抽水蓄能電站無(wú)人機(jī)實(shí)景三維建模方案精度對(duì)比分析

王 明，呂仲良，趙延嶺，李祖鋒

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

由于近年來(lái)低空無(wú)人機(jī)航空攝影技術(shù)的飛速發(fā)展，基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載的傳感器也越來(lái)越豐富，能根據(jù)日常項(xiàng)目的需求提供不同類(lèi)型的產(chǎn)品。傾斜攝影技術(shù)作為低空無(wú)人機(jī)技術(shù)的一個(gè)分支，以其全方位、多角度、高精度等方面的優(yōu)勢(shì)，逐漸成為測(cè)繪領(lǐng)域獲取空間數(shù)據(jù)的重要技術(shù)手段之一[1]。

傾斜攝影技術(shù)是通過(guò)1～5個(gè)不同角度的鏡頭同時(shí)攝取地面影像[2]，以獲得地面構(gòu)筑物的多視角高分辨率紋理信息，在無(wú)人機(jī)平臺(tái)安裝了PPK或RTK模塊的情況下，它能夠獲取帶有精確位置信息的影像數(shù)據(jù)，多種技術(shù)手段結(jié)合后能有效提高產(chǎn)品的精度。三維實(shí)景模型作為傾斜攝影主要的3D產(chǎn)品之一，能直觀地瀏覽所攝區(qū)域的地表紋理，查詢目標(biāo)區(qū)域的三維坐標(biāo)，或以此為基礎(chǔ)進(jìn)行BIM設(shè)計(jì)、地形圖制作等，因此它的清晰度與精度會(huì)對(duì)后續(xù)的工作產(chǎn)生直接的影響，能為后續(xù)的進(jìn)一步處理提供數(shù)據(jù)支撐[3-6]。不同精度的三維實(shí)景模型，對(duì)影像數(shù)據(jù)有不同的要求，數(shù)據(jù)采集的方式及處理效率也有很大的差異。本文對(duì)由單、多鏡頭影像生產(chǎn)的三維實(shí)景模型進(jìn)行分析研究，比較兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，為該在抽水蓄能電站項(xiàng)目中應(yīng)用技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和適用性提供參考。

1 基于單、多鏡頭影像的三維實(shí)景模型制作

單鏡頭和多鏡頭在數(shù)據(jù)獲取及模型制作流程方面，基本是一致的，而在作業(yè)效率、數(shù)據(jù)精度等方面，卻有諸多的不同(如表1所示)；相對(duì)于單鏡頭影像，多鏡頭影像在模型清晰度及精度方面具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但影像數(shù)據(jù)量會(huì)成倍增加，且在飛行效率及后期數(shù)據(jù)處理方面，需要更多的軟硬件支持，耗費(fèi)大量時(shí)間；而單鏡頭影像無(wú)論是在數(shù)據(jù)獲取還是建模效率方面，則有較大優(yōu)勢(shì)[7]。因此，在實(shí)際工作中，可選擇不同的鏡頭模式，來(lái)滿足具體建模的需求，如地形起伏較大、對(duì)地表紋理清晰度、模型數(shù)學(xué)精度要求較高，模型數(shù)據(jù)還需進(jìn)一步加工的區(qū)域，可選擇多鏡頭平臺(tái)，在地形平坦、對(duì)模型紋理要求不高的區(qū)域，可選用單鏡頭平臺(tái)。

表1 單、多鏡頭的區(qū)別

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

以國(guó)內(nèi)某抽水蓄能電站為實(shí)驗(yàn)區(qū)域，要求提供該區(qū)域工程布置范圍內(nèi)的三維實(shí)景模型，且平面及高程精度達(dá)到1∶500地形圖的規(guī)范要求。該區(qū)域形狀比較規(guī)則，東西長(zhǎng)約3.8 km，南北長(zhǎng)約3.3 km，面積約12 km2，以山地為主，地形起伏較大，最大落差約585 m，最低海拔1 159.00 m，最高海拔1 744.00 m，地面植被較少，無(wú)人機(jī)平臺(tái)采用縱橫-CW15垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)，搭載的傳感器為CA503全畫(huà)幅五鏡頭傾斜攝影相機(jī)。整個(gè)區(qū)域分2個(gè)航高共完成5個(gè)架次的飛行，航向重疊率85%，旁向重疊率75%，平均地面分辨率4.5 cm，相對(duì)航高347 m，單個(gè)鏡頭獲取影像4 409張，五鏡頭共獲取影像 22 045張。影像POS數(shù)據(jù)經(jīng)PPK后處理差分系統(tǒng)解算后得到精確的影像位置信息，供后期空三加密使用。實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)共布設(shè)48個(gè)地面像控點(diǎn)，并采用GNSS-RTK實(shí)測(cè)62個(gè)均勻分布的檢查點(diǎn)(點(diǎn)位分布如圖1所示)[8]。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

在保持像控點(diǎn)不變的情況下，將5個(gè)架次的五鏡頭影像數(shù)據(jù)、各架次下視鏡頭影像數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理，進(jìn)行空三加密，并生產(chǎn)三維實(shí)景模型，用實(shí)測(cè)的RTK檢查點(diǎn)檢查2種模型的平面及高程精度。

圖1 像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)位分布

2.3 精度評(píng)價(jià)

2種模型的最終精度對(duì)比結(jié)果如表2所示：

表2 模型精度對(duì)比結(jié)果

從表2可知，五鏡頭方式建模的平面和高程精度均優(yōu)于單鏡頭數(shù)據(jù)模型。圖2、3為2種模型中62個(gè)檢查點(diǎn)平面中及高程中誤差分布圖：從圖3、4中可以看出單鏡頭數(shù)據(jù)模型的平面及高程誤差較大，且誤差分布不均勻，而五鏡頭數(shù)據(jù)模型的各點(diǎn)位誤差較單鏡頭模型更加穩(wěn)定，模型精度更高。

圖2 模型各點(diǎn)位平面中誤差分布

圖3 模型各點(diǎn)位高程中誤差分布

圖4 模型紋理對(duì)比

圖4為2種模型的紋理清晰度對(duì)比情況，從圖片中可看出五鏡頭數(shù)據(jù)模型的紋理清晰度明顯優(yōu)于單鏡頭模型，尤其在側(cè)面紋理區(qū)域，五鏡頭數(shù)據(jù)模型更具優(yōu)勢(shì)。

2.4 結(jié)果分析

(1) 在模型精度方面，無(wú)論是平面還是高程，五鏡頭數(shù)據(jù)的模型精度更優(yōu)，且整體的誤差更加均勻，單鏡頭數(shù)據(jù)的模型精度略差，但在像控點(diǎn)同條件約束的情況下，基于2種模型生產(chǎn)的地形圖精度能夠滿足國(guó)家測(cè)繪地理信息局行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CH/T9008.1-2010《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶500 ,1∶1000 ,1∶2000數(shù)字線劃圖》中地物點(diǎn)平面位置中誤差不超過(guò)0.4m，高程注記點(diǎn)中誤差不超過(guò)0.5m的要求[10]。

(2) 在模型紋理清晰度方面，五鏡頭數(shù)據(jù)模型由于包含了更多的側(cè)面紋理信息，因此具有更高的清晰度，在后期數(shù)據(jù)處理及模型精修方面具有更多優(yōu)勢(shì)。

(3) 在生產(chǎn)效率方面，與單鏡頭相比，五鏡頭相機(jī)獲取影像數(shù)量大，航測(cè)內(nèi)業(yè)三維建模的數(shù)字空三和模型生產(chǎn)工序?qū)λ懔σ蟾撸C合生產(chǎn)效率較低。但對(duì)模型紋理清晰度要求低的地形測(cè)繪時(shí)，單鏡頭數(shù)據(jù)模型可高效完成地形建模類(lèi)任務(wù)。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)單鏡頭、五鏡頭兩類(lèi)影像三維實(shí)景模型的分析研究，綜合比較了2種鏡頭數(shù)據(jù)模型數(shù)學(xué)精度及紋理清晰度，分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)三維實(shí)景模型僅用于DLG產(chǎn)品的生產(chǎn)，但在模型清晰度要求不高的情況下，可采用單鏡頭的生產(chǎn)模式降低成本，提高生產(chǎn)效率。在對(duì)三維實(shí)景模型既要有滿足規(guī)范的平面及高程精度，又要有較高的清晰度時(shí)，如后期的模型單體化、模型精細(xì)化編輯，可采用五鏡頭的生產(chǎn)模式。因此在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，可根據(jù)不同的目標(biāo)需求選擇合適的生產(chǎn)模式，可為今后類(lèi)似項(xiàng)目實(shí)施提供參考依據(jù)。