RTK輔助的城市免像控?zé)o人機傾斜攝影建模分析

饒維冬 張林杰 黃 筱 馮 剛 馬云龍 左 強 熊 豪

(中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司, 貴州 貴陽 550081)

0 引言

智慧城市、數(shù)字城市、實景三維中國[1-3]等概念的提出和普及對測繪成果的真實、立體、時序化反映都提出了更高的要求,同時也促進(jìn)了地理信息技術(shù)的不斷更新。攝影測量中的傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)運而生,傾斜攝影測量具有高度的真實性與立體性已廣泛應(yīng)用到了多個領(lǐng)域中[4]。

無人機傾斜攝影是由無人機搭載一個或多個(通常兩個或五個)數(shù)碼相機攝影系統(tǒng)來獲取多角度的地面影像,通過后續(xù)內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)檢查、空三加密等數(shù)據(jù)處理步驟完成最終實景三維模型的建立[5]。以往的傾斜攝影數(shù)據(jù)處理受限于影像定位定姿系統(tǒng)(position and orientation system,POS)的精度,在空三加密時需要在測區(qū)具有一定數(shù)量、分布均勻的像控點,對于城市、荒山等測區(qū)將大大增加航測工作量和延長生產(chǎn)周期[6]。而現(xiàn)有無人機已集成了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)和慣性測量單元(inertial measurement unit,IMU),GNSS提供位置信息,IMU則提供姿態(tài)信息,二者能夠形成一個良好的互補。且GNSS系統(tǒng)已發(fā)展成多模多頻,不僅增加了可視衛(wèi)星數(shù)量,還極大地優(yōu)化了衛(wèi)星的空間結(jié)構(gòu),提高了定位的準(zhǔn)確性和可用性[7-8],因此探索免像控的無人機傾斜攝影建模對于攝影測量未來的發(fā)展具有一定意義。國內(nèi)對免像控的攝影測量已作了比較多的研究,如文獻(xiàn)[9]提出了利用無人機免像控快速構(gòu)建高精度數(shù)字地表模型(digital surface model,DSM);文獻(xiàn)[10]總結(jié)了針對河湖環(huán)境布設(shè)控制點困難問題,驗證了基于無人機免像控技術(shù)在河湖遙感監(jiān)測中的可行性;文獻(xiàn)[11-12]總結(jié)了適用于大比例尺、帶狀地形圖測量的免像控?zé)o人機航攝,但針對城市免像控?zé)o人機傾斜攝影建模相關(guān)的分析較少。因此從滿足成果精度要求的前提出發(fā),以節(jié)約項目成本和兼顧作業(yè)效率為原則,探索城市免像控的無人機傾斜攝影建模的適用性具有一定的現(xiàn)實意義。

1 傾斜攝影測量與免像控航測技術(shù)

1.1 傾斜攝影測量

攝影測量是從非接觸成像系統(tǒng),通過記錄、量測、分析與表達(dá)等處理,獲取地球及其環(huán)境和其他物體的幾何、屬性等可靠信息的工藝、科學(xué)與技術(shù)[13]。其中傾斜攝影測量多在同一飛行平臺搭載多臺傳感器(通常為五鏡頭)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,可同時獲取垂直與傾斜多角度地面影像。鏡頭朝向垂直于地面拍攝的影像通常稱為正射影像,而鏡頭朝向與地面呈一定角度(大于5°)拍攝的影像常稱為傾斜影像。相較于傳統(tǒng)單一的正射影像,傾斜攝影測量能夠得到地面物體更為精細(xì)的信息,如清晰的建筑物側(cè)面紋理信息。正射、傾斜影像示意圖如圖1所示。

圖1 正射、傾斜影像示意圖

1.2 免像控航測技術(shù)

多角度采集到的地面影像配合控制點、影像POS進(jìn)行空三加密測量即可將影像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到指定的空間坐標(biāo)系下,此時影像上的每個像素點都有了統(tǒng)一坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。由共線方程可知,地面控制點實際是為了求解方程中的未知數(shù)a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3,從而將各像素點轉(zhuǎn)換到指定空間坐標(biāo)系下。

(1)

式中,(x,y)表示像點的像平面坐標(biāo);f為像片主距;(X,Y,Z)表示物方點的物方空間坐標(biāo);(XS,YS,ZS)為攝站點的物方空間坐標(biāo);a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3為三個外方位角元素得到的矩陣[14]。

在免像控攝影測量中影像曝光時刻的三維位置與姿態(tài)即外方位元素由POS提供,POS精度的提高既提高外方位元素的精度,又提高了像點坐標(biāo)的精度,即可有效地進(jìn)行免像控的攝影測量[15]。

2 傾斜攝影數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 飛馬D2000傾斜攝影測量系統(tǒng)

使用的無人機為飛馬D2000搭載DOP3000五鏡頭傾斜模塊,無人機及攝影模塊見圖2。

圖2 飛馬D2000與DOP3000五鏡頭傾斜模塊

2.2 測區(qū)概況與航線規(guī)劃

測區(qū)位于貴州省貴陽市,地處云貴高原。測區(qū)呈矩形,面積約1.2 km2,高差約200 m,包括河流、道路、橋、住宅等地物類型。

在進(jìn)行外業(yè)航飛數(shù)據(jù)采集之前首先需進(jìn)行規(guī)劃航線,本次飛行設(shè)計地面分辨率(ground sampling distance,GSD)為1.5 cm,為使最低點的分辨率也滿足要求,無人機采用了仿地變高飛行。航線規(guī)劃航向重疊率80%,旁向重疊率65%。測區(qū)總面積約1.2 km2,本次實際航飛面積約1.5 km2,飛行1個架次,飛行時間約30 min,共獲取4 992張影像,航片影像清晰、色彩均勻,滿足本次項目的使用要求。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用ContextCapture軟件,該軟件是一款可由照片或點云自動生成三維實景模型的軟件,具有兼容性強、自動化程度高的優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于三維實景建模。在軟件中的數(shù)據(jù)處理主要包括影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入,區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差,空三加密,多視影像匹配等步驟,處理完成后可得到免像控的傾斜模型。

外業(yè)數(shù)據(jù)采集與處理的詳細(xì)步驟如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集與處理流程圖

傾斜攝影模型相較于傳統(tǒng)正射影像擁有了更為詳細(xì)與豐富的側(cè)面紋理信息,本次建模完成后模型色彩均勻、清晰,測區(qū)傾斜模型見圖4。

圖4 建模完成的測區(qū)傾斜攝影模型

3 免像控建模與精度分析

為驗證基于實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)(real time kinematic,RTK)實時得到的影像POS應(yīng)用于傾斜攝影建模的精度,數(shù)據(jù)采集完成后在測區(qū)采集了40個點，如房角、公路地標(biāo)線等特征檢查點。

將檢查點導(dǎo)入在ContextCapture軟件已建好的模型中,將特征檢查點的坐標(biāo)與模型中實際位置的坐標(biāo)進(jìn)行比對可得出免像控傾斜攝影建模的精度,各特征檢查點的誤差詳見表1。

表1 免像控傾斜攝影建模精度表 單位：cm

由表1可得,平面中誤差為7.1 cm,高程中誤差為8.7 cm,滿足了《城市測量規(guī)范》(CJJ/T 8—2011)中對于1∶500大比例尺地形圖的精度要求[16]：平面中誤差不大于圖上0.5 mm(即不大于0.25 m),高程中誤差不大于0.15 m。表明RTK輔助的城市免像控傾斜攝影建模模型既能夠滿足1∶500大比例尺的成圖應(yīng)用需求,也能夠提供具有豐富紋理信息的三維模型。

4 結(jié)束語

通過在測區(qū)內(nèi)的特征檢查點,論證了RTK輔助的無人機免像控航攝技術(shù)用于城市傾斜攝影建模的可行性,且相較于需提前布設(shè)地面控制點的傳統(tǒng)無人機航攝技術(shù),免像控航攝技術(shù)減少了工作量,簡化了對于復(fù)雜地形、城市等難以進(jìn)入、遮擋嚴(yán)重地區(qū)的測量工作。傾斜攝影建模也將為高效議政和決策提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ),促進(jìn)城市發(fā)展、治理、運行效能整體提升,助力城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型。