優(yōu)視攝影測量在大比例尺地形圖修補(bǔ)測中的實(shí)踐

李勇,陳楓,邱亞軍

(1.浙江華東測繪與工程安全技術(shù)有限公司,浙江 杭州 310000; 2.深圳市規(guī)劃和自然資源調(diào)查測繪中心,廣東 深圳 581000)

0 引 言

大比例尺地形圖具有精度高、地形要素表示多且全面等的特點(diǎn),因此常常作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)用于規(guī)劃、管理、設(shè)計和建設(shè)[1-2]。如今城市建設(shè)得到快速發(fā)展,為保持城市地形圖的現(xiàn)勢性,滿足城鄉(xiāng)發(fā)展建設(shè)的需要,地形圖修補(bǔ)測工作顯得尤為重要[3]。傳統(tǒng)測繪作業(yè)的缺點(diǎn)制約著測繪行業(yè)的發(fā)展,它的缺點(diǎn)有作業(yè)人員勞動強(qiáng)度大、作業(yè)效率低、作業(yè)時間長、成本高以及測繪產(chǎn)品單一等。因此,包括無人機(jī)傾斜攝影在內(nèi)的測繪新技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛,在大比例尺地形圖修補(bǔ)測的工作中也得到了充分的應(yīng)用。然而,針對復(fù)雜城市場景中高層建筑所在區(qū)域高度變化大、樓棟間距小、遮擋嚴(yán)重等問題,傳統(tǒng)傾斜攝影提供的觀測仍然有限,很難進(jìn)一步提升三維重建模型的精度和完整性[4-5]。本文介紹的優(yōu)視攝影測量利用了傾斜攝影數(shù)據(jù),減少外業(yè)采集時間。

優(yōu)視攝影測量可依賴待測區(qū)域概略模型的三維幾何信息出發(fā),計算出精確三維重建所需的拍照視點(diǎn)(如圖1所示),進(jìn)入建筑間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,從來解決部分建筑物間由于傾斜攝影視線遮擋而產(chǎn)生的拍攝盲區(qū)。

圖1 拍照視點(diǎn)及方向

1 基于優(yōu)視攝影測量技術(shù)的地形圖測繪工藝流程

無人機(jī)搭載單鏡頭時,根據(jù)設(shè)定的角度,飛行過程中,在不同的時間點(diǎn)分別拍攝垂直于地面的正片和與地面形成一定角度的前、后、左、右方向的斜片,從而達(dá)到模擬多鏡頭傾斜攝影的目的[6]。無人機(jī)傾斜攝影的主要作業(yè)流程有作業(yè)前準(zhǔn)備及像控點(diǎn)布設(shè)、無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)采集、空三測量及三維建模、利用三維模型進(jìn)行大比例尺線劃圖繪制、調(diào)繪補(bǔ)測等。

優(yōu)視攝影測量是指利用目標(biāo)區(qū)域的概略模型,生成模型重建所需要的密集采樣初始視點(diǎn),再利用采樣點(diǎn)可重建性約束的視點(diǎn)優(yōu)化技術(shù),實(shí)現(xiàn)最小數(shù)據(jù)采集代價下的精確三維模型重建的技術(shù)[4]。優(yōu)視攝影測量是面向?qū)ο蟮臄z影測量技術(shù)模式,并遵循由粗到細(xì)的攝影采集策略,其拓展是基于可重建性判斷依據(jù),對目標(biāo)區(qū)域生成的航攝視角進(jìn)行自動優(yōu)化選取,從而形成最優(yōu)視點(diǎn)的有效規(guī)劃路徑提供給無人機(jī)進(jìn)行航飛數(shù)據(jù)采集[7]。

優(yōu)視攝影測量主要作業(yè)流程與傾斜攝影不同之處在于數(shù)據(jù)采集階段,即在無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)采集前需做以下工作:預(yù)飛行采集制作概略模型;生成采樣初始視點(diǎn);視點(diǎn)優(yōu)化及生成規(guī)劃路徑。其中概略模型可選用傾斜攝影照片快速建模獲得,優(yōu)視攝影測量應(yīng)用于地形圖測量的工藝流程如圖2所示。

圖2 優(yōu)視攝影測量技術(shù)應(yīng)用的工藝流程

2 應(yīng)用案例

2.1 測區(qū)概況

本次優(yōu)視攝影應(yīng)用于深圳市1∶1 000地形圖修補(bǔ)測工作,測區(qū)位于深圳市龍華區(qū),面積約 2.2 km2。前期利用深圳市地形圖修補(bǔ)測變化巡查軟件進(jìn)行變化地物調(diào)查,并上傳至深圳市新型基礎(chǔ)測繪工作平臺,確定了測區(qū)范圍內(nèi)有多個新建小區(qū)及商務(wù)中心等,變化地物面積約占測區(qū)面積的30%。測區(qū)內(nèi)最高建筑高約 170 m,相對高差約 110 m,建筑物間互相遮擋較多。

2.2 作業(yè)前準(zhǔn)備

收集測區(qū)資料,明確坐標(biāo)系統(tǒng)及高程基準(zhǔn),制定無人機(jī)航飛的技術(shù)方案(包括無人機(jī)、傳感器的選擇;地面分辨率、影像重疊度、飛行航高等的確定)及安全專項(xiàng)方案并申請了空域(踏勘時確定測區(qū)無禁飛區(qū))。

2.3 概略模型的快速生成

無人機(jī)飛行作業(yè)前首先布設(shè)像控點(diǎn),各像控點(diǎn)間距在 350 m左右,其坐標(biāo)及高程測量根據(jù)GNSS圖根控制測量的技術(shù)要求,采用網(wǎng)絡(luò)RTK模式接入SZBDCORS的方式進(jìn)行測量。外業(yè)無人機(jī)飛行階段,首次飛行利用M300無人機(jī)搭載禪思P1相機(jī)進(jìn)行智能擺拍測量數(shù)據(jù)采集,航向重疊度80%、旁向重疊度70%,采集的照片數(shù)量為 2 008張。使用戴爾圖形工作站以及RealityCapture軟件在作業(yè)現(xiàn)場對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速重建,耗時約 50 min,導(dǎo)出網(wǎng)格模型(*.obj格式)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)(*.xyz格式),用于優(yōu)視攝影航線規(guī)劃,生成的概略模型如圖3所示。

圖3 測區(qū)概略模型

2.4 優(yōu)視攝影與傾斜攝影結(jié)合航線規(guī)劃

優(yōu)視攝影航線規(guī)劃在蝶舞航測規(guī)劃系統(tǒng)中進(jìn)行,首先根據(jù)建筑安全距離及安全高度,以此來設(shè)定飛行區(qū)域的安全罩,用以保證飛行安全。在此基礎(chǔ)上設(shè)定采樣點(diǎn)重疊率為80%,航攝視距為 160 m(2 cm采集分辨率),設(shè)定最低飛行高度為 30 m,蝶舞航測規(guī)劃系統(tǒng)會自動計算出分辨率一致情況下所需采樣初始視點(diǎn),其中包括進(jìn)入高層建筑間所需的采樣初始視點(diǎn),基于以上設(shè)定生成初始視角點(diǎn) 17 259個。然后導(dǎo)入傾斜攝影的pos信息進(jìn)行優(yōu)化,獲得優(yōu)化視點(diǎn)以及最優(yōu)連接的飛行路線(如圖4所示),經(jīng)優(yōu)化后視角點(diǎn)(即航攝點(diǎn))數(shù)量 9 369個。最終根據(jù)視角分區(qū)聚類形成分區(qū)航線并進(jìn)行無人機(jī)航飛數(shù)據(jù)采集,本次采用單機(jī)分段航攝的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,大疆M300每架次飛行時間約 30 min,共飛行21架次(含傾斜攝影3架次),耗時3天。此外亦可根據(jù)規(guī)模及工期要求采用多機(jī)協(xié)同的方式進(jìn)行航攝(圖5中不同顏色的飛行路徑可分配給不同無人機(jī)進(jìn)行多機(jī)協(xié)同作業(yè)),可大幅壓縮外業(yè)作業(yè)時間。

圖4 初始視角點(diǎn)(紅色:傾斜視角,藍(lán)色:優(yōu)視視角)

圖5 優(yōu)視攝影優(yōu)化后的航測采集點(diǎn)及飛行路徑

2.5 三維模型重建

重建時將傾斜攝影照片與優(yōu)視攝影照片一同重建,兩者共拍攝影像 13 277張,無人機(jī)航攝期間天氣晴朗。經(jīng)檢查飛行POS數(shù)據(jù)完整;影像清晰,色調(diào)均勻,層次豐富,無遺漏缺失,滿足后續(xù)工作要求。本次利用Smart3D軟件經(jīng)空中三角測量后進(jìn)行三維模型重建工作,空三解算及相關(guān)像控點(diǎn)平差解算后精度很好,滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2.6 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集

選用idata_3D圖庫一體軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集工作。三維模型實(shí)現(xiàn)與實(shí)景一致,且數(shù)據(jù)采集軟件為祼眼3D采集,直接對地物特征輪廓、線狀地物進(jìn)行矢量測繪。從圖6的(a)、(b)中可以看出,在高層建筑底部的建模效果較好,可以滿足內(nèi)業(yè)采集的需求,從而極大地減少外業(yè)補(bǔ)測的工作,僅需對小部分通過影像判讀無法確認(rèn)屬性的內(nèi)容進(jìn)行調(diào)繪即可。

圖6 模型整體、局部效果

3 精度分析

本次優(yōu)視攝影生產(chǎn)的三維模型主要用于大比例尺地形圖采集,質(zhì)量檢查時參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范檢查指標(biāo),并考慮實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)質(zhì)檢的技術(shù)特點(diǎn),此次重點(diǎn)對模型精度進(jìn)行檢查分析。精度檢查包括平面位置、高程精度檢查,通過定量比對實(shí)測的檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)與之對應(yīng)位置實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)的差值,從而統(tǒng)計計算得出實(shí)景模型主體建筑物、構(gòu)筑物成果的幾何精度[8-9]。此外依據(jù)模型采集的地形圖根據(jù)文獻(xiàn)[10]的要求:主要地物點(diǎn)相對于鄰近控制點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不得大于 ±10 cm,次要地物相對于鄰近控制點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不得大于 ±15 cm;平坦地區(qū)高程點(diǎn)相對于鄰近控制點(diǎn)的高程中誤差不得大于 ±15 cm,鋪裝地面高程點(diǎn)相對于鄰近控制點(diǎn)的高程中誤差不得大于 ±7 cm,對地形圖精度進(jìn)行檢查。

本次實(shí)踐所生產(chǎn)的地形圖圖面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及整飭質(zhì)量經(jīng)現(xiàn)場核查需滿足文獻(xiàn)7的要求;實(shí)景三維模型以及地形圖精度檢查利用拓普康GPT-4002LN全站儀實(shí)地設(shè)站,采用極坐標(biāo)法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,其角度測量精度為2秒,有棱鏡測距精度為2 mm+2 ppm*D。作業(yè)時檢查點(diǎn)為隨機(jī)選取、均勻分布的主要地物點(diǎn)150個,鋪裝地面高程點(diǎn)57個,全部點(diǎn)均參與模型精度統(tǒng)計(其中參與地形圖精度統(tǒng)計主要地物點(diǎn)有67個,鋪裝地面高程點(diǎn)有33個)。根據(jù)文獻(xiàn)7中的精度統(tǒng)計要求,中誤差的計算公式為:

式中M△為中誤差;n為檢測點(diǎn)數(shù)量;△為檢測較差。經(jīng)統(tǒng)計和計算,三維模型與全站儀實(shí)測數(shù)據(jù)的平面較差最小值為 0.2 cm,最大值為 17.0 cm,高程較差的絕對值最小為 0.0 cm,絕對值最大為 15.0 cm,平面中誤差為 ±0.053 m,高程中誤差為 ±0.057 m,由此可見三維模型的精度較好,其具體統(tǒng)計表如表1所示;通過三維模型采集的地形圖數(shù)據(jù)與全站儀實(shí)測數(shù)據(jù)的平面較差最小值為 0.1 cm,最大值為 15.7 cm,高程較差絕對值最小為 0.3 cm,絕對值最大為 15.6 cm,平面中誤差為 ±0.057 m,高程中誤差為 ±0.062 m,平面精度和高程精度均滿足文獻(xiàn)[7]的要求,其具體統(tǒng)計表如表2所示。

表1 三維模型誤差統(tǒng)計表

表2 地形圖誤差統(tǒng)計表

4 結(jié) 語

通過本次工程實(shí)踐,優(yōu)視攝影測量的優(yōu)點(diǎn)在于:①優(yōu)視攝影測量技術(shù)在解決復(fù)雜城市場景中地物高度變化大、遮擋嚴(yán)重等問題時,可根據(jù)優(yōu)化的視角進(jìn)入高層建筑物間對建筑側(cè)面及底部的地物進(jìn)行拍攝,從根本上解決由此產(chǎn)生的分辨率不一致、模型缺失或拉花嚴(yán)重的問題;②在概略模型的基礎(chǔ)上設(shè)定的安全罩,可確保無人機(jī)的飛行安全;③極大地減少外業(yè)補(bǔ)測的工作;④其建模精度滿足 1∶1 000大比例尺地形圖測圖精度需要。相比于優(yōu)點(diǎn),其作業(yè)效率方面相較于傾斜攝影技術(shù)稍有不足,因而將兩者相結(jié)合用于大比例尺地形圖測量發(fā)揮各自優(yōu)勢,將會是復(fù)雜場景的大比例尺地形圖測量很好的解決方案,此外還可通過多機(jī)協(xié)同的作業(yè)方式提高工作效率。