大落差稀疏像控點傾斜攝影建模及精度評價

賀春林，何領軍，薛凱凱，張 釗，胡曉寶，李賈亮

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065；2.國家能源集團西藏電力有限公司，拉薩 860019)

0 前 言

隨著中國水電開發逐漸向西部推進，待建類、規劃類水電工程地理位置偏遠，自然條件惡劣，基礎設施落后，交通條件困難，加大了工程測繪的難度。目前，根據水利工程建設選址特點，峽谷地形三維測繪中，最優解決方案為無人機傾斜攝影測量技術。然而，由于峽谷地形條件的限制，測繪像控點的布設具有很多實質性困難，例如：像控點高差和平面分布不均、陡峭區域無法布設等，這些不利因素對傾斜攝影測量技術提出了新的考驗。在基于傾斜攝影測繪技術生產三維測繪產品[3]過程中，像控點點位分布決定著測繪產品的精度。鑒于此，本文以中國新疆地區某水電站三維測繪為工程依托，針對大落差峽谷坡面大面積像控點無法布設的情況，采用國內目前較為熱門的傾斜攝影測量技術，通過邊緣式布點進行實景三維模型構建，探索了適合大落差陡峭峽谷區域三維測繪的作業方式，并對其產品精度進行了評估，驗證了方案的可行性。

1 傾斜攝影實景三維建模

傾斜攝影技術是21世紀初發展起來的一項高新技術，它改變了傳統航攝思路，打破了正射影像只能從俯視角度拍攝的局限性。傾斜攝影技術是通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從1個垂直、4個傾斜等5個不同的角度采集影像，并根據GPS/IMU系統獲取的POS數據及外業像控點，運用相關軟件平臺生成4D產品及三維實景模型等數據。實景三維模型不僅能夠貼合實際反應地物情況和最大程度還原實地場景，而且還通過采用先進的定位技術，嵌入精確的地理信息、更豐富的影像信息、更高級的用戶體驗[4-5]。傾斜攝影技術的發展，快速推進了三維測繪產品品質的提升，大大降低了實景三維建模成本。

傾斜攝影實景三維建模步驟：① 對傾斜攝影區域相關資料搜集和準備；② 制定傾斜攝影航飛方案并審批；③ 對傾斜攝影區域進行影像數據和地面數據采集；④ 運用專業軟件對影像數據做空三加密；⑤ 自動化重建三維模型；⑥ 利用外業控制點和檢查點對三維模型成果進行精度檢查。傾斜攝影實景三維建模流程見圖1。

圖1 傾斜攝影實景三維建模流程

2 案例區域及數據采集

2.1 案例簡介

本案例為國內某大型水電站開發三維測繪項目，大壩修建在峽口咽喉位置，谷底海拔1 500.00 m，水利樞紐區右岸邊坡高度1 200.00 m，峽谷長度2 km，其中坡面面積3 km2，地勢崎嶇陡峭，從業人員根本無法抵達指定區域。本次作業采用多旋翼無人機搭載5鏡頭相機進行傾斜攝影。由于地形條件的限制，像控點只布設在了高邊坡的頂部和峽谷低高程區域，其中1 800.00 m至2 700.00 m高程屬于像控點空白區。外業完成數據采集后,內業利用專業軟件進行實景三維建模，獲取OSGB、DOM、LAS等格式數據，最后利用全站儀采集高邊坡檢查點數據,對模型成果精度進行檢驗。水電站三維效果見圖2。

圖2 水電站三維效果

2.2 設備選用

在傾斜攝影測量方面，為了真實獲取峽谷坡面地形地貌數據，首先要保證影像分辨率滿足相關要求，其次要保證建模的精細化程度。這樣對飛行平臺就有一定的要求，往往需要低空、低速飛行器，而旋翼無人機具有操控性強、安全性高、可垂直起降和懸停等優勢，無疑是傾斜攝影測量的最佳載體。旋翼無人機系統對起飛著陸地點要求很低，可垂直起降，且高度智能化，可實現多姿態飛行。選用設備見圖3。

圖3 選用設備

由于案例區域落差為1 200 m，多數起飛平臺高度受限。經調研，最后選用了KWT-X6L-15型專業級六旋翼無人機。該機型輕載下，可實現75 min續航時間，飛行距離大于38 km。相對爬升高度可達4 000 m，最大工作海拔高度5 000.00 m。升力充沛，飛控針對抗風做了優化，使得該機型抗風能力表現即為優越，常規飛行更加安全，生產力更高。

相機選用了睿鉑性能指標最高的一款全畫幅傾斜攝影相機：DG4Pros，該機型體積小，外形僅155 mm×130 mm×98 mm(長×寬×高)，重量輕至960 g。正射光學鏡頭焦距為40 mm，傾斜鏡頭焦距為60 mm，傾斜正射焦距比1∶1.5，其采集的影像通過建模軟件可自動生產各種需求分辨率的真三維模型。

2.3 影像數據采集

(1) 航線設計：案例區域地勢陡峭，右岸坡高差1 200 m，按照傳統的航攝分區根本無法滿足要求。航高根據所航攝區地面分辨率和現場周邊情況綜合考慮進行變高設計。航高示意見圖4及公式如下：

圖4 航高

(1)

公式(1)中：h為飛行高度,m；f為鏡頭主距，mm；a為像元尺寸,μm；GSD為地面分辨率,cm。

影響三維模型質量最重要的因素之一是影像分辨率。由于案例區域地形變化復雜，為了解決這一問題，結合地形起伏情況設計了變高航線，最大程度上做到測區內航高相同，從而獲取GSD相對一致的傾斜數據。為了滿足三維建模對于高精度、高分辨率的需求，航線設計相對地面高度為200 m，設計分辨率為2～4 cm，設置航向重疊率為80%，旁向重疊率為70%，航線設計如圖5所示。

圖5 單架次航線布設

(2) 像控點的布設及影像數據采集：在傾斜攝影航測作業中，為了保證模型精度，像控點布設是必不可少的。

由于地形條件的限制，右岸邊坡高程1 800.00～2 700.00 m施測人員很難抵達現場，本次施測未布設像控點。為了控制整個區域精度，作業人員耗時15 h繞道攀爬至右岸坡頂區域均勻布設了4個永久像控標靶。在谷底能夠到達的區域，根據地勢變化情況均勻地布設了21個像控點。點位分布如圖6所示。

圖6 像控點分布

本案例區域共計航拍9架次，共獲取影像25 500張。通過對定位、定姿數據分析可知，其飛行穩定，航線彎曲度、行高保持良好，像片紋理清晰，層次豐富，色調均勻，可為后期構建高質量三維模型使用。

3 實景三維模型構建及精度評價

3.1 空中三角測量

空中三角測量是根據少量的野外控制點，在室內進行控制點加密，求得加密點的高程和平面位置的測量方法，是傾斜攝影測量三維建模的關鍵步驟[6]。在做空中三角測量之前，首先要對采集到的原始影像數據進行預處理，對原始影像數據進行色彩、亮度和對比度等方面的調整和勻色處理。由于五鏡頭相機攝影傾角大，采集的原始影像重疊多且分辨率無法統一，使其空中三角測量和傳統數字航空攝影測量中空中三角測量方式大不一樣。傳統空中三角測量加密方法無法實施，需要專業級多視角空中三角測量軟件進行數據處理。

本案例采用的空中三角測量軟件，操作步驟簡便，支持計算機聯合運算，是業內知名的自動化三維建模軟件，具體步驟如下：

(1) XML文件整理：采用新型文件整理格式，將PPK解算后的POS信息，替換飛行平臺自帶的POS文件，并將POS信息、相機參數、影像數據儲存位置信息及坐標系統信息進行整理，編輯成符合空中三角測量軟件識別的XML格式；

(2) 相對定向：應用空中三角測量軟件加載XML進行多視角影像特征點密集匹配，并以此進行區域網的自由網多視影像聯合約束平差解算，建立在空間尺度可以適度自由變形的立體模型，完成相對定向；

(3) 絕對定向：在空中三角測量軟件中進行像控刺點，利用點位信息對已有區域網模型進行約束平差解算，提高空中三角測量加密過程中影像匹配的速度和精度，對空中三角測量成果進行控制加密，轉換建模成果的坐標系，完成絕對定向[7]。

具體步驟如圖7：

圖7 空中三角測量流程

3.1 實景三維模型建立

空中三角測量加密通過后，基于最終優化的空中三角測量加密成果進行實景三維模型構建。根據高密度匹配點云，軟件自動進行影像金字塔構建、不規則三角網(TIN)構建，優化TIN網后生成白模，再通過對白模進行自動紋理映射(自動選擇最佳影像紋理進行貼圖)生成基于真實影像紋理的三維實景模型，模型效果如圖8所示。

圖8 三維模型效果

根據模型生產范圍大小和計算機運行內存情況, 一般選擇規則平面網格分割方式。由于此案例主要為大比例尺三維測繪產品生產,因此選擇生成產品為三維模型,數據格式為通用格式.OSGB。

3.3 三維模型精度評定

三維建模完成后，基于實景三維模型數據，應用專業的模型瀏覽器，可以輕松測量坐標、距離、面積等信息。目前，實景三維模型精度評價指標中，最重要的評價指標為數學精度，其次為模型影像分辨率。本案例為了檢查右岸邊坡無像控控制區域模型精度，主要按照數學精度檢測方法，對三維模型的絕對精度進行驗證。首先，利用RTK配合全站儀在像控盲區采集特征點52個，假設野外實測數據為真值，將實測數據與三維模型上讀取的坐標值進行比較，對比結果詳見表1。

表1 實測點與模型點對比統計表 /m

利用中誤差計算公式計算模型點的坐標偏差：

(2)

(3)

(4)

(5)

公式(2)～(5)中：Mx代表X方向中誤差，m；My代表Y方向中誤差，m；Mz代表Z方向中誤差，m；M代表平面距離中誤差，m；Δx、Δy、Δz分別代表x、y、z方向真誤差，m；n為檢查點個數。

通過上述統計表格和公式計算可知，X方向的最大誤差為0.09 m，中誤差為0.045 m；Y方向的最大誤差為0.13 m,中誤差為0.40 m；Z方向的最大誤差為0.15 m,中誤差為0.085 m；平面的最大誤差為0.14 m，最小誤差為0.01 m,中誤差為0.133 m。結果表明，該區域三維模型精度滿足《三維地理信息模型數據產品規范》中Ⅰ級成果平面精度中誤差不超過0.3 m、高程精度中誤差不超過0.5 m的要求，滿足1∶1000比例尺4D測繪產品生產精度要求。

4 結 論

本文以新疆某水電站為工程依托，采用大落差稀疏像控點傾斜攝影建模技術，建立了水電站工程區域高精度三維實景模型，并對其精度進行了驗證，主要結論如下：

(1) 選用多旋翼無人機搭載五鏡頭相機進行傾斜攝影作業，操作簡單，起降靈活，精度可靠，可有效降低大落差坡面影像數據采集難度。

(2) 基于傾斜攝影技術生產的三維模型精度較高，能夠從多角度進行數據采集，充分展現項目區域的地形地物信息。

(3) 航線通過變高設計，保證了地面分辨率的統一，進而確保了影像拼接質量，實現了測區敏感區域的“特殊照顧”。

(4) 邊緣式布點方案可顯著降低外業作業成本，保障從業人員的安全，使工程作業實現“安全進度兩不誤”，在非峽谷區域也有一定的推廣價值。

本文以西北植被稀少區為案例，實驗區域較為理想，對于西北植被茂密區域的三維測繪工作具有一定的局限性，宜優先考慮機載激光雷達作業。