無人機傾斜攝影測量技術在大范圍地形圖測繪中的應用

王代雄 劉雨生

(廣州市城市規劃勘測設計研究院,廣東 廣州 510060)

0 引言

常規測繪技術手段如全站儀和實時動態測量(real time kinematic,RTK)等效率低、成本高,已經無法滿足大范圍1∶500地形圖測繪項目的實際需求[1]。隨著無人機技術的快速發展,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、低成本的優勢,逐漸被應用于地形圖測繪工作中[2-3]。

國內外學者對無人機傾斜攝影測量在地形圖測繪中的應用進行了大量的研究。宋媛媛等一批學者[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,精度滿足規范要求,測圖效率較傳統數字測圖大幅提高。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,從航攝準備到數據處理整個作業流程的技術標準,具有一定的參考價值?？偨Y發現,這些研究對三維模型的生產過程研究較為深入,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113 km2的測區進行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

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

1.1.1像控點布設

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

1.1.2航飛設計

航飛設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。

依據現行國家標準《傾斜數字航空攝影技術規程》和實際經驗,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果。為保證測區邊緣地物能夠完整顯示于像片內,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指測區邊緣最低點高度;L1指半個像幅對應的水平距離。

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飛行資質,作業期間。對飛機、傾斜相機等主要設備和電源系統、記錄系統進行定期檢查,使其保持良好工作狀態。注意機體上各部位螺母的檢查和飛控系統的測試。飛行結束應及時檢查像片質量。

1.3 實景三維模型構建

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

經過空中三角測量計算,可以獲取傾斜影像數據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象,繼續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,可以精確地根據控制點進行平差調整。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分配,根據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,分瓦片需保證數據任務的期望內存值小于處理該任務的計算機可用內存?？杖\算后根據生成的連接點構建不規則三角網(triangulated irregular network,TIN),然后生成白體三維模型,并根據空間位置關系從影像中自動獲取并映射與白模對應的紋理,構建完整的三維模型[14],總體流程見圖1。

圖1 實景三維模型構建流程

2 實驗及分析

在廣州某區開展1∶500地形圖測繪,測區總面積約113 km2。測區屬亞熱帶季風氣候,熱源豐富,無霜期長,雨量充沛范圍。測區內地形地貌復雜多樣,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,也存在大范圍的河汊和水庫等,若采用常規方法測量難度較大,本項目采用無人機傾斜攝影測量生產三維模型,基于三維模型繪制1∶500數字地形圖。

2.1 儀器設備及軟件

(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)無人機數據處理軟件:Smart3D,三維測圖軟件全球統計數據/分析平臺(economy prediction system,EPS)。

2.2 無人機航攝

在測區范圍內均勻布設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運行衛星定位服務綜合系統(GZCORS)-實時動態載波相位差分技術(real-time kinematic,RTK),坐標采用廣州2000坐標系。航攝地面分辨率優于0.05 m,各項飛行參數見表1。

表1 飛行參數表

無人機外業飛行共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,數據范圍滿足測區需要,無遺漏、無缺失;預處理后的影像層次豐富,色調均勻,反差一致;無嚴重噪聲;無扭曲;影像邊緣均勻;影像無質量問題,POS信息齊全。

2.3 實景三維模型輸出

使用Smart3D軟件生產數據時采用兩次空三加密方法[9-10],首先導入無人機采集的影像數據和POS數據進行第一次空三加密,在第一次空三加密基礎上,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,通過劃分模型格網,采用多組圖形處理器(graphics processing unit,GPU)同步生產模型數據。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,將實測數據作為真值,與內業三維模型做比較,統計其中誤差作為模型的數學精度檢測結果。

本文采用《數字地圖測繪技術規程》DB4401/T 31—2019關于數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。

根據規范,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計誤差,將誤差結果與兩倍限差即極限誤差進行比較,統計區間分布情況見表3。最終統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

將三維模型導入EPS三維測圖軟件中,直接根據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,賦予相應的編碼,見圖3。實驗過程發現,一些被樹木遮擋的地物,無法準確采集地形要素,只能通過傳統數字測圖方法進行外業調繪[16]。

(a)平面圖

1∶500地形圖繪制完畢后,隨機抽取30%以上的圖幅進行數學精度檢測,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實測,每幅圖檢查數量不少于20點(邊),檢測結果見表4。

表中結果顯示,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范要求。

2.5 工作效率及成本

以三維模型內業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方法都將發生顯著的改變。統計本實驗的工期和成本,與同區域早期(全野外數字測圖方法)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的使用大大提高了工作效率、節省成本。

表5 工期及成本

3 問題及經驗

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

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

(2)布設的像控點務必清晰、穩定,對于大范圍測圖,實際航飛工作基本不會在像控點布設完立刻實施,所以將像控點布設在穩定、開闊的區域至關重要。地面貼紙由于存在反光的現象,采用刷漆方式適用性會更強。

(3)無人機傾斜攝影測量技術在地形圖測繪中的應用必須有高精度的控制測量和導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像控點。

4 結論

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113 km2的測區開展實地實驗,得出以下結論:

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

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

(3)目前基于三維模型的內業繪圖主要依靠人工操作,未來可以優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。