無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在中小河流測(cè)量中的應(yīng)用探索

郭超 韓光 邵艷超

（1.河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南鄭州 450016；2.河南思拓力測(cè)繪科技有限公司，河南鄭州 450000）

隨著3S、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的飛速發(fā)展，地理信息技術(shù)手段帶來(lái)前所未有的變革：利用傾斜攝影技術(shù)對(duì)影像的平面、高程、結(jié)構(gòu)、色彩、紋理等進(jìn)行數(shù)字化處理，按照統(tǒng)一坐標(biāo)無(wú)縫拼接，迅速建立測(cè)區(qū)實(shí)景三維模型，人們可以直觀地從三維模型上判讀山川、河流、房屋、道路等地物[1]。再利用EPS地理信息系統(tǒng)將測(cè)區(qū)三維模型矢量化后提供給設(shè)計(jì)部門進(jìn)行參考設(shè)計(jì)，此作業(yè)流程與傳統(tǒng)垂直航測(cè)系統(tǒng)相比，突破了雙片立體測(cè)圖對(duì)人員要求高，長(zhǎng)久佩戴立體眼鏡不適等限制，大大提高了生產(chǎn)作業(yè)效率。

中小河流治理項(xiàng)目多為帶狀地形，對(duì)測(cè)繪面積、局部建筑物地形精度要求較高，大多數(shù)地段要求測(cè)繪縱、橫斷面，無(wú)人機(jī)搭載多鏡頭的傾斜攝影技術(shù)較傳統(tǒng)航測(cè)技術(shù)更能較好地滿足這些要求。量測(cè)，每張斜片上的每個(gè)像素都對(duì)應(yīng)真實(shí)的地理坐標(biāo)位置[4]。總體的作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 傾斜攝影總體流程圖

1 傾斜攝影技術(shù)概述

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)利用一個(gè)平臺(tái)搭載五臺(tái)傳感器，可以從一個(gè)垂面、四個(gè)傾斜面這五個(gè)角度進(jìn)行拍攝。同時(shí)，在拍攝過(guò)程中，可以一次性記錄航向、航高、航速以及坐標(biāo)等多個(gè)參數(shù)，通過(guò)這種多角度、全方位的拍攝，可以獲得更多的地物結(jié)構(gòu)和紋理特征信息[2]。

傾斜攝影測(cè)量生產(chǎn)三維模型的作業(yè)過(guò)程：首先，要對(duì)獲取的影像進(jìn)行質(zhì)量檢查，對(duì)不合格的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)飛，直到獲取的影像質(zhì)量滿足要求。其次，進(jìn)行勻光勻色處理，在飛行過(guò)程中存在時(shí)間和空間上的差異，影像之間會(huì)存在色偏，因此需要進(jìn)行勻光勻色處理[3]。再次，進(jìn)行幾何校正、同名點(diǎn)匹配、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差。最后將平差后的數(shù)據(jù)（三個(gè)坐標(biāo)信息及三個(gè)方向角信息）賦予每張傾斜影像，使得它們具有在虛擬三維空間中的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，至此傾斜影像即可進(jìn)行實(shí)時(shí)

2 EPS地理信息系統(tǒng)矢量化

實(shí)景三維模型的矢量化是傾斜模型的一項(xiàng)重要應(yīng)用，EPS 3DSurvey 三維測(cè)圖系統(tǒng)，是山維科技基于自主版權(quán)的GIS數(shù)據(jù)生產(chǎn)平臺(tái)EPS地理信息工作站研發(fā)的三維矢量采編產(chǎn)品。它提供了基于正射影像、實(shí)景三維模型、傾斜影像、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的二三維采集編輯工具，支持大數(shù)據(jù)瀏覽以及高效采編建庫(kù)一體化，直接對(duì)接基礎(chǔ)測(cè)繪、不動(dòng)產(chǎn)、智慧城市等專業(yè)應(yīng)用解決方案。

EPS 3DSurvey系統(tǒng)可以直接調(diào)用建模軟件生產(chǎn)的三維實(shí)景模型，支持Dsm、Osgb等數(shù)據(jù)格式的載入。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，自動(dòng)構(gòu)建八叉樹(shù)，保證了大數(shù)據(jù)實(shí)景模型的流暢顯示，還能以數(shù)字正射影像、實(shí)景表面模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)疊加、多窗口、多視角、二三維聯(lián)動(dòng)等同步顯示和測(cè)圖[5]。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

蘭商干渠位于河南省蘭考縣北部，黃河水由三義寨引黃閘進(jìn)入干渠，自西向東自流進(jìn)商丘境內(nèi)。干渠蘭考段全長(zhǎng)38.2公里，測(cè)區(qū)地勢(shì)平坦，沿途植被稀疏。綜合測(cè)區(qū)情況和測(cè)量?jī)?nèi)容，項(xiàng)目最終采用固定翼無(wú)人機(jī)和多旋翼無(wú)人機(jī)組合建模方法實(shí)施，測(cè)區(qū)內(nèi)重點(diǎn)建筑物采用多旋翼五鏡頭進(jìn)行小范圍拍攝，河道和非重點(diǎn)建筑物采用固定翼無(wú)人機(jī)以縱橫構(gòu)架航線的形式進(jìn)行大范圍拍攝，獲取的數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行處理，并實(shí)測(cè)地面像控點(diǎn)加以控制。

3.2 模型處理

目前，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上主流的模型生產(chǎn)軟件有Bentely公司的Context Capture，Skyline公司的PhotoMesh,Agisoft公司的PhotoScan等，綜合考慮上述軟件的精度、建模速度、紋理的精細(xì)度等方面，本項(xiàng)目最終采用Context Capture進(jìn)行處理。

Context Capture處理流程為：新建工程項(xiàng)目→導(dǎo)入影像數(shù)據(jù)→輸入pos→轉(zhuǎn)刺像控點(diǎn)→空三加密處理→重建模型。空三加密處理過(guò)程中，由于線路狹窄，范圍過(guò)大，因此采用先分塊再合并區(qū)塊的空三加密處理方法，使之順利通過(guò)空三加密計(jì)算。

空三加密計(jì)算通過(guò)后，開(kāi)始模型重建。按照項(xiàng)目要求依次設(shè)置好相應(yīng)參數(shù)，模型重建采用分布計(jì)算方式，根據(jù)每臺(tái)計(jì)算機(jī)的性能和內(nèi)存大小，最后將瓦片的大小設(shè)置為80米×80米，軟件將自動(dòng)分配給每臺(tái)計(jì)算機(jī)任務(wù)，并將剩余任務(wù)進(jìn)行排隊(duì)，等上一個(gè)瓦片計(jì)算完畢后，自動(dòng)分配相應(yīng)的任務(wù)。模型重建完成后，查看模型質(zhì)量。本項(xiàng)目局部模型如圖2所示。

3.3 模型的質(zhì)量檢驗(yàn)

實(shí)景三維模型的質(zhì)量應(yīng)滿足完整性、幾何精度、邏輯一致性的要求。

圖2 項(xiàng)目三維模型局部展示界面

（1）實(shí)景三維數(shù)據(jù)產(chǎn)品應(yīng)完整，數(shù)據(jù)要素不應(yīng)有遺漏；

（2）實(shí)景三維數(shù)據(jù)產(chǎn)品的點(diǎn)位應(yīng)滿足設(shè)計(jì)精度要求，模型數(shù)據(jù)各組成部分的相對(duì)位置應(yīng)真實(shí)準(zhǔn)確；

（3）實(shí)景三維數(shù)據(jù)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)在遵循的概念模式規(guī)則上應(yīng)一致，存儲(chǔ)格式應(yīng)一致，模型數(shù)據(jù)空間位置應(yīng)具有拓?fù)湟恢滦裕?/p>

（4）實(shí)景三維數(shù)據(jù)產(chǎn)品應(yīng)按照技術(shù)規(guī)范劃分細(xì)節(jié)層次，所有數(shù)據(jù)應(yīng)在統(tǒng)一的參照系下，模型的坐標(biāo)位置和高程數(shù)據(jù)應(yīng)準(zhǔn)確。

本項(xiàng)目采用三維模型通用OSGB格式，模型的細(xì)節(jié)和紋理展現(xiàn)與現(xiàn)實(shí)一致，空間位置具有拓?fù)湟恢滦裕袛?shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)均采用項(xiàng)目規(guī)定的1980西安坐標(biāo)系，高程系統(tǒng)為1985高程系統(tǒng)。

項(xiàng)目航飛外業(yè)布設(shè)像控點(diǎn)時(shí)，為滿足內(nèi)業(yè)質(zhì)量檢查的需要，在滿足模型成圖要求的像控點(diǎn)數(shù)量前提下，又在測(cè)區(qū)做了均勻分布的15組檢查點(diǎn)。最后軟件自動(dòng)計(jì)算其檢查點(diǎn)的殘差大小。檢查結(jié)果如表1所示。

表1 檢查點(diǎn)殘差計(jì)算表

經(jīng)計(jì)算，上表平面位置中誤差為0.049m，高程中誤差為0.056m，15組檢查點(diǎn)的殘差數(shù)據(jù)滿足《1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》（GB/T 7930—2008）中對(duì)于1∶500地形圖平面和高程中誤差的要求，達(dá)到了項(xiàng)目對(duì)相對(duì)位置和絕對(duì)位置的設(shè)計(jì)精度要求。因此本模型可以用于本項(xiàng)目的生產(chǎn)工作。

3.4 EPS矢量化

EPS總體生產(chǎn)流程：新建EPS工程—數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（影像）—數(shù)據(jù)加載（影像）—窗口設(shè)置—數(shù)據(jù)采集—數(shù)據(jù)檢查—數(shù)據(jù)修改（合格）。

在數(shù)據(jù)加載前，需將OSGB格式的模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成軟件自身的DSM格式數(shù)據(jù)，通過(guò)格式的轉(zhuǎn)換，可以建立八叉樹(shù)模型，從而實(shí)現(xiàn)模型的縮放、平移、選擇功能的順暢操作。實(shí)景模型本身具有真實(shí)地理位置和高程屬性，因此可以直接采集地物的坐標(biāo)和高程信息。

軟件內(nèi)置了各種比例尺的國(guó)標(biāo)符號(hào)庫(kù)，在模型矢量化過(guò)程中直接調(diào)用符號(hào)庫(kù)，從而實(shí)現(xiàn)采編一體化。采編界面如圖3所示。

圖3 EPS采編界面

EPS軟件具有輸入輸出線劃圖功能，提供了與CAD轉(zhuǎn)換的相應(yīng)腳本文件，可以將圖形和屬性一起輸出，省去了再矢量化的步驟，大大減輕了工作量。

4 總結(jié)

通過(guò)論證，采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)制地形圖的方式不僅可行，而且提高了效率，降低了成本。在有足夠的地面控制點(diǎn)參與運(yùn)算時(shí)，其精度可以達(dá)到1∶500的測(cè)圖精度，這是大比例尺測(cè)圖作業(yè)方式的一次巨大飛躍，在諸如水利地形圖測(cè)繪、水利移民搬遷測(cè)量、水利防洪規(guī)劃等相關(guān)測(cè)量工作中具有相當(dāng)大的應(yīng)用價(jià)值。

實(shí)景三維測(cè)圖實(shí)現(xiàn)了真實(shí)的裸眼三維測(cè)圖，能夠解決困難地區(qū)數(shù)據(jù)采集難的問(wèn)題，讓測(cè)繪人員避免了危險(xiǎn)作業(yè)，外業(yè)調(diào)繪工作量也大幅度減少。與傳統(tǒng)立體測(cè)圖相比更直觀，軟件操作更簡(jiǎn)單，從而讓“辦公室測(cè)繪”的愿景更近一步。

[1]孫柳,宮輝力,趙文吉.從數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量到城市三維景觀模型的建立[J].首都師范大學(xué)學(xué)報(bào),2005(6).

[2]王偉,黃雯雯,鎮(zhèn)姣.Pictometry傾斜攝影技術(shù)及其在三維城市建模中的應(yīng)用[J].測(cè)繪與空間地理信息,2011,34(3):181-183.

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[5]李安福,吳曉明,路玲玲.傾斜攝影技術(shù)及其在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用分析[J].現(xiàn)代測(cè)繪,2014,37(6):12-14.