優視攝影測量在大比例尺地形圖修補測中的實踐

李勇,陳楓,邱亞軍

(1.浙江華東測繪與工程安全技術有限公司,浙江 杭州 310000; 2.深圳市規劃和自然資源調查測繪中心,廣東 深圳 581000)

0 引 言

大比例尺地形圖具有精度高、地形要素表示多且全面等的特點,因此常常作為基礎數據用于規劃、管理、設計和建設[1-2]。如今城市建設得到快速發展,為保持城市地形圖的現勢性,滿足城鄉發展建設的需要,地形圖修補測工作顯得尤為重要[3]。傳統測繪作業的缺點制約著測繪行業的發展,它的缺點有作業人員勞動強度大、作業效率低、作業時間長、成本高以及測繪產品單一等。因此,包括無人機傾斜攝影在內的測繪新技術應用越來越廣泛,在大比例尺地形圖修補測的工作中也得到了充分的應用。然而,針對復雜城市場景中高層建筑所在區域高度變化大、樓棟間距小、遮擋嚴重等問題,傳統傾斜攝影提供的觀測仍然有限,很難進一步提升三維重建模型的精度和完整性[4-5]。本文介紹的優視攝影測量利用了傾斜攝影數據,減少外業采集時間。

優視攝影測量可依賴待測區域概略模型的三維幾何信息出發,計算出精確三維重建所需的拍照視點(如圖1所示),進入建筑間進行數據采集,從來解決部分建筑物間由于傾斜攝影視線遮擋而產生的拍攝盲區。

圖1 拍照視點及方向

1 基于優視攝影測量技術的地形圖測繪工藝流程

無人機搭載單鏡頭時,根據設定的角度,飛行過程中,在不同的時間點分別拍攝垂直于地面的正片和與地面形成一定角度的前、后、左、右方向的斜片,從而達到模擬多鏡頭傾斜攝影的目的[6]。無人機傾斜攝影的主要作業流程有作業前準備及像控點布設、無人機飛行數據采集、空三測量及三維建模、利用三維模型進行大比例尺線劃圖繪制、調繪補測等。

優視攝影測量是指利用目標區域的概略模型,生成模型重建所需要的密集采樣初始視點,再利用采樣點可重建性約束的視點優化技術,實現最小數據采集代價下的精確三維模型重建的技術[4]。優視攝影測量是面向對象的攝影測量技術模式,并遵循由粗到細的攝影采集策略,其拓展是基于可重建性判斷依據,對目標區域生成的航攝視角進行自動優化選取,從而形成最優視點的有效規劃路徑提供給無人機進行航飛數據采集[7]。

優視攝影測量主要作業流程與傾斜攝影不同之處在于數據采集階段,即在無人機飛行數據采集前需做以下工作:預飛行采集制作概略模型;生成采樣初始視點;視點優化及生成規劃路徑。其中概略模型可選用傾斜攝影照片快速建模獲得,優視攝影測量應用于地形圖測量的工藝流程如圖2所示。

圖2 優視攝影測量技術應用的工藝流程

2 應用案例

2.1 測區概況

本次優視攝影應用于深圳市1∶1 000地形圖修補測工作,測區位于深圳市龍華區,面積約 2.2 km2。前期利用深圳市地形圖修補測變化巡查軟件進行變化地物調查,并上傳至深圳市新型基礎測繪工作平臺,確定了測區范圍內有多個新建小區及商務中心等,變化地物面積約占測區面積的30%。測區內最高建筑高約 170 m,相對高差約 110 m,建筑物間互相遮擋較多。

2.2 作業前準備

收集測區資料,明確坐標系統及高程基準,制定無人機航飛的技術方案(包括無人機、傳感器的選擇;地面分辨率、影像重疊度、飛行航高等的確定)及安全專項方案并申請了空域(踏勘時確定測區無禁飛區)。

2.3 概略模型的快速生成

無人機飛行作業前首先布設像控點,各像控點間距在 350 m左右,其坐標及高程測量根據GNSS圖根控制測量的技術要求,采用網絡RTK模式接入SZBDCORS的方式進行測量。外業無人機飛行階段,首次飛行利用M300無人機搭載禪思P1相機進行智能擺拍測量數據采集,航向重疊度80%、旁向重疊度70%,采集的照片數量為 2 008張。使用戴爾圖形工作站以及RealityCapture軟件在作業現場對獲取的數據進行快速重建,耗時約 50 min,導出網格模型(*.obj格式)和點云數據(*.xyz格式),用于優視攝影航線規劃,生成的概略模型如圖3所示。

圖3 測區概略模型

2.4 優視攝影與傾斜攝影結合航線規劃

優視攝影航線規劃在蝶舞航測規劃系統中進行,首先根據建筑安全距離及安全高度,以此來設定飛行區域的安全罩,用以保證飛行安全。在此基礎上設定采樣點重疊率為80%,航攝視距為 160 m(2 cm采集分辨率),設定最低飛行高度為 30 m,蝶舞航測規劃系統會自動計算出分辨率一致情況下所需采樣初始視點,其中包括進入高層建筑間所需的采樣初始視點,基于以上設定生成初始視角點 17 259個。然后導入傾斜攝影的pos信息進行優化,獲得優化視點以及最優連接的飛行路線(如圖4所示),經優化后視角點(即航攝點)數量 9 369個。最終根據視角分區聚類形成分區航線并進行無人機航飛數據采集,本次采用單機分段航攝的方式進行數據采集,大疆M300每架次飛行時間約 30 min,共飛行21架次(含傾斜攝影3架次),耗時3天。此外亦可根據規模及工期要求采用多機協同的方式進行航攝(圖5中不同顏色的飛行路徑可分配給不同無人機進行多機協同作業),可大幅壓縮外業作業時間。

圖4 初始視角點(紅色:傾斜視角,藍色:優視視角)

圖5 優視攝影優化后的航測采集點及飛行路徑

2.5 三維模型重建

重建時將傾斜攝影照片與優視攝影照片一同重建,兩者共拍攝影像 13 277張,無人機航攝期間天氣晴朗。經檢查飛行POS數據完整;影像清晰,色調均勻,層次豐富,無遺漏缺失,滿足后續工作要求。本次利用Smart3D軟件經空中三角測量后進行三維模型重建工作,空三解算及相關像控點平差解算后精度很好,滿足相關規范要求。

2.6 內業數據采集

選用idata_3D圖庫一體軟件進行內業數據采集工作。三維模型實現與實景一致,且數據采集軟件為祼眼3D采集,直接對地物特征輪廓、線狀地物進行矢量測繪。從圖6的(a)、(b)中可以看出,在高層建筑底部的建模效果較好,可以滿足內業采集的需求,從而極大地減少外業補測的工作,僅需對小部分通過影像判讀無法確認屬性的內容進行調繪即可。

圖6 模型整體、局部效果

3 精度分析

本次優視攝影生產的三維模型主要用于大比例尺地形圖采集,質量檢查時參考行業標準規范檢查指標,并考慮實景三維模型數據質檢的技術特點,此次重點對模型精度進行檢查分析。精度檢查包括平面位置、高程精度檢查,通過定量比對實測的檢查點數據與之對應位置實景三維模型數據的差值,從而統計計算得出實景模型主體建筑物、構筑物成果的幾何精度[8-9]。此外依據模型采集的地形圖根據文獻[10]的要求:主要地物點相對于鄰近控制點的點位中誤差不得大于 ±10 cm,次要地物相對于鄰近控制點的點位中誤差不得大于 ±15 cm;平坦地區高程點相對于鄰近控制點的高程中誤差不得大于 ±15 cm,鋪裝地面高程點相對于鄰近控制點的高程中誤差不得大于 ±7 cm,對地形圖精度進行檢查。

本次實踐所生產的地形圖圖面數據結構及整飭質量經現場核查需滿足文獻7的要求;實景三維模型以及地形圖精度檢查利用拓普康GPT-4002LN全站儀實地設站,采用極坐標法進行數據采集,其角度測量精度為2秒,有棱鏡測距精度為2 mm+2 ppm*D。作業時檢查點為隨機選取、均勻分布的主要地物點150個,鋪裝地面高程點57個,全部點均參與模型精度統計(其中參與地形圖精度統計主要地物點有67個,鋪裝地面高程點有33個)。根據文獻7中的精度統計要求,中誤差的計算公式為:

式中M△為中誤差;n為檢測點數量;△為檢測較差。經統計和計算,三維模型與全站儀實測數據的平面較差最小值為 0.2 cm,最大值為 17.0 cm,高程較差的絕對值最小為 0.0 cm,絕對值最大為 15.0 cm,平面中誤差為 ±0.053 m,高程中誤差為 ±0.057 m,由此可見三維模型的精度較好,其具體統計表如表1所示;通過三維模型采集的地形圖數據與全站儀實測數據的平面較差最小值為 0.1 cm,最大值為 15.7 cm,高程較差絕對值最小為 0.3 cm,絕對值最大為 15.6 cm,平面中誤差為 ±0.057 m,高程中誤差為 ±0.062 m,平面精度和高程精度均滿足文獻[7]的要求,其具體統計表如表2所示。

表1 三維模型誤差統計表

表2 地形圖誤差統計表

4 結 語

通過本次工程實踐,優視攝影測量的優點在于:①優視攝影測量技術在解決復雜城市場景中地物高度變化大、遮擋嚴重等問題時,可根據優化的視角進入高層建筑物間對建筑側面及底部的地物進行拍攝,從根本上解決由此產生的分辨率不一致、模型缺失或拉花嚴重的問題;②在概略模型的基礎上設定的安全罩,可確保無人機的飛行安全;③極大地減少外業補測的工作;④其建模精度滿足 1∶1 000大比例尺地形圖測圖精度需要。相比于優點,其作業效率方面相較于傾斜攝影技術稍有不足,因而將兩者相結合用于大比例尺地形圖測量發揮各自優勢,將會是復雜場景的大比例尺地形圖測量很好的解決方案,此外還可通過多機協同的作業方式提高工作效率。