 30 m)貼近地面(如滑坡、大壩、高邊坡等坡類地表)或者物體表面(如高大建筑物)進(jìn)行自動(dòng)飛行，對(duì)于無人機(jī)無法到達(dá)的區(qū)域則進(jìn)行手控和手持無人機(jī)補(bǔ)拍，從而高效獲取覆蓋拍攝對(duì)象的亞厘米級(jí)甚至毫米級(jí)超高分辨率影像，進(jìn)而通過攝影測(cè)量處理實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精細(xì)化三維重建[3，4]。其中“從無到有”“由粗到細(xì)”的工作策略和基于初始地形的三維航跡規(guī)劃的自動(dòng)智能貼近飛行技術(shù)并輔以手控和手持補(bǔ)拍的“人機(jī)協(xié)同”策略是本方法的關(guān)鍵技術(shù)。本方法克服了當(dāng)前難以近距離獲取攝影對(duì)象超高清影像的困難，可實(shí)現(xiàn)精細(xì)化三維重建。

2.2 影像數(shù)據(jù)獲取

本次項(xiàng)目采用大疆PHANTOM4 Pro無人機(jī)搭載FC6310R相機(jī)進(jìn)行低空攝影，測(cè)區(qū)布設(shè)了4個(gè)控制點(diǎn)，為了提高三維模型的精度和分辨率，本次外業(yè)航攝采用多層飛行，最終篩選1488張影像用來進(jìn)行建模。

多層飛行記錄：

高空飛行層：航向重疊85%，旁向重疊80%，相對(duì)航高 60 m，GSD精度 1.6 cm。

高低空連接層：航向重疊85%，旁向重疊80%，相對(duì)航高 40 m，GSD精度 1.1 cm。

低空飛行層：手工拍攝，相對(duì)航高15 m，GSD精度 0.40 cm。

地面遠(yuǎn)景層：手持拍攝，距離 30 m，GSD精度 0.8 cm。

地面近景層：手持拍攝，距離 15 m，GSD精度 0.4 cm。

2.3 影像數(shù)據(jù)過程處理

本次影像處理使用的是ContextCapture軟件，其中包括：影像預(yù)處理，空三加密，控制點(diǎn)導(dǎo)入及刺點(diǎn)，檢查點(diǎn)導(dǎo)入及刺點(diǎn)，自動(dòng)空三計(jì)算，模型分塊重構(gòu)。具體步驟如圖2所示：

圖1 貼近攝影測(cè)量原理圖

圖2 ContextCapture空三建模流程

ContextCapture軟件自動(dòng)空三計(jì)算，將相機(jī)參數(shù)、影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)進(jìn)行多視角影像特征點(diǎn)密集匹配，并以此進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)的自由網(wǎng)多視影像聯(lián)合約束平差解算，建立在空間尺度可以適度自由變形的立體模型，完成相對(duì)定向。

將外業(yè)測(cè)定的像片控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)在內(nèi)業(yè)環(huán)境中進(jìn)行刺點(diǎn)，利用像控點(diǎn)對(duì)已有區(qū)域網(wǎng)模型進(jìn)行約束平差解算，將區(qū)域網(wǎng)納入精確的大地坐標(biāo)系統(tǒng)中，完成絕對(duì)定向。

圖3 空三精度

2.4 模型重建

將空三后的成果數(shù)據(jù)直接提交生產(chǎn)三維TIN格網(wǎng)構(gòu)建、白體三維模型創(chuàng)建、自助紋理映射和三維場(chǎng)景構(gòu)建。最終輸出obj格式的總體模型用于后期的模型編輯和表面積計(jì)算，如圖4所示。

圖4 obj格式的模型

同時(shí)貼近攝影測(cè)量通過多層飛行獲得的極高的模型細(xì)節(jié)輕而易見，為表面積的計(jì)算精度打下了良好基礎(chǔ)，如圖5所示。

圖5 模型細(xì)節(jié)

3 模型整理及表面積計(jì)算

Geomagic Studio是Geomagic公司的一款逆向軟件產(chǎn)品，可根據(jù)通過掃描點(diǎn)點(diǎn)云自動(dòng)生成準(zhǔn)確的數(shù)字模型，且具有對(duì)數(shù)字模型強(qiáng)大的編輯能力，本次研究主要通過其模型編輯能力來獲得精細(xì)的純塑石造景模型，最終完成表面積計(jì)算的過程。

3.1 模型除噪

塑石造景上有小型的植被，生產(chǎn)出的模型會(huì)增加表面積，可通過ContextCapture生產(chǎn)obj格式的模型，再導(dǎo)入Geomagic Studio刪除小型植被的三角格網(wǎng)，再利用補(bǔ)洞功能修補(bǔ)產(chǎn)生的漏洞，提高塑石表面模型與實(shí)際的一致性，如圖6、圖7所示。

圖6 模型除噪前

圖7 模型除噪后

3.2 模型邊界編輯

要獲得塑石造景的表面積，就必須刪除塑石以外的所有模型。Geomagic Studio具有曲線裁剪功能，能根據(jù)手工繪制的曲線對(duì)塑石造景以外的模型進(jìn)行裁剪，便于下一步直接進(jìn)行塑石表面積計(jì)算，如圖8所示。

圖8 裁剪后的塑石模型

3.3 表面積計(jì)算

在所得了純塑石造景模型后，就可以使用Geomagic Studio多邊形分析工具里的“計(jì)算面積”，“曲面面積”功能計(jì)算其表面積，如圖9所示。

圖9 表面積計(jì)算工具

4 精度分析

4.1 模型精度檢驗(yàn)

在塑石造型內(nèi)部均勻選擇了52個(gè)特征點(diǎn)，并將GPS野外實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)與貼近攝影測(cè)量模型獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，結(jié)果如下：

(1)

式中：Mh—模型的高程中誤差(m)；

n—檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)；

△hi—檢查高程與模型高程的較差

檢查點(diǎn)高程中誤差符合GB50026-2020工程測(cè)量規(guī)范要求，如圖10、表1所示。

圖10 檢查點(diǎn)分布

檢查點(diǎn)高程誤差統(tǒng)計(jì)表 表1

4.2 表面積精度檢驗(yàn)

為驗(yàn)證表面積的精度，本次實(shí)驗(yàn)通過抽樣同一范圍的貼近攝影測(cè)量模型表面積與徠卡RTC360掃描儀所獲取的點(diǎn)云逆向建模表面積進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示。

表面積比較 表2

例：貼近攝影測(cè)量建模表面積統(tǒng)計(jì)：16.75 m2

圖11 攝影測(cè)量建模表面積模型

掃描點(diǎn)云逆向建模表面積統(tǒng)計(jì)：16.85 m2

圖12 點(diǎn)云逆向建模表面積模型

5 結(jié) 論

本文就無人機(jī)貼近攝影測(cè)量技術(shù)在塑石造景表面積測(cè)量中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論：

(1)在塑石造景這類無植被覆蓋的情況，貼近攝影測(cè)量利用小型無人機(jī)具有小巧靈活，造價(jià)低，高效率等特點(diǎn)來完成任務(wù)，對(duì)比三維激光掃描優(yōu)勢(shì)明顯。

(2)塑石造型復(fù)雜，如使用傳統(tǒng)傾斜攝影測(cè)量，會(huì)由于航高較高，照片分辨率低，導(dǎo)致生產(chǎn)的三維模型精度不夠，細(xì)節(jié)不夠，局部會(huì)出現(xiàn)拉花現(xiàn)象，本次使用的貼近攝影測(cè)量通過高重疊率及高中低分辨率多層飛行，完美解決了模型細(xì)節(jié)的問題，使后期的表面積統(tǒng)計(jì)更加準(zhǔn)確。

(3)基于貼近攝影測(cè)量技術(shù)生產(chǎn)三維精細(xì)模型，用該模型再進(jìn)行表面積計(jì)算，其模型精度在 5 cm之內(nèi)，模型抽樣檢測(cè)塊誤差在1%之內(nèi)，證明了無人機(jī)貼近攝影測(cè)量技術(shù)在塑石造景表面積測(cè)量中的應(yīng)用的可行性。