傾斜攝影在南水北調三維實景建模中的應用

郭向前，郝偉濤，米 川，曹繼如

（1.河南省地質礦產勘查開發局測繪地理信息院,河南 鄭州 450006；2.河南省地質勘查信息化工程技術研究中心,河南 鄭州 450006）

南水北調中線全線三維實景建模項目是一項重大的水利工程項目,跨越河南、河北、北京、天津,總干渠全長1 432 km。該項目是對中線工程的主干渠道、左排建筑物以及上游河流進行全線無人機傾斜攝影測量,全面真實地采集中線工程沿線地形地物現狀；并利用無人機航測技術,結合三維實景建模技術,構建全線三維實景模型。該項目三維實景建模面積約為3 042.1 km2。本文選取河南省禹州市南水北調渠道部分段作為試飛區,試飛區內渠道長約為16 km,測區面積約為46 km2。

1 三維實景建模數據成果要求

1.1 空間精度

檢查點平面位置誤差不大于0.1 m；高程中誤差不大于0.2 m,丘陵或山地高程中誤差不大于0.5 m。拍照死角、隱蔽、暗影等特殊困難地塊的中誤差可適當放寬0.5倍[1]。

1.2 紋理精度

沒有被掩藏的構筑物樓體應外形清晰、輪廓光滑；立交橋不論側面還是正面紋路都理當達到持續不拉花、外表面光滑清晰的要求；道路應消除運動車輛對紋理的影響,使道路紋路、中線和邊線能勻稱、持續、合理的表示[2]。

1.3 其他精度要求

在不影響整體三維實景建模數據使用的情況下,數據在一些細節表現方面稍有不敷,主要影響為:①水面為弱紋路區,其范圍內允許出現為數不多的三維實景建模數據裂縫,但應采取一些技術措施在三維平臺應用中進行增補；②電桿、女兒墻、塔吊、高壓線塔、展牌等支架細小的物體以及路燈等邊沿地區的像素較少,無法正確匹配點云,允許有較少部分的三維實景建模數據表述不全[3]；③道路上運動的車輛以及構筑物立面大塊玻璃區域反光等情況對TIN網的組成有一定影響,允許該類區域的概況模型有極少數的起伏現象。

2 設計路線

固定翼（旋翼）+五鏡頭的作業方式首先需進行測區踏勘,一般是通過獲取測量區域已有的圖件資料了解測區的整體情況；再進行航線優化設計。航飛之前需布設像控點并進行有效測量,傾斜攝影測量完成后,利用POS數據、像控成果對原始傾斜影像進行精確的空中加密；再基于空三加密成果,生成傾斜模型成果。

3 航線規劃

三維實景建模數據采集的航飛線路采用專業航線設計軟件來設計,地面分辨率、航高和物理像元尺寸滿足三角比例關系。由于需自動化生產傾斜三維模型,其重疊度需高于規范要求,因此設置旁向重疊度不低于65%,航向重疊度不低于70%[4]。航線設計軟件會生成一個飛行計劃文件,包含飛機的航線坐標以及各個相機的曝光點坐標位置。實際飛行中,各相機根據對應的曝光點坐標會自動進行曝光拍攝。

1）飛行區域繪制。確定航攝區域后接通飛行器電源,在飛控軟件中連接飛行器,規劃飛行任務,并繪制飛行區域。

2）飛行安全分析。繪制飛行區域后,在Google地圖上檢查該區域內各部分的相對位置和高程差,分析計劃飛行區域的安全性；然后進行現場勘踏調查,尋找適合飛機起降的地點。確定飛行高度時,應注意航線區域是否有不安全因素,如高山、高樓、高壓電塔等[5]。

3）飛行參數設置。根據項目精度要求、飛行區域大小、飛行環境允許的飛行高度等來設置飛行高度、飛行速度、航向重疊度、旁向重疊度等參數。

4 采集流程

真三維模型的制作采用Context Capture Center軟件自動建模系統完成。根據攝影測量原理,該系統首先獲取大重疊度的傾斜影像,再進行空三加密、多視影像密集匹配和紋理映射等處理,最后生成真三維模型[6]。建模過程完全無需人工干預,由Context Capture Center軟件自動建模系統自行處理,其能處理的數據類型廣泛,輸出格式多樣,具有簡單、快速、全自動等特點。模型成果中所有建筑物的紋理和空間關系均采用分層顯示技術,為了充分詳細地表達建筑物的細部特征,且在常規計算機上也能流暢顯示,一般分層在20層以上。

將利用傾斜攝影技術獲取的影像數據導入Context Capture Center軟件自動建模系統進行批處理,只需人工參與三維模型編輯修飾、對模型的質量進行控制等工作即可。具體流程如圖1所示。

圖1 三維建模數據生產作業流程圖

4.1 像控點布設與測量

項目共布設約60個像控點,可根據分塊情況進行調整,根據航飛進度提前布設即可。

4.1.1 像控點布設

由于傾斜攝影數據含有IMU/GPS資料,且航向、旁向重疊度均為65%以上,考慮到測區地形因素,項目采用稀疏布點的方式。像控點布設位置如圖2所示。

圖2 像控點布設點位略圖

4.1.2 像控點測量

1）精度要求。像控點的平面和高程中誤差均不超過5 cm。

2）像控點選擇。應選擇影像能清晰辨認、沒有遮擋的明顯特征地物,相交角度好的線狀特征地物的交點以及明顯特征地物的拐角頂點,如目標清晰的硬化道路的交角、路上的實線和斑馬線的角、大門頂蓋角、平屋頂房子的房角、籃球場的實線角、門墩的頂角以及其他便于量高、測距的墩臺、柱的頂部拐角等,或者硬化地面刷油漆、土地撒石灰等做出便于識別的“十”字形或“L”字形測量標識。

3）像控點測量。由于測區范圍內河南省CORS和千尋基站信號均可覆蓋,且精度滿足傾斜攝影測量的要求,因此像控點可基于河南省CORS和千尋基站根據甲方控制點求得參數后直接獲取。每點采集3次取均值。

4）像控點整飾。采用電子檔整飾,全部在原始影像數據上進行。利用Photoshop軟件在相片數據上添加整飾信息,整飾后的文件以像控點名為文件名保存。外業可拍現場照片,輔助內業快速判點。

5）成果整理。像控點坐標成果表采用Excel軟件制作,并按控制點點號的優先級進行排序。表格數據文件字段順序和名稱為:點號、N、E、H、備注。

4.2 航飛傾斜數據采集

1）外業航飛。外業航飛的環境條件為:天氣晴朗、無風或微風,空氣通透度良好,起飛場地周圍空曠,盡量在9:00—15:00作業?？筛鶕乩砦恢?、季節、天氣、工期等調整作業時間段。

2）傾斜數據采集。根據區域航拍計劃,找到合適的起飛點,對各區域進行拍攝。檢查設備無誤后,確認起飛的安全區域和安全高度,開啟無人機起飛。起飛時,飛控手通過遙控器實時控制飛機,地面站飛控人員通過飛機傳輸回來的參數實時觀察飛機的飛行狀態。飛機到達安全高度后由飛控手通過遙控器收起起落架,將飛行模式切換為自動任務飛行模式。為了保證無人機的飛行安全,飛控人員要注意飛行速度、姿態和高度,以及飛控軟件中顯示的電池狀況、航線完成情況等。飛行任務完成后,無人機降落時應確保降落地點的安全,避開障礙物和路人。無人機著陸后,檢查攝像機中的圖像數據和飛控系統中的POS數據是否完整。

3）數據質量檢查。數據采集完成后,對采集的影像進行檢查,對不合格區域進行補測,直到影像質量符合要求為止。針對無法旋轉鏡頭拍攝的建筑和地面死角,采用靈活、易用的大疆精靈4專業版補拍建筑側面信息,從而進一步提高模型質量。

4.3 自動化空三加密

Context Capture Center軟件自動建模系統加載所拍攝的測區影像時,只需人工設定控制點的數量,系統就會自動采用光束法對整個測區進行區域網整體平差。一個平差單元就是一張相片組成的一束光線,平差單元的基礎方程就是中心投影的共線方程[7]。在空間對各光線束進行平移和旋轉,使模型之間的公共光線實現最佳交會,將整個拍攝區域嵌入到控制點坐標系中,從而恢復地物間的空間位置關系[8]。

4.4 影像處理

1）影像密集匹配。密集匹配技術是利用二維影像恢復三維信息的關鍵技術之一[9]。Context Capture Center軟件自動建模系統根據高精度的影像匹配算法,自動尋找所有影像中的同名像點進行匹配,并從影像中盡可能多地抽取特征點,形成密集點云,從而表達出更準確的地物細節[10]。越復雜的地物,越密集的建筑物,點密集程度就越高；反之,則相對稀疏。

2）紋理映射。根據影像密集匹配的結果,影像之間的三角關系由空三加密構成TIN,再由TIN形成白模。軟件從影像中計算相應的紋理,并自動將紋理映射到相應的白模上,最終形成一個真實的三維場景[11]。

3）三維成果修改。對模型進行檢測,反復處理明顯紋路缺陷、模糊圖和拉伸變形等現象,直至其精度滿足真實三維建模的設計要求為止。

4）三維成果輸出。利用該系統輸出需要格式的三維成果。

4.5 數字高程模型制作

4.5.1 制作流程

利用軟件自動生成的DSM數據進行自動濾波、人工編輯、數據內插、接邊分幅,進而生成滿足1∶1 000 DOM精度要求的DEM成果,DEM為生產DOM的過程產品。DEM制作流程如圖3所示。

圖3 DEM制作流程圖

4.5.2 作業方法

1）自動濾波。利用軟件對生成的DSM數據進行自動濾波,去除建筑物、植被、電力設施及其附屬物等地物數據,保留地表模型數據。

2）人工編輯。由于自動濾波算法難免會有誤差,因此需人工干預對數據進行遍歷,修改模型上的錯誤。

3）DEM數據接邊分幅。對分塊的DEM數據進行拼接,再按照1∶1 000比例尺對其進行分幅。

4）DEM數據檢查、修改。對分幅后的1∶1 000 DEM數據進行檢查,對不滿足數據要求的進行人工修改,直至滿足1∶1 000 DOM成果要求為止。

4.6 傾斜模型生產

空中加密采用Context Capture軟件進行多視影像聯合平差。多視影像聯合平差需充分考慮影像的幾何變形和遮擋關系[12]。結合定位元素POS系統提供的多視影像外方位元素,采用從粗到精的金字塔匹配策略,自動在每級影像上進行同名點匹配和自由網光束法平差,可得到較好的同名點匹配結果[13]。同時,建立了多視點圖像自標定區域網平差的誤差方程,并加入像控點坐標、連接點、連接線、GPU/IMU等輔助數據,通過聯合計算保證了平差結果的精度[14]。具體流程為:①配置集群運算環境；②像控點刺點和設置空中加密參數；③三維模型構建。

基于Context Capture軟件,項目采用全自動化的生產模式算法生成基于影像的超高密度點云,再利用超高密度點云構建TIN模型,最終生成基于影像紋理的高分辨率傾斜攝影三維模型。三維模型樣例如圖4所示。

圖4 局部三維模型

5 結 語

隨著無人機技術的創新與發展以及無人機的普及,近年來無人機傾斜攝影技術受到了越來越多的關注。無人機傾斜攝影技術可有效降低城市三維建模成本、快速獲取城市的完整基礎信息,還可以無人機傾斜攝影數據為基礎,快速建立模型庫。隨著無人機傾斜攝影技術的進一步發展,其在城市建筑監測、城市管理、城市規劃等方面的作用將越來越大,可為各行業帶來更多的便利。