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        徠卡RCD30傾斜相機在城市實景三維模型制作中的方法研究及其應用

        2017-03-07 09:59:01桑奪坤
        測繪通報 2017年2期
        關鍵詞:三角測量測區(qū)實景

        張 峰,桑奪坤

        (1. 遼寧省基礎測繪院,遼寧 錦州 121003; 2. 海克斯康測繪與地理信息系統(tǒng)(青島)有限公司,湖北 武漢 430072)

        徠卡RCD30傾斜相機在城市實景三維模型制作中的方法研究及其應用

        張 峰1,桑奪坤2

        (1. 遼寧省基礎測繪院,遼寧 錦州 121003; 2. ??怂箍禍y繪與地理信息系統(tǒng)(青島)有限公司,湖北 武漢 430072)

        傾斜攝影測量是近年來國內外測繪領域發(fā)展起來的高新技術。傾斜航攝儀結合高精度的GNSS IMU獲取傾斜影像及定位定向數(shù)據(jù),經(jīng)過相關的軟件處理,最終可建立地物的三維模型。目前,國內外已經(jīng)陸續(xù)推出了一系列傾斜相機,如RCD30 Oblique、AOS、SWDC5等。另外,相關三維建模軟件也逐漸推出,如Street Factory、Smart 3D、HxMap RealCity等。

        本文結合項目數(shù)據(jù),闡述了使用徠卡RCD30傾斜相機獲取數(shù)據(jù),并利用Street Factory軟件進行實景三維模型構建的方法,以為此類項目提供參考。

        1 技術方案

        技術流程主要包括2部分:一是傾斜影像的獲取和像控點布設;二是實景三維模型生產(chǎn)。其中,傾斜影像獲取主要包括:航攝方案設計、檢校場選取、航攝儀安裝測試、地面基站布設、項目區(qū)及檢校場傾斜影像獲取、數(shù)據(jù)處理及像控點布設;實景三維模型生產(chǎn)包括數(shù)據(jù)整理、影像勻光、自動點匹配、空中三角測量及三維建模。

        1.1 傾斜影像獲取和像控點布設

        1.1.1 測區(qū)航攝方案設計

        航線一般按平行于測區(qū)輪廓長邊的方向而定,航線間距使用DTM輔助,計算重疊度并依此確定航線間距,完成航線的敷設工作。航向重疊度、旁向重疊度≥70%。

        根據(jù)航攝儀的技術規(guī)定,基站位置在測區(qū)最遠點50 km以內,可選用測區(qū)附近的國家GPS B、C級點或同等級國家控制點,用于解算GNSS IMU數(shù)據(jù)。

        1.1.2 檢校場設計

        航攝儀在每次重新安裝時都需要檢校,重新解算視準軸誤差。檢校場質量好壞直接影響視準軸誤差值的精度,進而影響后期數(shù)據(jù)處理的質量。

        1.1.3 航攝數(shù)據(jù)內業(yè)處理

        內業(yè)流程主要包括:①數(shù)據(jù)下載和數(shù)據(jù)檢查;②GNSS IMU數(shù)據(jù)解算;③檢校場數(shù)據(jù)解算;④輸出影像的外方位元素。

        1.1.4 像控點測量

        像片控制點按每平方千米1個點均勻布設,外圍的像控點盡量布設在測區(qū)邊緣。不同分區(qū)的像控點盡量共用。當測區(qū)范圍內有不規(guī)則的凹凸區(qū)域時,應在凸角處增補控制點。

        1.2 實景三維模型構建

        1.2.1 資料整理

        分析測區(qū)建筑物高程、地形、河流等信息,根據(jù)航攝信息擬定建模參數(shù)和相機參數(shù);根據(jù)航片數(shù)據(jù)量和可用磁盤空間對建模區(qū)域進行分區(qū),每個分區(qū)航片數(shù)控制在10 000張左右;根據(jù)分區(qū)準備控制點、檢查點,保證接邊區(qū)域有足夠的控制點。

        1.2.2 影像勻色勻光處理

        影像在大范圍內,顏色和色調基本保持一致。直方圖大致成正態(tài)分布,紅、綠、藍三通道信息分布均勻。影像紋理清晰,色差適中,無影像信息損失,特征地物點能夠準確識別。

        1.2.3 三維模型建模范圍框定和數(shù)據(jù)導入

        根據(jù)測區(qū)情況,在要求成圖范圍的基礎上,外擴30 m作為生成模型的實際范圍,并導入系統(tǒng)。根據(jù)影像POS信息建立工程,將影像數(shù)據(jù)導入軟件。

        1.2.4 提取同名點

        根據(jù)影像數(shù)量進行分區(qū),分區(qū)之間的重疊區(qū)域默認為100 m,對每個分區(qū)進行同名點匹配,并驗證同名點提取密度,如有不足,手動進行添加。

        1.2.5 空中三角測量

        (1) 子區(qū)域網(wǎng)空中三角測量。提高空中三角測量的效率,通過區(qū)域網(wǎng)的大小及像控點布設情況,劃分子區(qū)域進行子區(qū)域網(wǎng)空中三角測量。子區(qū)域網(wǎng)的所有視角影像之和一般不超過10 000張,并且對于垂直航線方向重疊的區(qū)域網(wǎng),需要至少重疊一條航線;對子網(wǎng)進行連接點匹配、平差計算、粗差點剔除等操作,直至連接點的像方誤差、數(shù)量、分布、重疊度等達到要求。

        (2) 測區(qū)整體空中三角測量。所有子區(qū)域網(wǎng)完成平差計算之后,將所有子網(wǎng)進行區(qū)域網(wǎng)合并,并將所有連接點進行合并。然后,轉刺像控點與檢查點,進行測區(qū)的整體區(qū)域網(wǎng)平差計算。通過平差計算、點位調整等操作,直至結果滿足要求,提交空中三角測量成果并輸出。輸出成果包括調整后的外方位元素與影像,以供后續(xù)創(chuàng)建三維模型使用。

        1.2.6 建立三維模型

        使用調整后的空中三角測量成果與影像,根據(jù)工程指定的范圍與預設的tile大小,設置合適的參數(shù),利用街景工廠進行影像金字塔構建、立體像對創(chuàng)建、點云匹配、不規(guī)則三角網(wǎng)構建、三角網(wǎng)優(yōu)化簡化,完成三維模型的自動創(chuàng)建與紋理的自動關聯(lián)。

        1.2.7 模型打包輸出

        設定輸出坐標系,高斯投影為3°分帶,將生成的模型輸出成通用的OSGB格式。

        1.2.8 模型修補

        自動化大批量三維建模的成果在局部會出現(xiàn)一些問題,需要對模型成果進行檢查,并對成果中產(chǎn)生的空洞、缺失或變形的I級建筑物和水面等進行修補,以保證模型的美觀和完整。

        1.2.9 模型投影高程轉換

        將大地高成果的模型利用自帶高程轉換程序,將高程轉換為水準高。

        1.2.10 模型的精度分析

        為分析模型的三維精度,使用GPS RTK采集了大量的檢測點,采集地物點的點位坐標分析模型平面精度,采集地貌高程點和建筑物高度點分析模型高度精度。

        2 試驗區(qū)精度分析

        2.1 試驗區(qū)概況

        試驗區(qū)位于遼寧省營口市,測區(qū)內主要地形為平地,最高建筑約160 m。試驗數(shù)據(jù)采用徠卡RCD30傾斜相機獲取傾斜影像,傾斜攝影參數(shù)見表1。

        表1 航攝基本情況

        2.2 傾斜影像數(shù)據(jù)獲取和像控點測量

        測區(qū)架設的地面基站選用全省B、C級網(wǎng)中C級LC309號點,該點位滿足技術規(guī)范要求。航攝完成后,使用徠卡Inertial Explorer軟件,采用DGPS差分技術,解算完成后對數(shù)據(jù)精度進行評估。像控點按每平方千米1個的密度均勻布設,共測量像控點202個。

        2.3 實景三維模型制作

        測區(qū)面積150 km2,共45 345張航片,超出軟件推薦的單一分區(qū)范圍??紤]到建模效率、Street Factory硬件存儲限制及測區(qū)的實際情況,將整個測區(qū)劃分為12個子分區(qū),每個子分區(qū)5000張航片左右,各子分區(qū)的重疊度為100 m;然后將子分區(qū)分別合并,形成3個分區(qū),分別對大分區(qū)進行自由網(wǎng)和控制網(wǎng)平差及后續(xù)的模型制作,每個分區(qū)的航片控制在18 000張以內。

        在控制網(wǎng)平差時,選取了像控點中的1/3,共68個點作為檢查點。經(jīng)檢驗,3個區(qū)域中控制點殘差最大值X為0.028 6 m、Y為0.024 m、Z為0.29 m;檢查點殘差最大值X為0.095 3 m、Y為0.094 7 m、Z為0.238 m,空中三角測量精度滿足規(guī)范要求。

        2.4 實景三維模型成果及精度分析

        試驗區(qū)布設像控點202個,精度滿足技術設計要求,使用Street Factory軟件通過自動化生產(chǎn)的方式,完成了試驗區(qū)內實景三維模型的制作(如圖1所示)。

        圖1 三維模型

        精度驗證:分3類要素對模型進行了實地檢測,采集了大量的數(shù)據(jù)信息,檢測地物點平面坐標7797個、地貌高程點5711個、建筑物高度點1211個。統(tǒng)計真值與計算值之間的誤差,得到了實景三維模型的精度,見表2。

        表2 模型精度統(tǒng)計 m

        3 結束語

        本文基于徠卡RCD30傾斜相機進行了傾斜影像數(shù)據(jù)獲取并使用Street Factory軟件進行了數(shù)據(jù)處理和實景三維模型的構建,總結出了完整的技術流程和作業(yè)方法。應用此方法在試驗區(qū)進行生產(chǎn),成果經(jīng)各級質量檢查滿足精度要求。本文總結的技術方法科學規(guī)范,能夠對類似項目的實施提供參考。

        (本專欄由徠卡測量系統(tǒng)和本刊編輯部共同主辦)

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