無人機傾斜攝影測量在大比例尺地形圖測繪中的應用

趙忠

(中國建筑材料工業地質勘查中心寧夏總隊,寧夏 銀川750000)

傳統的1:500地形圖生產都是通過利用GPS-RTK外業實測完成的,這種作業方式具有效率低、風險高、工期長、費時費力、成本高等特點。隨著無人機技術的迅速發展和軟件算法的不斷優化,利用無人機掛載單鏡頭相機獲取影像,然后利用攝影測量軟件進行空中三角測量解算,導入像控點進行平差調整,將虛擬空三坐標成果轉為目標坐標系下的成果[1-3]。利用地形圖采集軟件,在虛擬環境下,通過恢復空三成果獲得立體像對,然后進行地形圖采集,這種作業方式較傳統的全外業方式,具有風險低、工期較短、省時節資的特點,可以滿足1:1000地形圖精度的要求,但是很難滿足1:500地形圖精度要求,且無人機相機均是采用非量測相機,影像畸變大,像幅小,效率也不高[4-6]。采集方式是基于立體像對采集,這種作業方式對作業員的技術水平要求高,也有一定的局限性。隨著無人機荷載能力的提升和傾斜攝影技術的出現,無人機傾斜攝影建模成為測繪產品生產的主流作業方式,傾斜攝影自動化生產的模型,具有真實、高精度的特點[7-9]。本文首先介紹了無人機傾斜攝影的原理和建模技術,然后以實際項目為例,對無人機的航線規劃、像控點布設以及采集、影像獲取進行了說明,對作業中主要用到的軟件進行了簡單介紹,重點講解了模型生產和地形圖采集,并通過外業實測檢測點,利用同精度檢測的方法對生產的地形圖精度進行了檢測,結果表明,精度可以滿足1:500的地形圖精度要求。這種作業方式,精度高、效率高、外業調繪工作少,風險低,是很實用的一種作業方式。

1 無人機傾斜攝影技術介紹

1.1 無人機傾斜攝影原理

無人機傾斜攝影測量是指在無人機飛行平臺上掛載多鏡頭相機,完成對地面多角度的數據采集任務。常見的有武漢大勢智慧掛載的搖擺兩鏡頭、陜西飛盟的掃擺九鏡頭以及賽爾、睿鉑等的固定五鏡頭,其中以五鏡頭最為常見。五鏡頭相機,包括一個下視相機,四個側視相機,下視相機主要從垂直角度采集地面影像,無法采集建構筑物側面信息,而四個側視鏡頭,分別從前、后、左、右四個角度對建構筑側面信息進行采集,彌補了不同角度采集影像的不足。

1.2 無人機傾斜攝影建模技術

無人機傾斜攝影建模是指利用建模軟件,對獲取的影像數據進行自動化或半自動化處理,得到“一張皮”的實景三維模型。實景三維模型具有精度高、紋理真實、立體效果強、所見即所得的特點。常見的國外建模軟件有Bentley的Context Capture,美國skyline公司的photomesh,俄羅斯的PhotoScan,國產的主要有上海瞰景科技的Smart3D2019,中測智繪的Mirauge3D等,本次實驗使用的是上海瞰景科技的Smart3D2019。

2 基于傾斜攝影的大比例尺測圖流程

基于傾斜攝影的大比例尺測圖主要包括航線規劃、像控點噴繪與采集、數據獲取、空中三角測量、實景三維模型生產、地形圖采集、調繪與編輯、整理與提交,具體流程見圖1。

圖1 傾斜攝影大比例尺測圖流程

3 實際項目驗證

3.1 數據獲取

3.1.1 任務區概括。

任務區地形屬于山地,測區面積約1.5 平方公里,測區范圍內,高差約150米,一到二層房屋面積約占測區的2/3,其余以地形為主,地形較裸露。

3.1.2 航線規劃。

結合已有的無人機性能和測區地形,將任務區分為2個架次,旁向、航向重疊度均設置為80%,地面采樣分辨率設置為0.05 米,并在規劃時將航線外擴2個航高,以確保測區邊緣模型完整,完成航線的布設并提交任務至無人機。

3.1.3 像控點測量。

根據范圍線和地形,按照300米間距均勻布設像控點23個,并完成像控點的噴繪與坐標采集。為了對后續生產的地形圖精度進行檢測,在采集像控點的時候,在測區隨機均勻的采集了35個平高點作為檢測點,檢測點主要是房角點、道路交叉口等在地形圖上可以明顯反應出來的點位。

3.1.4 影像數據獲取

在完成像控點的噴繪與采集后,對測區按照已有的航線進行影像拍照,完成2架次影像數據的采集。影像獲取完成后,查看影像質量,刪除試拍影像,共獲取有效影像15895張,整理POS數據,使POS和影像一一對應。

3.2 軟件介紹

3.2.1 Smart3D2019軟件

Smart3D2019軟件是上海瞰景科技的一款自動化建模軟件,其具有空三成功率高、精度高、建模速度快、模型質量好等特點,并且在像控點轉刺環節,可以通過已刺點進行未刺點點位的實時計算,從而確保了轉刺點位更加準確。

3.2.2 清華三維EPS軟件

EPS軟件數目前用戶較多的一款軟件,其主要模塊有三維測圖、管線入庫、立體測圖、房地一體等,本實驗使用了其中的三維測圖模塊,并在該軟件中,將檢測點導入并進行了精度的檢測。

3.3 三維模型生產

對2架次影像進行預處理和重命名,確保所有照片無重名。對POS數據進行整理,新建工程,加載影像和導入POS數據。提交空三任務,完成空中三角測量任務的解算,將23個像控點導入并進行像控點點位轉刺。提交平差任務,利用像控點對空三進行平差調整,查看平差報告,像控點平面中誤差為0.005 米,高程中誤差為0.003 米。提交重建任務,選擇平面規則格網劃分方式,結合電腦內存大小,設置瓦片大小為150米,選擇OSGB格式模型,提交任務到任務等待區,完成實景三維模型的生產。

3.4 大比例尺地形圖制作

將OSGB格式的三維實景模型恢復到EPS軟件中,利用EPS軟件中的三維采集功能,對模型進行數字線劃圖采集。采集房屋主要利用五點房命令,在采集完,并對房屋的屬性進行完善；采集高程直接基于模型上打點,對裸露地形,給出范圍線,設置高程點密度,進行高程點自動提?。徊杉矫嫖恢每苫谡溆跋癫杉?；采集等高線通過淹沒的方式進行。對有房檐的房屋,直接在EPS軟件中進行屋檐改正,較虛擬立體像對采集地形圖,大量減少了外業調繪工作。對于模型拉花導致無法精準采集的點位,可通過空三成果,進行立體像對采集,對于模型上無法辨別的地物以及獨立地物屬性,需通過外業補測與調繪,并對外業成果進行編輯,得到最終的地形圖成果,成果見圖2。

圖2 基于模型采集的地形圖

4 精度驗證

采用同精度檢測的方式,利用35個平高檢測點對采集的地形圖成果進行精度檢測,檢測結果見表1,表中單位均為米,“X實測”是指外業實地采集的坐標,“X圖”是指地形圖上對應的坐標。通過檢測,得到35個檢測點的平面點位中誤差為0.235 米,高程點位中誤差為0.267 米,且35個點位中平面位置殘差最大為0.397 米,高程殘差最大為0.454 米,均未超過2倍中誤差0.6米和0.8 米,說明采用此方法生產的地形圖完全可以滿足1:500地形圖精度要求。

表1 精度檢測統計表

結束語

本文在垂直攝影難以滿足大比例尺地形圖精度要求這個問題上,提出基于傾斜攝影建模采集地形圖,并以實際項目為例,對本文提出的作業方式進行驗證,得出本文作業方式完全可以滿足1:500大比例尺地形圖精度需求的結論。對于同行從業人員來說,可借鑒本文的作業方式來生產大比例尺地形圖,不但可以提高效率,而且可以減少外業工作量,具有一定的實用性和借鑒意義。