无人机倾斜摄影测量技术在大范围地形图测绘中的应用

王代雄 刘雨生

(广州市城市规划勘测设计研究院,广东 广州 510060)

0 引言

常规测绘技术手段如全站仪和实时动态测量(real time kinematic,RTK)等效率低、成本高,已经无法满足大范围1∶500地形图测绘项目的实际需求[1]。随着无人机技术的快速发展,基于无人机倾斜摄影测量生成实景三维模型的新型测绘方法,凭借高效率、低成本的优势,逐渐被应用于地形图测绘工作中[2-3]。

国内外学者对无人机倾斜摄影测量在地形图测绘中的应用进行了大量的研究。宋媛媛等一批学者[4-6]研究使用了无人机倾斜摄影测量进行大比例尺地形图测绘,精度满足规范要求,测图效率较传统数字测图大幅提高。孙德厚等[7]提出多传感器倾斜摄影测量的空三精度明显高于单传感器。王莹等[8]通过实例分析,建议以“倾斜实景三维模型为主,立体像对为辅”的方法开展水电工程大比例尺地形图测绘项目。顾广杰等[9]论述了无人机倾斜摄影测量过程中,从航摄准备到数据处理整个作业流程的技术标准,具有一定的参考价值。总结发现,这些研究对三维模型的生产过程研究较为深入,但对于三维模型和地形图成果的精度检测还不够充分。

本文研究了无人机倾斜摄影测量生成三维模型的原理和方法,基于三维模型对广州市某区113 km2的测区进行1∶500地形图绘制,并对三维模型和地形图成果进行充分的精度检测。

1 无人机倾斜摄影测量

1.1 飞行准备

开展无人机外业航摄前,需要做好准备工作,包括野外像控点布设、航飞设计、飞行前检查等。

1.1.1像控点布设

像控点布设是确保空三解算精度的关键,也是1∶500地形图测绘的基础[10]。布设像控点必须清晰可辨,且不能过小,否则影响后期刺点工作,像控点的布设可以采用地面刷漆或贴醒目胶纸的方式。像控点布设位置一般选在相邻像片重叠区域内,若无法达到要求,也应均匀布设在测区范围内。

1.1.2航飞设计

航飞设计主要涉及航摄高度和航摄重叠度[11]。各机型无人机相对航高可按式(1)计算。

H=f×Dgs/α

(1)

式中,H表示摄影航高,单位为m;f表示镜头焦距,单位为mm;α表示像元尺寸,单位为mm;Dgs表示地面分辨率(ground sample distance,GSD),单位为m。

依据现行国家标准《倾斜数字航空摄影技术规程》和实际经验,航向重叠度在70%～80%,旁向重叠度在60%以上,可以确保获得较好的航摄结果。为保证测区边缘地物能够完整显示于像片内,还需对航线进行适量外扩[9],外扩宽度可按式(2)计算。

L=H1×tanθ+(H2-H3)+L1

(2)

式中,L指外扩距离;H1指相对航高;θ指相机倾斜角;H2指摄影基准面高度;H3指测区边缘最低点高度;L1指半个像幅对应的水平距离。

1.2 飞行实施

完备的飞行准备会极大程度地提高航飞效率,在天气良好的时间段开展航飞,航飞手必须具备相应飞行资质,作业期间。对飞机、倾斜相机等主要设备和电源系统、记录系统进行定期检查,使其保持良好工作状态。注意机体上各部位螺母的检查和飞控系统的测试。飞行结束应及时检查像片质量。

1.3 实景三维模型构建

获取航飞数据后,需要对倾斜数据进行预处理,包括定位定向系统(position and orientation system,POS)数据解算和倾斜影像色彩调整等。利用POS数据、像控点坐标和倾斜影像,按照最小二乘法函数开展空三计算。精确的空三处理结果是进行三维建模的基础[12-13]。

经过空中三角测量计算,可以获取倾斜影像数据航空摄影时刻的外方位元素,并获得影像中加密点在物方空间坐标系中的坐标。本文使用两次空三计算方法对计算结果进行有效控制,第一次粗略空三计算后,检查特征点的三维视图是否正确,如果出现明显的像控点平面或高程误差过大、三维视图和航带有分层或交叉现象,继续提交空三计算或剔除畸变影像,直到三维视图正确。接着进行像控点穿刺,再次进行空三计算,可以精确地根据控制点进行平差调整。此方法可以提高空三计算的效率,避免空三计算出错后重复穿刺像控点。

基于空中三角测量成果,可以重建三维模型。为了便于运算的任务分配,根据计算机的性能将整个建模项目分解成多个瓦片进行单独的建模,分瓦片需保证数据任务的期望内存值小于处理该任务的计算机可用内存。空三运算后根据生成的连接点构建不规则三角网(triangulated irregular network,TIN),然后生成白体三维模型,并根据空间位置关系从影像中自动获取并映射与白模对应的纹理,构建完整的三维模型[14],总体流程见图1。

图1 实景三维模型构建流程

2 实验及分析

在广州某区开展1∶500地形图测绘,测区总面积约113 km2。测区属亚热带季风气候,热源丰富,无霜期长,雨量充沛范围。测区内地形地貌复杂多样,北部以丘陵山地为主,海拔最高240 m左右,南部为平缓的冲积平原及岛礁,海拔高度在10 m以下,建有密集的城市居民区,也存在大范围的河汊和水库等,若采用常规方法测量难度较大,本项目采用无人机倾斜摄影测量生产三维模型,基于三维模型绘制1∶500数字地形图。

2.1 仪器设备及软件

(1)垂直起降固定翼无人机:华测P330。

(2)倾斜摄影五镜头(有效像素4 240万,像元尺寸4.5 μm,图像分辨率7 952 px×5 304 px)。

(3)无人机数据处理软件:Smart3D,三维测图软件全球统计数据/分析平台(economy prediction system,EPS)。

2.2 无人机航摄

在测区范围内均匀布设345个像控点,像控点均采用地面刷墙面漆的方式制作而成,样式为直角标志,宽度不小于0.2 m,长度不小于0.5 m。像控点测量采用广州市连续运行卫星定位服务综合系统(GZCORS)-实时动态载波相位差分技术(real-time kinematic,RTK),坐标采用广州2000坐标系。航摄地面分辨率优于0.05 m,各项飞行参数见表1。

表1 飞行参数表

无人机外业飞行共23个架次,有效飞行面积约134 km2。飞行期间为晴天,通视条件良好。共获取相片6 821 140张,数据范围满足测区需要,无遗漏、无缺失;预处理后的影像层次丰富,色调均匀,反差一致;无严重噪声;无扭曲;影像边缘均匀;影像无质量问题,POS信息齐全。

2.3 实景三维模型输出

使用Smart3D软件生产数据时采用两次空三加密方法[9-10],首先导入无人机采集的影像数据和POS数据进行第一次空三加密,在第一次空三加密基础上,加入像控点信息,再次进行空三加密处理。

将空三成果提交建模任务,通过划分模型格网,采用多组图形处理器(graphics processing unit,GPU)同步生产模型数据。部分模型效果见图2。

图2 三维模型效果

为检验三维模型的精度[15],采用钢尺量边、间距作为高精度检测,利用全站仪实测明显地物点平面坐标及高程如房角、井盖、路灯等,作为同精度观测,将实测数据作为真值,与内业三维模型做比较,统计其中误差作为模型的数学精度检测结果。

本文采用《数字地图测绘技术规程》DB4401/T 31—2019关于数字地形图测绘的精度要求,见表2,此为广州市地方标准,其精度要求高于国家标准《城市测量规范》CJJ/T 8—2011。

表2 地物点精度要求 单位:m

平面坐标和高程为同精度观测,故平面和高程中误差限差为0.212 m,地物间距中误差限差仍为0.100 m。

根据规范,实际工作中一般以两倍限差作为极限误差以控制精度。在三维模型中均匀、随机选取足量地物点和间距统计误差,将误差结果与两倍限差即极限误差进行比较,统计区间分布情况见表3。最终统计得到三维模型地物点中误差为0.038 m,间距中误差为0.036 m,高程中误差为0.057 m,均满足规范要求。

表3 三维模型精度检测表

2.4 1∶500地形图绘制

将三维模型导入EPS三维测图软件中,直接根据模型裸眼采集地形要素,对房屋、围墙、井盖、道路等地形地物采集特征点的同时,赋予相应的编码,见图3。实验过程发现,一些被树木遮挡的地物,无法准确采集地形要素,只能通过传统数字测图方法进行外业调绘[16]。

(a)平面图

1∶500地形图绘制完毕后,随机抽取30%以上的图幅进行数学精度检测,包括地物点坐标、高程以及间距检查,检测方法采用高精度全站仪进行外业实测,每幅图检查数量不少于20点(边),检测结果见表4。

表中结果显示,项目检测地物点11 160个,点位中误差为0.060 m;检测地物点间距共10 371条,间距较差中误差为0.042 m;检查地物点高程11 758个,高程较差中误差为0.076 m。只存在少量粗差点,属于正常情况,地图精度总体符合规范要求。

2.5 工作效率及成本

以三维模型内业采集作为主要的工作方式,大比例尺地形图测绘的工期和成本较传统方法都将发生显著的改变。统计本实验的工期和成本,与同区域早期(全野外数字测图方法)地形图测绘项目进行比较,见表5,可以明显看出无人机倾斜摄影测量技术的使用大大提高了工作效率、节省成本。

表5 工期及成本

3 问题及经验

无人机倾斜摄影测量对地形图测绘有极大的应用价值,但实际工作中同样存在一些问题,对此本文总结了一些经验。

(1)飞行前进行合理的航飞设计十分重要,将航向重叠度设置在70%～80%,旁向重叠度设置在60%以上,既可以满足精度需求,也可以节省飞行时间。

(2)布设的像控点务必清晰、稳定,对于大范围测图,实际航飞工作基本不会在像控点布设完立刻实施,所以将像控点布设在稳定、开阔的区域至关重要。地面贴纸由于存在反光的现象,采用刷漆方式适用性会更强。

(3)无人机倾斜摄影测量技术在地形图测绘中的应用必须有高精度的控制测量和导线测量作为精度保证,包括像控点坐标的测量,可采用RTK三级控制点进行控制测量和布设像控点。

4 结论

本文研究分析了无人机倾斜摄影测量的基本原理和工作流程,并在广州市某区113 km2的测区开展实地实验,得出以下结论:

(1)基于无人机倾斜摄影测量生成的实景三维模型,精度可以达到数字地形图测绘的规范要求,且流程简单,易于实际应用。

(2)利用实景三维模型采集地形要素,绘制1∶500数字地形图,在大范围测区的应用中,可以大幅提高测绘工作效率,并显著降低工作成本,具有极强的应用价值。

(3)目前基于三维模型的内业绘图主要依靠人工操作,未来可以优化机器识别及自动绘图的算法,进一步提升地形图测绘的效率。