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        無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用探究

        2021-08-12 03:30:46賴春曉
        建筑與裝飾 2021年21期
        關(guān)鍵詞:界址航空攝影精度

        賴春曉

        廣東省測(cè)繪技術(shù)公司 廣東 廣州 510075

        引言

        傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù),傾斜攝影技術(shù)三維數(shù)據(jù)可真實(shí)反映地物的外觀、位置、高度等屬性,比傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)更優(yōu)異,它是利用三維空間的立體模式對(duì)測(cè)量模型進(jìn)行創(chuàng)新,這種技術(shù)具有很大的應(yīng)用價(jià)值。本文分析傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的相機(jī)標(biāo)定、圖像定位、飛行計(jì)劃、影像采集、產(chǎn)品生成等關(guān)鍵技術(shù)流程,同時(shí)結(jié)合工程實(shí)例綜述了目前無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用的研究進(jìn)展,并指出了無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向。

        1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)概要

        無(wú)人機(jī)攝影技術(shù)的特點(diǎn)是能夠在同一平臺(tái)上安裝多個(gè)影像采集傳感器,還可以從各個(gè)方向拍攝圖像,超越了傳統(tǒng)航空攝影的范圍。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是按照傾斜的4個(gè)方位加上豎直方向的觀測(cè)來(lái)提供有效的信息圖像,比傳統(tǒng)的航空攝影更具有真實(shí)性,能夠從各個(gè)方位獲得高分辨率的圖像信息,突破了傳統(tǒng)航測(cè)單相機(jī)只能從垂直角度拍攝獲取正射影像的局限。還能自動(dòng)生成三維數(shù)字模型,節(jié)約人力、效率高,能極大地縮短測(cè)繪外業(yè)的協(xié)同工作,解決了由于天氣等外因造成的工作延誤,把原本大量的外業(yè)工作轉(zhuǎn)變成內(nèi)業(yè)工作,極大地縮短了測(cè)量人員的勞動(dòng)時(shí)間,降低了外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度[1]。

        2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)流程

        人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的實(shí)施流程包括相機(jī)標(biāo)定、圖像定位、飛行計(jì)劃制定、影響采集、三維模型與4D產(chǎn)品生成等步驟,如圖1所示。

        圖1 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)實(shí)施流程

        相機(jī)標(biāo)定又稱相片內(nèi)定向,目的是復(fù)原相片與鏡頭的位置關(guān)系。主要有自檢校、預(yù)檢校和兩者相結(jié)合的三種方式。自檢校精度較低、可靠性較差,目前多使用預(yù)檢校的方法,該方法多基于室內(nèi)的標(biāo)定板和標(biāo)定場(chǎng),利用不同主距下的內(nèi)方位元素值,獲得畸變系數(shù)隨主距變化的規(guī)律。

        圖像定位也稱為影像的外定向,目的是確定影像間的相對(duì)姿態(tài)和位置關(guān)系。Onyango等(2017)提出一種無(wú)人機(jī)傾斜攝影的匹配定位方法,為增加數(shù)量和提高通信質(zhì)量,使用濾波器對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理,并對(duì)不同的方案和相應(yīng)的精度進(jìn)行了比較。

        飛行計(jì)劃包括飛行高度、線路和速度、影像采集角度、相機(jī)參數(shù)、拍照頻率、影航向和旁向像重疊度的設(shè)計(jì)。Shen等(2017)利用混沌遺傳算法改進(jìn)的人工魚群算法可避免動(dòng)態(tài)目標(biāo)的打擊,能夠有效地避免在飛行空間中隨機(jī)移動(dòng)的目標(biāo),并驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。

        影像采集。無(wú)人機(jī)平臺(tái)的負(fù)載能力和飛行平穩(wěn)度是影響影像采集質(zhì)量很重要的因素。連蓉等(2014)利用四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的低空航空攝影技術(shù),通過(guò)兩種不同的POS系統(tǒng)與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,研究了四旋翼無(wú)人機(jī)在空中三角測(cè)量后獲得正交投影圖像的可行性,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了評(píng)估。

        產(chǎn)品生成。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的產(chǎn)品生成過(guò)程包含表面重建、4D產(chǎn)品生成和特征提取。Turner等(2014)對(duì)用于生成產(chǎn)品的后期處理軟件進(jìn)行了比較研究,采用搭載佳能550D相機(jī)的Oktopter無(wú)人機(jī)獲取超高分辨率影像,用Photoscan、Pix4D web service和一種內(nèi)部打包機(jī)方法對(duì)同一組影像進(jìn)行處理,發(fā)現(xiàn)Photoscan不僅操作最容易、運(yùn)算速度最快,而且處理的結(jié)果具有較高的精度[2]。

        3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的工程應(yīng)用

        無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)具有低成本、靈活機(jī)動(dòng)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn),在數(shù)字城市建設(shè)、橋梁檢測(cè)、滑坡調(diào)查、地形圖測(cè)繪等多個(gè)工程領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,下面重點(diǎn)結(jié)合傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

        3.1 測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)獲取

        依照傾斜攝影測(cè)量的技術(shù)參數(shù)和流程,選取廣東省某縣部分區(qū)域進(jìn)行地籍?dāng)?shù)據(jù)采集和精度評(píng)定。所選測(cè)區(qū)面積1.08km2,地物類主要是房屋建筑、道路、耕地,地勢(shì)平坦,無(wú)復(fù)雜地形。選取晴朗、能見度高、風(fēng)力小的天氣進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,保證像片無(wú)大面積云影、煙和反光等缺陷。將相片導(dǎo)入軟件中完成三維建模和地籍要素采集。試驗(yàn)使用六旋翼航測(cè)無(wú)人機(jī)搭載傾斜雙相機(jī),利用兩臺(tái)全畫幅相機(jī)依次前下后擺動(dòng)60°,一個(gè)周期采集6張不同角度的地物航空影像,達(dá)到6臺(tái)相機(jī)同時(shí)工作的效果,原理如圖2所示。

        圖2 傾斜雙相機(jī)周期擺動(dòng)設(shè)計(jì)工作原理

        3.2 測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)

        無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)自身特點(diǎn)決定影像處理方式與傳統(tǒng)航測(cè)方法不同,本文采用Smart3D Capture軟件完成空三、實(shí)景三維模型建立、點(diǎn)云生成,導(dǎo)入Geoway 3D Mapping軟件完成地理要素矢量化、地形圖分幅整飾等。

        試驗(yàn)第一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是將POS檢校解算后的傾斜像片導(dǎo)入Smart3D Capture軟件中進(jìn)行空三加密、模型快速化一體生產(chǎn)、模型數(shù)據(jù)局部修整及少量人工干預(yù)處理,聯(lián)機(jī)運(yùn)算一周由9236張1km2的真彩色航空相片生成點(diǎn)云和OSG格式的實(shí)景三維模型[3]。

        試驗(yàn)第二個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是將實(shí)景三維模型和點(diǎn)云導(dǎo)入Geoway 3DMapping軟件中,按照《國(guó)家基本比例尺地圖圖式第1部分:1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖圖式 GB 20257.1—2007》規(guī)范中 1∶500 地形圖要求,參照點(diǎn)云和三維模型完成全要素矢量化采集。

        測(cè)區(qū)在縣城中心,地物類主要是房屋、道路和植被,沒(méi)有復(fù)雜地形。1km2的測(cè)區(qū)由5名采編員耗時(shí)5d手動(dòng)采集整飾,得到6.08MB的DWG文件。

        整理完成的數(shù)字線劃圖,匯集需補(bǔ)測(cè)的問(wèn)題交給外業(yè)調(diào)繪補(bǔ)測(cè),最后修改整飾地形圖,完成測(cè)圖工作。

        3.3 大比例尺地形圖精度評(píng)定

        為確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確性,需要對(duì)成果圖進(jìn)行數(shù)學(xué)精度的驗(yàn)證。為保證界址點(diǎn)點(diǎn)位精度檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性,依照“均勻分布”的原則在測(cè)區(qū)內(nèi)選取219個(gè)界址點(diǎn)做精度評(píng)定,對(duì)利用傾斜攝影進(jìn)行大比例尺地籍測(cè)量所獲界址點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢驗(yàn),計(jì)算圖上獲取的點(diǎn)位坐標(biāo)數(shù)據(jù)與實(shí)地對(duì)應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)差值。計(jì)算可得界址點(diǎn)的點(diǎn)位等精度中誤差為±2.3cm,高精度中誤差為±3.3cm,界址點(diǎn)點(diǎn)位中誤差滿足國(guó)家規(guī)范要求,通過(guò)實(shí)測(cè)冗余數(shù)據(jù)充分證明傾斜攝影測(cè)量可以在大比例地籍圖上應(yīng)用。

        本試驗(yàn)選取30組界址點(diǎn)進(jìn)行間距精度評(píng)價(jià),利用卷尺和鋼尺等測(cè)量工具實(shí)地測(cè)量界址點(diǎn)之間的距離數(shù)據(jù),與大比例尺圖上獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行較差計(jì)算,計(jì)算可得界址點(diǎn),間距等精度中誤差為±2.7cm,高精度中誤差為±3.8cm,界址點(diǎn)間距中誤差滿足國(guó)家規(guī)范要求,數(shù)據(jù)有效證明傾斜攝影測(cè)量在大比例地籍圖上應(yīng)用的可行性[4]。

        4 無(wú)人機(jī)傾斜攝影的發(fā)展和應(yīng)用展望

        目前,無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步,精度、效率、成本上的優(yōu)勢(shì)有了進(jìn)一步的增強(qiáng)。在未來(lái)的發(fā)展中,除了需要在加強(qiáng)軟硬件方面來(lái)改進(jìn)傾斜影像處理能力和提高信息提取能力;在行業(yè)規(guī)范方面,更需要解決無(wú)人機(jī)使用服務(wù)和管理監(jiān)督不規(guī)范問(wèn)題。而隨著傾斜攝影技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,原有的很多應(yīng)用都將遷移到傾斜攝影技術(shù)上,并且還將繼續(xù)開拓出更多新的應(yīng)用模式。譬如利用效果好的傾斜攝影真實(shí)模型結(jié)合三維眼罩等虛擬現(xiàn)實(shí)裝備可實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)沉浸式三維體驗(yàn);隨著傾斜攝影技術(shù)精度的提高和傾斜模型數(shù)據(jù)的豐富,基于完全符合現(xiàn)實(shí)狀況的傾斜模型數(shù)據(jù)將可能實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車自動(dòng)駕駛和無(wú)人機(jī)快遞,再一次對(duì)行業(yè)進(jìn)行顛覆;傾斜攝影技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)方面將隨著傾斜模型的保密性問(wèn)題解決,以及 5G 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)地圖很快升級(jí)為三維地圖,地圖上所見即所得的真三維場(chǎng)景將被廣泛普及[5]。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        傾斜攝影作為在傳統(tǒng)航空攝影之上發(fā)展起來(lái)的新技術(shù),由于其增加了不同角度的相機(jī)拍攝,使得采集的信息更全面,并在自動(dòng)化建模軟件的支撐下能快速、低成本的構(gòu)建出逼真的三維模型,從而使得傾斜攝影技術(shù)得到蓬勃發(fā)展,并具備廣泛的應(yīng)用前景??梢哉f(shuō),傾斜攝影開辟了一條地理信息應(yīng)用的新道路。

        綜上所述,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用,且在多個(gè)領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。通過(guò)無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用和研究,探索出更加高效方便快捷的測(cè)繪途徑。高效、低成本的無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)必將在高精度的測(cè)繪方面將得到更廣泛的應(yīng)用。

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