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大比例尺地形图测绘中无人机倾斜摄影的运用
发布时间:2021-02-01

  摘    要: 无人机倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术,利用低空高清影像进行三维重建得到精细的三维实景模型,实现虚拟测绘,从而变革测绘技术手段。介绍了无人机倾斜摄影技术的原理和技术优势,结合实际案例,详细说明了该技术在测绘工程中的操作流程,验证了该技术应用在测绘工程中的可行性。

  关键词: 倾斜摄影技术; 大比例尺地形图; 无人机; 测绘;

  0 、引言

  随着无人机倾斜摄影技术的不断成熟,利用其可快速、准确获取地物信息的特点,广泛应用于大比例地形图测绘项目中,为大比例地形图测绘项目提供满足精度要求的信息数据,有效解决传统测绘外业工作量大、项目成本高、效率低、作业周期长等问题,进一步提高了大比例地形图测绘的生产效率。

  1、 倾斜摄影技术概述

  1.1、 无人机倾斜摄影技术的基本原理

  无人机倾斜摄影技术突破了传统的航天航空摄影只能从单个垂直角度进行拍摄的技术壁垒,通过在同一飞行平台上搭载多台传感器(目前常用的是五镜头相机),同时从垂直、倾斜等不同角度采集影像,获取地面物体更为完整准确的信息。

  1.2、 无人机倾斜摄影技术在大比例尺地形图测绘中的优势

  无人机倾斜摄影技术是利用无人机进行拍摄,航高较低,空域易申请,机动灵活,能够实现自动化三维模型数据采集,相比传统的测图技术提高了效率。无人机倾斜摄影技术的优势主要表现:(1)无人机可以多方位、近距离地获取地面物体的影像数据;(2)影像表达内容更多样丰富,邻近影像的重叠度高;(3)影像的匹配和建模自动化程度高,最大程度保证结果的精确度;(4)无人机倾斜摄影技术可以多角度获取图像,同时获取顶面和侧面的纹理,并对纹理进行清晰的数据采集;(5)具有自动化的优势,节约时间和人力成本。因此,在大比例尺地形图测绘中,无人机倾斜摄影技术相比传统的测绘技术更具优势,能够提高工作效率,满足测绘需要[1]。
 

大比例尺地形图测绘中无人机倾斜摄影的运用
 

  2、 无人机倾斜摄影技术在大比例尺地形图测绘中的应用

  2.1、 案例简介

  测绘区域位于福州市仓山区前锦村,测区范围内房屋较为密集,地势平坦,高程差较小,面积约0.2km2。投入2名作业人员,用时15d,形成包含倾斜三维模型在内的3D(DOM、DEM、DLG)数据成果(用传统数字化测图方法,只能完成单一的DLG数据成果,且用时需1个月左右)。航摄时采用M600Pro无人机搭载一套DG3Pro倾斜相机,包括1台垂直和4台倾斜照相机,根据测区范围结合航摄影像采集位置,实际使用的影像为5679张。本摄区布设了25个平高点作为控制点,采用基于FJCORS网络RTK技术施测,空三加密中有效使用25个。测绘区的区域范围及像控点的分布如图1和图2所示。

  图1 前锦村范围图
图1 前锦村范围图

  图2 像控布点及像主点分布图
图2 像控布点及像主点分布图

  2.2 、具体作业流程

  利用倾斜摄影技术获取仓山区前锦村倾斜影像和模型数据,并通过Context Capture软件处理获得模型数据,结合航天远景Map Matrix3D软件加载三维模型采集DLG,并通过外业实测打点分析采集精度。主要流程如图3所示。

  图3 福州市仓山区前锦村测绘流程图
图3 福州市仓山区前锦村测绘流程图

  2.2.1 、构建工程

  通过对航飞影像数据的加载,设置相机参数、POS数据的获取,检查各点数据的准确性,进行三维模型的制作,并对其进行修饰[2]。

  2.2.2 、空中三角测量

  由于无人机区域网空中三角测量的精度最弱点位于区域的四周,区域内部的精度高而且均匀。因此在无人机倾斜摄影技术中,采用5点布设法更能在满足精度要求条件下减少控制点的数量,有效满足倾斜摄影空中三角测量的要求。空中三角测量作业流程如图4所示。

  图4 空中三角测量作业流程图
图4 空中三角测量作业流程图

  在实际操作中,数据梳理阶段采用空三加密处理的方法,将加密点中误差控制在0.00814~0.01202m/像素,控制点的平面中误差为0.013m,高程中误差为0.004m。避免因加密点精度问题造成测量质量的下降。

  2.2.3、 影像密集匹配

  通过密集匹配技术,系统自动匹配出所有影像中的同名点,并从影像中抽取更多的特征点构成密集点云,从而更精确地表达地物的细节。地物越复杂、建筑物越密集的地方,点密集程度越高;反之,则相对稀疏。

  2.2.4、 纹理映射

  在提交空三成果后,系统可自动生成畸变差改正影像用于后续的纹理提取。由于云雾的影响,可进行匀光匀色处理,以此保证三维模型的纹理色调的一致性。建立影像金字塔文件,将为三维模型的细节层次结构提供数据基础。自动三维建模基于瓦片技术,将建模区域分割为多个小块。根据并行机制,将每个小块的三维模型建立打包成为一个任务,自动分配各多个节点,进行测区三维模型生产[3]。

  由空三和影像密集匹配后建立的影像之间的三角关系构成三角TIN,再由三角TIN构成白模,软件从影像中计算对应的纹理,并自动将纹理映射到对应的白模上,最终形成真实三维场景,如图5、图6和图7所示。

  图5 高精度的三角格网TIN
图5 高精度的三角格网TIN

  图6 TIN白模型
图6 TIN白模型

  图7 3D纹理映射后模型
图7 3D纹理映射后模型

  2.2.5 、模型修改

  由于自动化生成模型,难免会存在模型匹配错误、瑕疵、漏洞等,其后可通过人工干预的方式修正这些模型错误,最后将修正后的模型进行纹理映射,生产出符合要求的三维模型数据。

  2.2.6、 成果输出

  采用三维重建软件进行倾斜摄影快速三维建模,真三维模型可输出的数据格式为*.osgb格式。模型成果所有建筑物的空间关系和纹理,均采用分层显示技术(LOD),以保证任何配置的计算机均能流畅地显示地物模型,充分详细地表达建筑物细部特征。输出的三维实景模型是按一个个小矩形的范围来输出的。

  2.2.7、 1∶500DLG三维模型采集编辑

  采用航天远景Map Matrix3D软件加载三维立体模式进行DLG采集,在三维下切入模型内部采集水系、居民地及设施、交通、管线、地貌、植被与土质等要素。

  在内业采集时,遇到未能准确判定或隐蔽区未能采集的情况下,标注分以下4种类型:(1)房屋采集时,墙面纹理拉伸或不平整区,不能准确获取其墙面或墙角位置,在不确定处标注“A”,外业重新测量;(2)结构层次等房屋属性不确定时,标注“未调绘”,外业进行重新调绘;(3)若房屋无法以墙面采集,且房檐可采集时,则应以房檐进行采集,并在该房檐边线上标注“Y”,外业单独进行该边的房檐改正。(4)隐蔽地区、阴影部分等未能准确采集时,预先采集其大致位置,同时需在不确定处标注“A”,外业实地补测与调绘。

  2.2.8、 外业调绘及精度验证

  (1)外业调绘。内业采集后,导出DWG格式数据进行外业调绘。外业主要工作内容:(1)对内业采集的房屋角点进行外业检核;(2)对房屋结构层次进行核实;(3)对内业未能准确判定或隐蔽区进行外业补测;(4)对采集地物的完整性进行检查。

  (2)精度验证。经外业实测房角点与内业采集房角点进行精度分析后,发现在房屋无遮挡情况下,生成的房屋模型精度较高,精度可以达到0.05m以上;存在局部拉伸或在隐蔽、密集区域的模型精度较低,精度在0.1m以内。外业调绘完成后,发现内业采集房屋附属设施结构时,易漏采集房屋阳台结构或错误将阳台结构绘制成房屋主体。本案例均匀分布采集255个房角点进行检核,其中平面精度最大值为0.099m,最小值为0.011m,中误差为0.0621m,满足城市测量规范要求[4]。

  2.3、 无人机倾斜摄影技术的质量保证措施

  2.3.1、 空中测量要点

  为确保三维模型的测量精度,需要对测量过程中的测量范围和技术精度标准进行反复测量后确定。在本案例中,对无人机影像的地面分辨率、重叠度和质量提出标准和要求,对无人机的航线进行多次规划,对航摄的高度、基线也制定相关标准,并在测量前对现场设备等进行检查,最大限度提高空中测量的精确度。

  2.3.2、 三维模型数据的要点

  通过无人机倾斜摄影技术获取数据后,在处理前要注意进行现场数据的整理和质量检查:(1)初步检查影像的基本情况,包括影像数、航带数、抽查影像质量是否有云、雾、雪,影像是否发虚,影像命名是否正确;(2)检查资料是否完整,检查飞行记录表、曝光点坐标数据等是否存在,填写是否完整、规范;(3)查看曝光点坐标与实际飞行情况是否一致,当出现有曝光点坐标明显偏离航线时,应做好记录,检查影像;(4)在PS里进行影像重采样,目的是将影像数据量变小,便于检查时操作;(5)按照飞行记录表填写的方式进行影像旋转,特别注意奇数条和偶数条航带的旋转是否相同;(6)输出检查记录,不合格影像做好相应记录;(7)如果数据质量不合格,及时进行补飞与重飞。

  2.3.3、 无人机倾斜摄影中的注意事项

  在无人机倾斜摄影技术的实际操作中,可能会出现以下问题:(1)自体遮挡和建筑物遮挡等问题,影像图像处理效果;(2)由于光照、风力等气候原因,可能导致获取的影像有偏差;(3)在无人机飞行期间可能会因为外在因素导致其出现抖动,影响图案的清晰度。若出现上述问题,可通过以下措施解决:(1)采用多次飞行、多次测量的方法;(2)选择晴朗、无风的天气测量;(3)调整摄影期间的像素[5]。

  2.3.4 、三维模型采集DLG注意事项

  基于倾斜三维模型进行DLG采集时,应注意以下几点:(1)优先采集无遮挡的地物;(2)在模型纹理不平整处或拉花处进行采集时,应进行标注,以便外业进行修补和核实;(3)树荫下的地物及地貌禁止以垂直视角的树外围边界进行边线采集,应调整三维视角以树荫下实际边线采集;(4)采集房屋时,以未遮挡且墙面平整无拉伸变形的一面开始采集,在墙角模型无拉伸变形情况下可直接采集墙角点。

  3 、结论

  随着摄像技术和无人机技术的进一步发展,无人机倾斜摄影技术将会进一步完善,各项功能会更加强大,更能满足大比例地形图测绘中的要求,适应更复杂地形的测绘工作。使用无人机倾斜摄影,能够大幅提高大比例尺地形图测绘工作的效率,同时满足大比例尺地形图生产的精度要求。在今后的大比例尺地形图测绘项目中将逐步的替代传统测绘方法,成为主流。

  参考文献

  [1]周小杰,胡振彪,乔新.无人机倾斜摄影技术在大比例尺地形图测绘中的应用[J].城市勘测,2019,169(1):63-66.
  [2]徐奇,黄先锋,张帆,等.倾斜摄影测量技术在大比例尺地形图测绘中的应用[J].测绘通报,2018(2):111-115.
  [3]周永丹.浅谈无人机倾斜摄影测量技术在大比例尺地形图测绘中的应用[J].科技风,2019,383(15):244.
  [4]丁鸽,彭健,焦明东,等.无人机倾斜摄影测量技术在超高层建筑竣工测量中的应用[J].测绘地理信息,2019(3):62-64.
  [5]雷带珍.无人机倾斜摄影测量技术在规划竣工测量中的有效应用[J].中国新技术新产品, 2020(1):4-5.

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