無人機傾斜攝影測量技術(shù)在大范圍地形圖測繪中的應(yīng)用

王代雄 劉雨生

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院,廣東 廣州 510060)

0 引言

常規(guī)測繪技術(shù)手段如全站儀和實時動態(tài)測量(real time kinematic,RTK)等效率低、成本高,已經(jīng)無法滿足大范圍1∶500地形圖測繪項目的實際需求[1]。隨著無人機技術(shù)的快速發(fā)展,基于無人機傾斜攝影測量生成實景三維模型的新型測繪方法,憑借高效率、低成本的優(yōu)勢,逐漸被應(yīng)用于地形圖測繪工作中[2-3]。

國內(nèi)外學(xué)者對無人機傾斜攝影測量在地形圖測繪中的應(yīng)用進行了大量的研究。宋媛媛等一批學(xué)者[4-6]研究使用了無人機傾斜攝影測量進行大比例尺地形圖測繪,精度滿足規(guī)范要求,測圖效率較傳統(tǒng)數(shù)字測圖大幅提高。孫德厚等[7]提出多傳感器傾斜攝影測量的空三精度明顯高于單傳感器。王瑩等[8]通過實例分析,建議以“傾斜實景三維模型為主,立體像對為輔”的方法開展水電工程大比例尺地形圖測繪項目。顧廣杰等[9]論述了無人機傾斜攝影測量過程中,從航攝準備到數(shù)據(jù)處理整個作業(yè)流程的技術(shù)標準,具有一定的參考價值?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn),這些研究對三維模型的生產(chǎn)過程研究較為深入,但對于三維模型和地形圖成果的精度檢測還不夠充分。

本文研究了無人機傾斜攝影測量生成三維模型的原理和方法,基于三維模型對廣州市某區(qū)113 km2的測區(qū)進行1∶500地形圖繪制,并對三維模型和地形圖成果進行充分的精度檢測。

1 無人機傾斜攝影測量

1.1 飛行準備

開展無人機外業(yè)航攝前,需要做好準備工作,包括野外像控點布設(shè)、航飛設(shè)計、飛行前檢查等。

1.1.1像控點布設(shè)

像控點布設(shè)是確?？杖馑憔鹊年P(guān)鍵,也是1∶500地形圖測繪的基礎(chǔ)[10]。布設(shè)像控點必須清晰可辨,且不能過小,否則影響后期刺點工作,像控點的布設(shè)可以采用地面刷漆或貼醒目膠紙的方式。像控點布設(shè)位置一般選在相鄰像片重疊區(qū)域內(nèi),若無法達到要求,也應(yīng)均勻布設(shè)在測區(qū)范圍內(nèi)。

1.1.2航飛設(shè)計

航飛設(shè)計主要涉及航攝高度和航攝重疊度[11]。各機型無人機相對航高可按式(1)計算。

H=f×Dgs/α

(1)

式中,H表示攝影航高,單位為m;f表示鏡頭焦距,單位為mm;α表示像元尺寸,單位為mm;Dgs表示地面分辨率(ground sample distance,GSD),單位為m。

依據(jù)現(xiàn)行國家標準《傾斜數(shù)字航空攝影技術(shù)規(guī)程》和實際經(jīng)驗,航向重疊度在70%～80%,旁向重疊度在60%以上,可以確保獲得較好的航攝結(jié)果。為保證測區(qū)邊緣地物能夠完整顯示于像片內(nèi),還需對航線進行適量外擴[9],外擴寬度可按式(2)計算。

L=H1×tanθ+(H2-H3)+L1

(2)

式中,L指外擴距離;H1指相對航高;θ指相機傾斜角;H2指攝影基準面高度;H3指測區(qū)邊緣最低點高度;L1指半個像幅對應(yīng)的水平距離。

1.2 飛行實施

完備的飛行準備會極大程度地提高航飛效率,在天氣良好的時間段開展航飛,航飛手必須具備相應(yīng)飛行資質(zhì),作業(yè)期間。對飛機、傾斜相機等主要設(shè)備和電源系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)進行定期檢查,使其保持良好工作狀態(tài)。注意機體上各部位螺母的檢查和飛控系統(tǒng)的測試。飛行結(jié)束應(yīng)及時檢查像片質(zhì)量。

1.3 實景三維模型構(gòu)建

獲取航飛數(shù)據(jù)后,需要對傾斜數(shù)據(jù)進行預(yù)處理,包括定位定向系統(tǒng)(position and orientation system,POS)數(shù)據(jù)解算和傾斜影像色彩調(diào)整等。利用POS數(shù)據(jù)、像控點坐標和傾斜影像,按照最小二乘法函數(shù)開展空三計算。精確的空三處理結(jié)果是進行三維建模的基礎(chǔ)[12-13]。

經(jīng)過空中三角測量計算,可以獲取傾斜影像數(shù)據(jù)航空攝影時刻的外方位元素,并獲得影像中加密點在物方空間坐標系中的坐標。本文使用兩次空三計算方法對計算結(jié)果進行有效控制,第一次粗略空三計算后,檢查特征點的三維視圖是否正確,如果出現(xiàn)明顯的像控點平面或高程誤差過大、三維視圖和航帶有分層或交叉現(xiàn)象,繼續(xù)提交空三計算或剔除畸變影像,直到三維視圖正確。接著進行像控點穿刺,再次進行空三計算,可以精確地根據(jù)控制點進行平差調(diào)整。此方法可以提高空三計算的效率,避免空三計算出錯后重復(fù)穿刺像控點。

基于空中三角測量成果,可以重建三維模型。為了便于運算的任務(wù)分配,根據(jù)計算機的性能將整個建模項目分解成多個瓦片進行單獨的建模,分瓦片需保證數(shù)據(jù)任務(wù)的期望內(nèi)存值小于處理該任務(wù)的計算機可用內(nèi)存?？杖\算后根據(jù)生成的連接點構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)(triangulated irregular network,TIN),然后生成白體三維模型,并根據(jù)空間位置關(guān)系從影像中自動獲取并映射與白模對應(yīng)的紋理,構(gòu)建完整的三維模型[14],總體流程見圖1。

圖1 實景三維模型構(gòu)建流程

2 實驗及分析

在廣州某區(qū)開展1∶500地形圖測繪,測區(qū)總面積約113 km2。測區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候,熱源豐富,無霜期長,雨量充沛范圍。測區(qū)內(nèi)地形地貌復(fù)雜多樣,北部以丘陵山地為主,海拔最高240 m左右,南部為平緩的沖積平原及島礁,海拔高度在10 m以下,建有密集的城市居民區(qū),也存在大范圍的河汊和水庫等,若采用常規(guī)方法測量難度較大,本項目采用無人機傾斜攝影測量生產(chǎn)三維模型,基于三維模型繪制1∶500數(shù)字地形圖。

2.1 儀器設(shè)備及軟件

(1)垂直起降固定翼無人機:華測P330。

(2)傾斜攝影五鏡頭(有效像素4 240萬,像元尺寸4.5 μm,圖像分辨率7 952 px×5 304 px)。

(3)無人機數(shù)據(jù)處理軟件:Smart3D,三維測圖軟件全球統(tǒng)計數(shù)據(jù)/分析平臺(economy prediction system,EPS)。

2.2 無人機航攝

在測區(qū)范圍內(nèi)均勻布設(shè)345個像控點,像控點均采用地面刷墻面漆的方式制作而成,樣式為直角標志,寬度不小于0.2 m,長度不小于0.5 m。像控點測量采用廣州市連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)綜合系統(tǒng)(GZCORS)-實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)(real-time kinematic,RTK),坐標采用廣州2000坐標系。航攝地面分辨率優(yōu)于0.05 m,各項飛行參數(shù)見表1。

表1 飛行參數(shù)表

無人機外業(yè)飛行共23個架次,有效飛行面積約134 km2。飛行期間為晴天,通視條件良好。共獲取相片6 821 140張,數(shù)據(jù)范圍滿足測區(qū)需要,無遺漏、無缺失;預(yù)處理后的影像層次豐富,色調(diào)均勻,反差一致;無嚴重噪聲;無扭曲;影像邊緣均勻;影像無質(zhì)量問題,POS信息齊全。

2.3 實景三維模型輸出

使用Smart3D軟件生產(chǎn)數(shù)據(jù)時采用兩次空三加密方法[9-10],首先導(dǎo)入無人機采集的影像數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)進行第一次空三加密,在第一次空三加密基礎(chǔ)上,加入像控點信息,再次進行空三加密處理。

將空三成果提交建模任務(wù),通過劃分模型格網(wǎng),采用多組圖形處理器(graphics processing unit,GPU)同步生產(chǎn)模型數(shù)據(jù)。部分模型效果見圖2。

圖2 三維模型效果

為檢驗三維模型的精度[15],采用鋼尺量邊、間距作為高精度檢測,利用全站儀實測明顯地物點平面坐標及高程如房角、井蓋、路燈等,作為同精度觀測,將實測數(shù)據(jù)作為真值,與內(nèi)業(yè)三維模型做比較,統(tǒng)計其中誤差作為模型的數(shù)學(xué)精度檢測結(jié)果。

本文采用《數(shù)字地圖測繪技術(shù)規(guī)程》DB4401/T 31—2019關(guān)于數(shù)字地形圖測繪的精度要求,見表2,此為廣州市地方標準,其精度要求高于國家標準《城市測量規(guī)范》CJJ/T 8—2011。

表2 地物點精度要求 單位:m

平面坐標和高程為同精度觀測,故平面和高程中誤差限差為0.212 m,地物間距中誤差限差仍為0.100 m。

根據(jù)規(guī)范,實際工作中一般以兩倍限差作為極限誤差以控制精度。在三維模型中均勻、隨機選取足量地物點和間距統(tǒng)計誤差,將誤差結(jié)果與兩倍限差即極限誤差進行比較,統(tǒng)計區(qū)間分布情況見表3。最終統(tǒng)計得到三維模型地物點中誤差為0.038 m,間距中誤差為0.036 m,高程中誤差為0.057 m,均滿足規(guī)范要求。

表3 三維模型精度檢測表

2.4 1∶500地形圖繪制

將三維模型導(dǎo)入EPS三維測圖軟件中,直接根據(jù)模型裸眼采集地形要素,對房屋、圍墻、井蓋、道路等地形地物采集特征點的同時,賦予相應(yīng)的編碼,見圖3。實驗過程發(fā)現(xiàn),一些被樹木遮擋的地物,無法準確采集地形要素,只能通過傳統(tǒng)數(shù)字測圖方法進行外業(yè)調(diào)繪[16]。

(a)平面圖

1∶500地形圖繪制完畢后,隨機抽取30%以上的圖幅進行數(shù)學(xué)精度檢測,包括地物點坐標、高程以及間距檢查,檢測方法采用高精度全站儀進行外業(yè)實測,每幅圖檢查數(shù)量不少于20點(邊),檢測結(jié)果見表4。

表中結(jié)果顯示,項目檢測地物點11 160個,點位中誤差為0.060 m;檢測地物點間距共10 371條,間距較差中誤差為0.042 m;檢查地物點高程11 758個,高程較差中誤差為0.076 m。只存在少量粗差點,屬于正常情況,地圖精度總體符合規(guī)范要求。

2.5 工作效率及成本

以三維模型內(nèi)業(yè)采集作為主要的工作方式,大比例尺地形圖測繪的工期和成本較傳統(tǒng)方法都將發(fā)生顯著的改變。統(tǒng)計本實驗的工期和成本,與同區(qū)域早期(全野外數(shù)字測圖方法)地形圖測繪項目進行比較,見表5,可以明顯看出無人機傾斜攝影測量技術(shù)的使用大大提高了工作效率、節(jié)省成本。

表5 工期及成本

3 問題及經(jīng)驗

無人機傾斜攝影測量對地形圖測繪有極大的應(yīng)用價值,但實際工作中同樣存在一些問題,對此本文總結(jié)了一些經(jīng)驗。

(1)飛行前進行合理的航飛設(shè)計十分重要,將航向重疊度設(shè)置在70%～80%,旁向重疊度設(shè)置在60%以上,既可以滿足精度需求,也可以節(jié)省飛行時間。

(2)布設(shè)的像控點務(wù)必清晰、穩(wěn)定,對于大范圍測圖,實際航飛工作基本不會在像控點布設(shè)完立刻實施,所以將像控點布設(shè)在穩(wěn)定、開闊的區(qū)域至關(guān)重要。地面貼紙由于存在反光的現(xiàn)象,采用刷漆方式適用性會更強。

(3)無人機傾斜攝影測量技術(shù)在地形圖測繪中的應(yīng)用必須有高精度的控制測量和導(dǎo)線測量作為精度保證,包括像控點坐標的測量,可采用RTK三級控制點進行控制測量和布設(shè)像控點。

4 結(jié)論

本文研究分析了無人機傾斜攝影測量的基本原理和工作流程,并在廣州市某區(qū)113 km2的測區(qū)開展實地實驗,得出以下結(jié)論:

(1)基于無人機傾斜攝影測量生成的實景三維模型,精度可以達到數(shù)字地形圖測繪的規(guī)范要求,且流程簡單,易于實際應(yīng)用。

(2)利用實景三維模型采集地形要素,繪制1∶500數(shù)字地形圖,在大范圍測區(qū)的應(yīng)用中,可以大幅提高測繪工作效率,并顯著降低工作成本,具有極強的應(yīng)用價值。

(3)目前基于三維模型的內(nèi)業(yè)繪圖主要依靠人工操作,未來可以優(yōu)化機器識別及自動繪圖的算法,進一步提升地形圖測繪的效率。