網絡RTK和PPK輔助水利工程免像控無人機傾斜攝影測量三維建模分析

張林杰,黃 筱,饒維冬,羅 衛,左 強,熊 豪,黎文輝

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司,貴州 貴陽 550081)

水利樞紐是優化水資源配置與時空分布的重要工程,在發電、防洪、灌溉、供水等方面發揮著巨大作用。然而多數水利樞紐都建在地形起伏較大的高山峽谷,因此在水利工程生命周期中需引入三維技術實現水利樞紐精細化和智能化的規劃設計、施工管理及運營維護,同時對空間信息數據的需求也由傳統的二維逐步過渡到三維。傳統測繪產品(如 DOM、DLG、DRG等)僅能為水利工程提供抽象的平面位置信息,無法提供立體的三維信息;而基于無人機傾斜攝影測量的三維實景模型將信息的真實化、可視化、立體化、時序化融入水利工程,能夠參與水利工程前期決策、規劃設計、施工管理、運營維護等全生命周期的信息化管理。

無人機傾斜攝影測量三維實景建模,即由無人機搭載一個或多個數碼相機攝影系統,獲取多角度的地面影像,通過建模軟件對影像POS(position and orientation system)與多視影像進行處理,最終完成三維實景模型的建立。基于無人機傾斜攝影測量的三維實景模型不僅能夠滿足1∶500高精度的三維測圖[1-4],而且可輔助城市三維地理信息系統建設、三維城市規劃及城市信息化建設[5-12];但針對水利工程的免像控無人機傾斜攝影測量三維建模的相關分析較少,且由于影像POS的精度有限,內業數據處理需要測區內分布均勻的像控點,這將大大增加水利工程的外業工作量,并延長產品生產周期。

綜上,本文從滿足成果精度的要求出發,兼顧項目成本和效率的原則,開展免像控無人機傾斜攝影測量三維建模研究,以某水利工程為研究對象,探討基于網絡RTK與PPK POS的免像控三維模型,以期為推進智慧水利建設提供參考。

1 無人機傾斜攝影測量與三維實景建模

1.1 無人機傾斜攝影測量

無人機傾斜攝影技術是由傳統攝影測量衍生出的新興技術,其本質是在無人機飛行平臺上搭載多方向的數碼相機,不僅能獲取正下方的影像數據,即正射影像,還能同時獲取與地表成一定角度(≥5°)的影像數據,即傾斜影像,從而使獲取的信息更為完整[13]。搭載五鏡頭的無人機傾斜攝影如圖1所示。

圖1 五鏡頭傾斜攝影系統采集影像分布

無人機傾斜攝影系統主要包括地面站、飛行平臺及載荷。其中,地面站主要保持與無人機通信,并實時獲取無人機的飛行高度、速度及航線執行情況等,確保無人機飛行安全;飛行平臺為固定翼、多旋翼或混合翼的無人機;載荷主要由多方向的數碼相機與定位定向系統組成,定位定向系統用于提供曝光瞬間攝站在地面坐標系的坐標及影像的位置、姿態。

1.2 三維實景建模

傳統的三維建模是利用AutoCAD、3ds Max等軟件進行手工建模,不僅效率低,而且模型紋理不符合實際。隨著計算機技術的不斷發展,結合虛擬現實技術和三維可視化技術能夠建立紋理信息更為豐富、更符合實際的三維實景模型。常見的實景建模軟件有ContextCapture、PhotoScan、Smart3D、大疆智圖、DP-Smart等[14]。

傾斜攝影測量三維實景建模基于傳統航空攝影測量中的共線方程及POS輔助空中三角測量得到白模,再將影像的紋理映射到白模上,得到三維實景模型。POS輔助空中三角測量是將POS系統的原始數據進行嚴格的聯合數據后處理,以測定相機準確的空間位置和姿態,然后將其與像點坐標觀測值進行整體平差,從而直接確定地面目標點的三維空間坐標和6個影像外方位元素。圖2為無人機傾斜攝影測量系統對地面攝影獲得像點a的中心投影成像原理。

圖2 傾斜攝影測量中心投影成像示意

設像點a在以像主點o為原點的像平面坐標系xoy中的坐標為(x,y),GNSS天線相位中心A在物方空間坐標系M-XYZ中的坐標為(XA,YA,ZA),則投影中心、像點、物點像平面坐標與物方空間坐標應滿足如下共線方程[15]

(1)

式中,(x,y)為像點的像平面坐標;f為像片主距;(XA,YA,ZA)為物方點的物方空間坐標;(XS,YS,ZS)為攝站點S的物方空間坐標,即外方位元素;a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3表示影像外方位角元素φ、ω、κ的方向余弦。

設機載GNSS天線相位中心A在相機本體坐標系I-μνω中的坐標為(μA,νA,ωA),則由影像姿態角φ、ω、κ所構成的正交變換矩陣R可得

(2)

當IMU測定的相機姿態角為φ′、ω′、κ′時,其與外方位角元素構成的關系式可表示為

(3)

式(1)—式(3)構成了影像定向參數與影像外方位元素間的嚴格幾何關系,同時也是POS數據與傾斜攝影測量觀測值聯合平差的基礎[16]。

POS輔助空中三角測量使用的觀測數據包括像點坐標、機載GNSS確定的攝站坐標及機載IMU測定的姿態角,待估參數則包括視物點地面坐標、影像外方位元素及各類誤差的改正數。基于此可構建誤差方程,利用最小二乘平差方法即可求解物點的三維地面坐標和影像外方位元素的平差值[17],從而實現免像控建模。

2 仿地傾斜攝影數據采集與整理

2.1 傾斜攝影測量系統

以飛馬D2000無人機為例,其集成的高精度GNSS板卡不僅能夠同時接收北斗、GPS、GLONASS雙頻觀測數據,而且基于GNSS精確授時機制和持續校準可實現亞毫秒級同步精度,有效確保了POS原始觀測數據的質量。載荷選擇D-OP3000五鏡頭傾斜攝影模塊,一次拍攝能從獲取的多角度地面影像上得到地面物體的精細信息。無人機及傾斜攝影模塊相關參數見表1、表2。

表1 無人機相關參數

表2 傾斜攝影測量系統相關參數

由于此無人機具有精確仿地飛行功能,將其應用于水利樞紐起伏大的高山峽谷地形,能夠獲取地面分辨率一致的影像數據。仿地飛行是指在無人機作業過程中設定與已知三維地形的固定高度,使其與目標地物保持恒定高差,從而保證地面分辨率一致。借助仿地飛行,無人機能夠適應不同地形,并根據測區地形自動生成變高航線,從而獲取分辨率均勻的原始數據,實現更好的建模效果。

2.2 數據采集

水利樞紐工程現場地形高差大,因此數據采集選擇仿地飛行的方式。進行航線規劃時需導入測區的高程數據。但由于NASA SRTM 30 m高程數據精度較低,更新頻率慢,且工程現場地面高差變化大,為獲得高分辨率的影像數據,同時確保無人機安全,航線規劃時采用預先飛行采集的測區數字地表模型(DSM)輔助航線設計,避免了由全球高程數據獲取誤差引起的無人機安全隱患。測區DSM如圖3所示。

圖3 測區DSM

根據預先飛行采集的測區DSM完成航線規劃,設計的影像地面分辨率為3 cm,最終航線如圖4所示。

圖4 精確仿地航線

航線設計完成后選擇晴朗、光線充足的天氣進行數據采集工作,采集流程如圖5所示。最終累計航飛3個架次,共采集7605張影像。

圖5 數據采集流程

2.3 數據處理

2.3.1 POS解算

無人機能夠提供基于網絡載波相位的實時動態差分(NRTK) POS,但因NRTK易受網絡延遲、流動站與參考站間的距離、共視衛星數等因素的影響,因此其數據處理軟件支持后處理動態差分(PPK)重新解算POS。

利用PPK重新解算POS時,基于智理圖模塊,只需將流動站觀測文件、基準站觀測文件、廣播星歷文件導入即可進行解算。本文基準站觀測文件是從其數據處理軟件中下載的虛擬基準站觀測文件,且因GLONASS在軌有效衛星數較少,解算時只選用GPS、BDS雙系統進行PPK POS解算。

2.3.2 模型重建

建模軟件選擇瞰景Smart3D實景建模軟件系統。該軟件自動化程度高,數據處理流程簡單,只需將影像、POS導入即可提交三維模型重建。為對比分析基于NRTK與PPK的POS建模精度,分別進行基于NRTK POS與PPK POS的兩次模型重建。

傾斜攝影測量構建的三維模型相較于傳統正射影像擁有更為詳細的側面紋理信息。建模完成后模型整體均色彩均勻、清晰。傾斜模型如圖6、圖7所示。

圖6 基于NRTK POS的傾斜模型

圖7 基于PPK POS的傾斜模型

3 免像控三維實景模型分析

3.1 精度分析

為驗證基于NRTK、PPK的影像POS應用于免像控傾斜攝影測量三維建模的精度,采集數據前在測區內均勻布設并采集40個特征檢查點。檢查點布設如圖8所示。

圖8 檢查點布設

將檢查點導入Smart3D軟件已建好的模型中,并對比檢查點的坐標與模型中的坐標,得到模型精度。平面誤差與高程誤差的計算公式為

(4)

式中,ΔP與ΔH分別表示平面誤差與高程誤差;(XM,YM,HM)表示三維模型中檢查點的坐標;(XR,YR,HR)表示檢查點的實際測量坐標。各特征檢查點的誤差見表3。

表3 基于NRTK PPK POS的模型精度 cm

由表2可知,基于NRTK與PPK POS的免像控傾斜攝影測量三維建模的三維模型平面位置中誤差分別為10.7、7.6 cm;高程中誤差分別為18.4、9.9 cm。根據《三維地理信息模型數據產品規范》(CH/T 9015—2012)中關于Ⅰ級1∶500成圖比例尺三維模型產品規定的“平面中誤差小于0.3 m,高程中誤差小于0.5 m”的要求,基于NRTK與PPK POS的三維模型精度均滿足要求,但基于PPK POS的三維模型精度優于基于NRTK POS的模型精度,尤其在高程方向。兩者模型精度詳細對比如圖9所示。

圖9 基于NRTK PPK POS的模型精度對比

由圖9可知,模型的精度與初始POS精度相關,在一定程度上,高精度的影像POS可提升最終三維模型的精度。

3.2 紋理分析

紋理質量對于三維模型的應用同樣至關重要。分析發現,本次免像控傾斜攝影測量三維建模模型細節的紋理質量較好,能夠滿足后期應用需求,如圖10所示。

圖10 模型紋理質量

4 結 語

本文通過兩組對比試驗驗證了基于NRTK、PPK POS的無人機免像控傾斜攝影測量三維建模的模型精度,同時探討了基于DSM的精確仿地飛行在數據采集、DSM生成、航線規劃等不同階段的主要操作流程。基于NRTK 、PPK POS的無人機免像控傾斜攝影測量三維建模的模型精度均滿足《三維地理信息模型數據產品規范》中的相應要求。但對比檢查點發現,基于PPK POS的三維模型精度優于基于NRTK POS的模型精度,尤其在高程方向。因此在免像控建模時,宜采用PPK解算的POS。