傾斜攝影測量在建筑密集區(qū)地形測繪中的應(yīng)用

金雅敏

(南通市房產(chǎn)管理測繪隊,江蘇 南通 226001)

0 引言

近年來,隨著城市人口增長和土地資源限制,老城區(qū)往往需要在有限的土地上進行居住空間的重新規(guī)劃和優(yōu)化,因此需要在有限的空間內(nèi)密集安置建筑物來滿足居民住房需求。而另一方面,由于歷史原因或城市發(fā)展不平衡,使得城市普遍存在建筑密集度高、建筑物遮擋等問題,給傳統(tǒng)測繪方法帶來了挑戰(zhàn),限制了地形圖測繪精度和效率。而傾斜攝影測量技術(shù)通過無人機搭載影像數(shù)據(jù)采集設(shè)備,可以從不同角度和高度獲取地面影像數(shù)據(jù),并結(jié)合精確的定位信息,可以實現(xiàn)對建筑密集區(qū)域地形的高精度三維重建和模型生成。該技術(shù)能夠克服建筑物遮擋、提供全方位的地形信息,幫助城市規(guī)劃者和決策者可以更好地了解地形特征、地物分布和地勢起伏等信息,為城市的發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)[1-2]。

1 項目概況及外業(yè)影像數(shù)據(jù)采集

1.1 項目概況

實驗測區(qū)為N市某棚改區(qū),測區(qū)約占地面積約10 km2,測區(qū)內(nèi)建筑老化、基礎(chǔ)設(shè)施陳舊、環(huán)境臟亂等問題嚴重。現(xiàn)需要拆除老舊建筑、更新基礎(chǔ)設(shè)施、提供新的住房和公共設(shè)施等措施,從而改善居民的居住條件,提升城市形象。而地形圖測繪可以幫助了解棚改區(qū)的地貌特征、地形變化等情況,確保棚改工作的順利進行,為規(guī)劃新的建筑布局、道路交通規(guī)劃等提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由于測區(qū)建筑密集,相互遮擋嚴重,傳統(tǒng)測量方式效率極低,按照城市規(guī)劃和房產(chǎn)管理部門要求,現(xiàn)需要應(yīng)用傾斜攝影測量技術(shù)對測區(qū)進行1∶1 000地形圖測繪。

1.2 整體技術(shù)流程分析

本研究以建筑密集區(qū)域地形圖測繪應(yīng)用為研究對象,通過采集傾斜攝影數(shù)據(jù)并進行處理分析,探索傾斜攝影測量技術(shù)在地形測繪中的優(yōu)勢和應(yīng)用方法。首先,實驗以某棚改區(qū)為對象,針對測區(qū)復(fù)雜的工作條件,應(yīng)用固定翼無人機粗采集和多旋翼無人機精細化采集技術(shù)方案,并在地面設(shè)定一定數(shù)量像控點;然后,通過傾斜攝影數(shù)據(jù)的處理和分析,實現(xiàn)建筑物的三維重建和地形模型的生成;再以實景三維模型為基礎(chǔ),在三維模型軟件中進行地形圖繪制;最后,對比傾斜攝影測量技術(shù)與傳統(tǒng)測繪方法在建筑密集區(qū)域地形測繪中的差異,并評估傾斜攝影測量技術(shù)的精度和效率。具體工作流程如圖1所示。

1.3 航線規(guī)劃及影像數(shù)據(jù)采集

實驗時為保證能夠獲取測區(qū)多視角影像數(shù)據(jù),外業(yè)數(shù)據(jù)采集分為粗采集和精采集兩個方面,并在測區(qū)布設(shè)一定數(shù)量像控點,應(yīng)用GPS-RTK采集像控點坐標,方便后期兩類數(shù)據(jù)進行合并。

本次實驗影像數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的是飛馬F200 固定翼無人機,搭載SONY RX1 RⅡ多鏡頭。首先在地圖上標出關(guān)鍵點,包括但不限于建筑物的角點、地面標志物或其他顯著地物,并根據(jù)采集區(qū)域的大小和形狀,確定合適的起飛點和降落點;然后根據(jù)采集區(qū)域的大小和分辨率要求,確定航線的間距和高度。航線的設(shè)置應(yīng)該形成一個“井”字形的模式,即先沿著一條直線飛行,然后在到達邊界時轉(zhuǎn)彎,再沿著下一條直線飛行,如此重復(fù);最后,啟動無人機,按照預(yù)設(shè)的航線依次飛行并采集多角度影像數(shù)據(jù)[3]。粗、細影像數(shù)據(jù)采集航線設(shè)計見圖2。

精細化影像數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的是大疆經(jīng)緯M300 RTK多旋翼測繪級無人機,搭載禪思P1雙鏡頭。實驗時,為覆蓋整個目標區(qū)域,并保證相鄰影像之間有足夠的重疊度,采集測區(qū)多角度、完整影像數(shù)據(jù),規(guī)劃交叉環(huán)繞的航線。作業(yè)時,在無人機飛行路徑上設(shè)置交叉點;然后,通過控制無人機的飛行軌跡和相機的拍攝參數(shù),使相機以傾斜的角度拍攝地面影像。無人機在影像采集過程中,會按照預(yù)定的航線依次飛行至交叉點,并在每個交叉點處進行拍攝,以確保覆蓋整個目標區(qū)域[4-5]。

2 實景三維建模及地形圖測繪

2.1 實景三維建模

實驗測區(qū)實景建模軟件應(yīng)用的是Context Capture Center 建模軟件。實景建模時,首先需要將無人機POS數(shù)據(jù),慣性導(dǎo)航系統(tǒng)直接測定的姿態(tài)信息需要轉(zhuǎn)換到攝影測量中所需要的姿態(tài)信息才能用于作為外方位元素使用;然后將POS數(shù)據(jù),粗、細采集的原始影像和相機文件導(dǎo)入Context Capture Center 軟件中,完成數(shù)據(jù)導(dǎo)入之后,進行空三加密任務(wù),包括提取連接點、匹配連接點、光束法區(qū)域網(wǎng)平差、創(chuàng)建區(qū)塊提交空三任務(wù),將兩類數(shù)據(jù)進行合并;再將TIN模型中每個三角面的坐標信息與相對坐標的貼圖信息進行匹配,自動進行裁切并映射到三角面,實現(xiàn)TIN模型自動貼圖,生成包含真實貼圖信息的實景三維模型,如圖3所示[6]。

2.2 地形圖測繪

地形圖測繪應(yīng)用的是EPS軟件,該軟件提供基于正射影像、立體像對、實景三維模型、全景影像、點云等數(shù)據(jù)的二三維一體化采編工具,支持大數(shù)據(jù)瀏覽以及采編制圖建庫一體化,直接對接基礎(chǔ)地形測繪、自然資源調(diào)查、三維不動產(chǎn)測量、多測合一等應(yīng)用。首先,啟動軟件并選擇三維測圖進行OSGB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,將Context Capture軟件生成的OSGB文件生成EPS軟件能識別格式,選擇OSGB文件夾內(nèi)的XML文件,加載轉(zhuǎn)換后的傾斜模型。在應(yīng)用軟件對建筑物進行地形圖繪制時,一般選擇五點房繪法,只需采集房屋墻面五個點便可輕松將矩形房屋繪制出來,同時還可直接去除房檐,完成測圖。繪制效果如圖4所示[7]。

在地形圖繪制時,如果存在植被覆蓋區(qū)域,需根據(jù)調(diào)整傾斜模型上生成的三角網(wǎng)與地形表面的貼合程度來修改錯誤高程點,使提取出來的高程點更加吻合地形的變化,從而得到更高精度的等高線。

3 對比分析

在地形圖測繪過程中,質(zhì)量控制是非常重要的環(huán)節(jié)。本次實驗為檢驗三維模型的數(shù)據(jù)精度是否符合規(guī)范要求,幫助技術(shù)人員及時糾正可能存在的錯誤,共選取30個校對點位進行數(shù)據(jù)的比對檢驗,將繪制的地形圖坐標成果與全站儀實測結(jié)果進行對比,校對結(jié)果如表1所示。

表1 校對點精度統(tǒng)計表 m

根據(jù)CH/T 9015—2012三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范中的模型評價標準,對地形圖成果進行精度評定。結(jié)果顯示,地形圖平面中誤差均不超過8 cm,高程中誤差不超過10 cm,滿足1∶1 000地形圖測繪精度要求。此外,在效率上和成本上來看,傳統(tǒng)的調(diào)查方式都是依靠測量員實地測繪,實驗測區(qū)需要2名測繪員測量約3 d時間,耗費時間長且人工成本高,而相同測區(qū)無人機傾斜攝影只需要半天時間。并且內(nèi)業(yè)基于實景三維模型能快速進行地形圖繪制,內(nèi)外業(yè)綜合效率約是傳統(tǒng)方法的2倍～3倍,本次實驗應(yīng)用技術(shù)具有更高的效率和更豐富的信息獲取能力[8]。

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明,傾斜攝影測量技術(shù)能夠有效克服建筑物遮擋和地形復(fù)雜性,提供更精確、全面的地形數(shù)據(jù),為城市規(guī)劃和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供可靠的支持。本文研究結(jié)果對于傾斜攝影測量技術(shù)在建筑密集區(qū)域的應(yīng)用具有重要參考價值,為地形測繪領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的思路和方法。