基于無人機平臺兩種不同攝影方式的大比例尺成圖方法比較與應用

金云根,馮 鋒

(1.江西有色地質礦產勘查開發院,330030,南昌;2.江西省地質調查勘查院基礎地質調查所,330030,南昌;3.江西省地礦測繪院,330030,南昌)

0 引言

基于垂直攝影的立體測圖方式一直是獲取地形圖最重要的方法,隨著傾斜攝影技術的發展,基于傾斜攝影的裸眼三維測圖方法日益成熟,正逐漸成為大比例尺地形圖特別是高精度地形圖獲取的重要手段。由于無人機航空攝影具有空域限制小、任務響應速度快,成本低、輕便靈巧的優點,近年來,基于無人機平臺的這2種成圖方法已成為大比例尺地形圖獲取的重要方式。本文從實際工作出發,對基于無人機平臺的這2種成圖方法進行了詳細的介紹,分析了2種方法的優缺點,結合實例對綜合采用2種方法開展大比例尺地形圖測繪提出了一些有益的建議。

1 基于垂直攝影的立體測圖方法

基于“雙目視覺”的立體測圖方法具有悠久的歷史,從20世紀20年代世界上第一臺立體測圖儀誕生至今已有百余年的歷史,先后經歷了模擬測圖、解析測圖、數字測圖3個時代。我國在20世紀90年代先后研制成功了2套商業化的具有完全自主知識產權的數字攝影測量工作站(DPW)VirtuoZo、JX4,當時處于世界領先地位[1]。DPW由計算機與相應的攝影測量軟件組成,將所有的攝影測量的功能用軟件來實現,代替了傳統的各種昂貴的精密光學、機械+計算機的攝影測量儀器[2]。基于垂直攝影的立體測圖流程詳見圖1。

圖1 基于垂直攝影的立體測圖流程

1.1 垂直攝影

無人機平臺搭載的垂直攝影相機系統一般為非量測型普通數碼相機,經典機型有佳能5D3、尼康D810、索尼A7R2等,常用焦距為35、25 mm。

地面分辨率(GSD)是影響成圖精度的重要因素之一,航高與地面分辨率、像元大小、焦距的關系如圖2所示,基于垂直攝影的測圖比例尺與地面分辨率對應關系見表1。

表1 測圖比例尺與地面分辨率對照表

圖2 航高與地面分辨率、像元大小、焦距的關系示意圖

航高與地面分辨率、像元大小、焦距的關系如下式:

(1)

式中,H為攝影航高(m),GSD為地面分辨率(m),α為像元尺寸(mm),f為鏡頭焦距,(mm)。

在實際作業中,航向重疊度一般為80%,旁向重疊度一般為50%,航向覆蓋超出邊界線不少于3條基線,旁向覆蓋超出邊界線不少于1條航線。

1.2 像片控制測量

基于垂直攝影的像控點(含空三檢查點)一般采用飛后區域網方式布點,區域網的圖形宜呈矩形或方形,區域網的大小和像控點之間的跨度以能夠滿足空三精度要求為原則,見表2、表3;像片控制點的目標影像應清晰,易于判刺和立體量測,同時應是高程起伏較小、常年相對固定且易于準確定位和量測的地方[3];測區為弱紋理區域(如林區、草原),難以判刺像控點時則需要飛前布點;一般采用GNSS RTK作業模式測定像控點的平面坐標和高程。

表2 無GNSS輔助航攝區域網布點要求

表3 GNSS輔助航攝區域網布點要求

1.3 空中三角測量

空中三角測量是傳統航測成圖的關鍵步驟,用于確定區域內所有影像的外方位元素。涉及的主要關鍵技術有畸變差糾正、影像匹配、區域網平差等。

由于無人機搭載的非量測相機鏡頭畸變差較大,進行攝影測量時首先要對非量測相機進行檢校,獲取畸變參數來對像片進行改正。常用的檢校方法有檢校場法、自檢校法和基于多像滅點的檢校方法等。

影像匹配是在兩幅或多幅具有重疊度的影像中采用特定的算法提取影像間同名點的過程,主要有基于灰度的匹配方法和基于特征的匹配方法[4]。大部分傳統的攝影測量商業軟件在進行連接點提取時都使用標準的影像匹配技術,如歸一化相關系數匹配(NCC)和最小二乘匹配(LSM),但這些方法僅適用于影像尺度一致的垂直攝影情形[5]。

現代空三軟件均采用光束法區域網平差模型,光束法區域網平差是一幅影像所組成的一束光線作為平差的基本單元,以中心投影的共線方程作為平差的基礎方程[2]。采用GNSS/IMU輔助空三方法可大幅減少像控點所需的數量。目前,市面上有許多成熟的商業化的空三軟件系統,國外代表性有inpho、ips、PHOTOMOD等,國內代表性的有GodWord、Pixelgrid等。

1.4 地形要素采集

地形要素采集首先要將空三成果導入全數字攝影測量工作站,通過恢復立體模型來進行采集,國內采用的全數字攝影測量工作站主要有VirtuoZo、JX4、MapMatrix等。目前數字攝影測量工作站前端采集系統一般均基于Nvidia 3D Vision技術,通過3D Vision立體幻鏡+3D顯示器+Nvidia Quadro專業立體顯卡+應用程序的組合來實現。Nvidia 3D Vision立體幻鏡采用主動快門式技術,在專業立體顯卡及采用3D Vision 技術的大屏液晶顯示器的支持下,作業員能夠獲得非常清晰的真三維立體,結合手輪、腳盤或者3D鼠標可以很方便地實現數據采集工作。

在立體模型下,按照規范、圖式要求進行全要素采集,對能準確判繪的地物、地貌按要求直接測繪,對無把握的內業只測繪外輪廓作為疑點留給外業調繪時處理。

1.5 調繪、補測及編輯

大比例尺航測成圖的調繪一般多采用先內后外的作業方式。將采集的數據進行整理并分幅打印,到實地進行全面巡視核查,調繪時需做到:走到、看清、問明、繪準。主要工作有:查看內業測圖與實地是否相符、表示是否合理、符號運用是否恰當、各種注記是否準確無誤等;對于內業漏測、測錯或表示不準確的,進行改正并按實地情況進行合理表示;調繪地理名稱、居民地名稱、房屋層次及結構、電力線連接關系、河流溝渠流向、植被與土質符號的配置及各類說明注記等;由于立體采集時房屋是按屋檐測繪的,當屋檐寬度大于圖上0.2 mm時應量取屋檐寬度,并在調繪圖上進行標注,供內業編輯改正用。

補測主要是對航攝后的新增地物、陰影區地物、隱蔽部位及地形復雜部位等內業無法或不能準確采集的要素進行實地測繪[6]。補測可采用RTK、全站儀進行數據采集,也可以采用手持測距儀、鋼尺通過距離交會法進行補測。

編輯主要是根據外業調繪圖和補測數據,通過編輯軟件在計算機上進行房檐改正、符號繪制和注記配置、屬性錄入等,通過圖形編輯、修改、拓撲處理、接邊等,形成符合圖式要求的地形圖。

2 基于傾斜攝影的裸眼三維測圖方法

相較于傳統的立體測圖,利用傾斜攝影處理后獲取的實景三維模型進行測圖的時間并不長,2010年4月,天下圖公司引進了美國Pictometry公司的傾斜攝影測量技術,開啟了國內實景三維建模的大門[7],為基于傾斜攝影的裸眼三維測圖奠定了基礎。相較于傳統的垂直攝影,傾斜攝影能有效地獲取地物側面紋理,可對同一地區進行多視角重復觀測,能獲得符合人眼視覺的直觀世界的影像等[8]。基于傾斜攝影的裸眼三維測圖流程如圖3所示 。

圖3 基于傾斜攝影的立體測圖流程

2.1 傾斜攝影

無人機平臺搭載的傾斜攝影相機系統,多采用五鏡頭馬耳他十字結構,由1個下視相機、4個傾斜相機組成,傾斜相機角度一般為45°,如圖4所示,能同時從垂直、傾斜等不同的角度采集影像。下視相機焦距常采用25 mm,傾斜相機焦距常采用35 mm,保證了傾斜影像中心點的GSD跟下視影像的GSD基本一致。

圖4 Maltese-cross 1+4傾斜多相機系統示意圖

已有研究表明,在一定密度的像控點控制下,傾斜三維模型的精度約為GSD的2～3倍[9-10]。在實際作業中,一般按模型精度為GSD的3倍這一經驗值,結合成圖精度及實景三維模型的表現效果來設計航攝時的GSD,基于傾斜攝影的測圖比例尺與地面分辨率對應關系見表4。

表4 測圖比例尺與地面分辨率對照表

在實際作業中,傾斜攝影航向重疊度一般為80%,旁向重疊度一般為70%,為了獲取到攝區外圍完整的側面紋理,航向應超出航攝分區一定的基線數,旁向應超出航攝分區一定的航線數,超出的基線數、航線數按式(2)、(3)、(4)計算[11]。

(2)

式中,N為理論超出值(條),θ為傾斜相機角度(°),β為傾斜相機視場角(°),P為航向或旁向重疊度。

在實際飛行中,由于大氣等因素的影響,航向或旁向覆蓋超出邊界線的實際值一般按式(3)和式(4)計算:

N基=N+2

(3)

N航=N+1

(4)

式中,N基為基線數,N航為航線數。

2.2 像片控制測量

傾斜攝影的像控點(含空三檢查點)多采用飛前布設方式,位于固化地面上的像控點采用噴漆在地面上噴涂易于分辨的明顯標識,位于非固化地面上的像控點可采用膩子粉布設,一般采用GNSS RTK作業模式進行像控點測量,所有像控點均為平高點。

基于傾斜攝影的像片控制點布設方式,作業中一般采用區域網方式布點,按照經驗數值,相鄰像控點的實地間距為10 000像素至20 000像素之間[12],具體可根據測區航攝時航向及旁向重疊度、高差、測區紋理、測區的精度要求布設合適密度的像控點。當采用差分GNSS輔助航攝時,相鄰像控點的間距可以適當放寬。

一些學者對像控點的布設與三維模型精度之間的關系進行了研究試驗,畢波等[13]試驗表明,像控點的數量直接影響模型的精度,三維模型的精度與像控點的數量呈非線性正相關;當像控點數量較少時,增加像控點的數量能明顯提高三維模型的精度,當像控點數量增加到一定值時,模型精度提高不明顯。王朝輝等[14]采用縱橫CW-15垂起固定翼無人機搭載睿鉑DG4-Pros全畫幅五鏡頭傾斜相機,采用差分GNSS輔助航攝5.5 km2的范圍作為試驗區,GSD 3 cm,試驗區內高差≤5 m,屬于平坦地區;利用RTK實測了22個檢查點,對生產的三維模型進行了精度檢核,像控點數量與模型精度關系見表5;通過比較發現,隨著像控點數量的增加,模型的平面精度和高程精度都有所改善,其中,平面精度變化相對比較穩定,在稀疏像控點的情況下,平面精度也可以保證,而高程精度會隨著像控點的布設位置和數量變化帶來明顯改變。

表5 像控點數量與模型精度統計表

2.3 空中三角測量和傾斜三維模型生產

傾斜攝影空三和實景三維模型生產涉及到的主要關鍵技術有多視影像之間的同名匹配、聯合平差、密集匹配技術、表面模型重建(幾何重建和紋理映射)等[15]。

同名匹配的作用是恢復影像間的相對位置關系,由于傾斜影像具備多角度、大傾角的特點,造成影像具有較大的透視變形、尺度和光照變化,傳統攝影測量的匹配方法不再適用[5]。許多學者開展了大量的特征提取和匹配算法方面的研究,推動這項技術朝著高精度、全自動的方向發展,現有算法側重于旋轉、平移、尺度、仿射變換等影像變換的處理,面向復雜地形條件下的匹配能力還有待提升[4]。

采用多視影像聯合平差技術進行傾斜影像區域網平差,與傳統攝影測量區域網平差相比,傾斜影像空三在數學模型上基本一致,主要差異在于像點觀測值數目要遠遠多于傳統垂直攝影的方式[5]。

密集匹配是在恢復影像間的相對位置關系后在重疊區域內尋找每個像素同名像點的稠密影像匹配方法,通過密集匹配可以得到高精度高密度點云數據,是從二維航攝影像自動重建三維模型的最有效手段之一。目前,航攝影像的密集匹配普遍采用半全局匹配方法[16]。

幾何重建是利用匹配的密集點云構建不規則三角網,每個物體都可以使用多個不規則三角網來構建,三角網的大小、多少跟地物的復雜程度、航片的重疊度的高低關系密切;幾何重建之后就是紋理映射,計算毎一個三角形面片和對應的影像區域之間的幾何關系實現不規則三角網與紋理影像之間的配準,將配準好的紋理映射到三角面片上,生成實景三維模型[17]。

傾斜攝影數據處理的眾多關鍵技術依然是攝影測量和計算機視覺領域的研究熱點,基于深度學習的影像匹配是其中的一個重要方向[4]。目前,市面上推出了許多商業化的三維重建系統,國外代表性的系統有StreeFactory、ContextCapture、PhotoMesh、Pix4D、Metashape等。國內代表性的系統有DP-Smart、Mirauge3D、GET3D等。

2.4 地形要素采集

在裸眼三維測圖軟件系統中加載傾斜三維模型,全要素采集各類要素,采集要求跟基于垂直攝影的立體測圖方式是一致的。國內應用較多的裸眼三維測圖軟件有EPS、DP-Mapper、Idata_3D和TSD 3DMapper等。

2.5 調繪、補測及編輯

調繪、補測及編輯等工作跟基于垂直攝影的立體測圖方式所對應作業方法、要求基本一致。由于房屋采集時直接采集到了墻面,調繪及編輯工作中最繁瑣的房檐改正工作基本省略,對房屋較多的測區效率提升明顯。

3 2種成圖方法的優缺點及綜合應用

3.1 傳統立體測圖的優缺點

優點:作業方法成熟,航攝時影像數量較少,空三加密對計算機的硬件要求較低,能夠以較低的GSD獲得清晰立體效果,在建成區外圍1：500～1：2 000比例尺以及小于1：2 000比例尺測圖中具有很大的優勢。在有植被的地方,可以通過植被縫隙將測標壓到地面上采集地面高程。

缺點:采集時需專門的數字攝影測量工作站,需佩戴立體眼鏡配合手輪腳盤進行作業,同時受人眼“視差”的影響,作業員需要一定的工作經驗,訓練周期較長;在城鄉建成區1：500～1：2 000比例尺立體數據采集時,由于一般只能測繪房頂,外業調繪及內業編輯時房檐改正這塊工作量較大,同時房檐的準確寬度也不容易量取,對地形圖的精度影響較大。

3.2 裸眼三維測圖的優缺點

優點:通過提高航攝時的GSD,可以獲得較高的成圖精度,可用于立面測繪、古建筑測繪、地籍測量,近年來在農村“房地一體”的不動產確權登記及古建保護中得到了大量的應用。傾斜攝影生成的三維模型具有跟實地一致的形狀、紋理、坐標,支持全方位的瀏覽與量測,可直接采集到墻面,省略后續房檐改正的工作,也減少了因房檐改正引起的誤差,采集過程中可以判繪房屋層數與建筑結構、部分單位名稱等,在這方面較傳統航測成圖方法有較大的技術優勢[18]。三維模型由于具有實地的一致性,對測量人員的技能要求降低了,不需要較長時間的專業訓練就可以進行測圖作業。跟傳統立體測圖方式相比,不存在“視差”影響,量測的數據精度基本取決于模型精度,特別是高程采集方面,減少了人為誤差。

缺點:航攝時影像數量多,傾斜影像造成同名點匹配困難,空三加密和三維重建對算力要求較高,耗時也長,特別是三維重建需要配備高性能的計算機集群。由于傾斜三維模型是基于密集匹配點云的幾何及紋理重建,容易造成消防栓、通訊桿、電桿、路燈、電纜標、旗桿、里程碑、檢修井等點狀地物以及管道、柵欄、籬笆、鐵絲網、小水溝、微地貌等在三維模型中表現不夠清晰或部分缺失,當GSD>5 cm時這種情況更為明顯,容易造成此類地形地物無法采集或采集困難,增大了外業調繪補測的工作量。高程點采集時是基于模型表面的自動提取,在有植被的地方難以采集到地面高程。

3.3 綜合采用2種成圖方法進行大比例尺測圖

金云根[18]在西藏自治區桑日縣城規劃區1：500地形圖測繪項目中,針對青藏高原地區的特殊環境條件,選用適宜高原飛行的無人機系統進行傾斜攝影和垂直攝影,基于傾斜三維模型測圖和傳統立體測圖相結合的方式進行作業試驗。試驗區地處雅魯藏布江北岸河谷地帶,為典型的高山谷地地形,平均海拔約為3 600 m,試驗區面積約4.5 km2,地勢較為平緩。

按飛前布設方式,試驗區較均勻地布設了57個像控點及空三檢查點;利用飛馬D2000多旋翼無人機按仿地飛行模式進行傾斜攝影,航向重疊80%、旁向重疊65%、GSD 3 cm、相對航高191 m;同樣用D2000搭載D-CAM2000正射相機進行垂直攝影,航向重疊80%,旁向重疊65%、GSD 5 cm、相對航高319 m;傾斜攝影采用ContextCapture 4.4.16進行空三測量及OSGB格式三維模型重建;垂直攝影采用GodWork3.1.8自動空中三角測量系統進行空三加密,導出Patb格式空三成果供全數字攝影測量工作站使用。

首先在EPS2016軟件系統中加載傾斜三維模型對測區建城區進行裸眼三維測圖,全要素采集各類要素;對于非建城區的地形地物要素以及建城區三維實景模型上一些不易分辨的或者不方便采集的地形地物要素,通過將GodWork的空三成果導入VirtuoZo2014數字攝影測量工作站,在立體模型上進行采集。對2種方式采集的地形地物要素粗編后制作調繪底圖,通過外業調繪、補測、內業編輯獲得試驗區最終的地形圖成果。綜合采用2種方法測圖流程如圖5所示。

圖5 綜合采用2種方法測圖流程

對研究區測繪成果進行數學精度評定,在研究區較均勻分布并用RTK及全站儀測定了196個平面檢查點,125個高程檢查點。經驗證,平面中誤差0.125 m,高程中誤差0.062 m,詳見表6、表7,滿足規范要求。

表6 平面精度統計表

表7 高程精度統計表

試驗區綜合采用2種測圖方法進行全要素采集,不需要進行房檐改正,所有要素基本做到了應測盡測,減少了外業調繪和補測工作量80%以上,整體效率遠優于單一測繪方式,降低了勞動強度,顯著提高了作業效率和質量。

4 結束語

這2種成圖方法在今后很長一段時間內都將是地形圖獲取的主要手段,2種方法各有優缺點,可根據測區的具體情況,綜合采用2種方法成圖。對于建城區外建筑物較少的范圍可采用垂直攝影、傳統立體測圖方式進行大比例尺地形圖測繪,以提高作業效率;對于建城區房屋較多的范圍可采用傾斜攝影、裸眼三維測圖方式進行大比例尺地形圖測繪,從而避免了后續繁瑣的房檐改正工作,也減少了因房檐改正引起的誤差,對于三維實景模型上一些不易分辨的或者不方便采集的地形地物要素可采用傳統立體測圖方式進行補充采集,大幅度減少外業調繪和補測的工作,作業效率及質量得到明顯提高。近年來,隨著大面陣數字相機的發展,基于無人機平臺的中畫幅垂直攝影相機和傾斜攝影相機正日漸普及,無人機機載Lidar和SLAM技術也越來越多地運用于大比例尺地形圖測繪;同時人工智能領域的計算機視覺技術和深度學習技術中的新理論和新方法正逐漸融入攝影測量,推動著基于無人機平臺的大例尺地形圖測繪向智能化、自動化方向發展。