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        傾斜攝影測量技術(shù)在港口條帶狀地形中的應(yīng)用研究

        2022-06-17 05:36:26亢保軍
        港工技術(shù) 2022年3期
        關(guān)鍵詞:防波堤長約實景

        王 頔,王 朝,亢保軍

        (中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司,天津 300220)

        引言

        近年來,傾斜攝影測量技術(shù)逐漸發(fā)展成為了地形測量的主流技術(shù),該技術(shù)通過無人機(jī)搭載多個鏡頭相機(jī),采集多個視角的地物影像數(shù)據(jù),獲取地物頂部及側(cè)面高分辨率紋理信息,通過空三解算和建模方法,構(gòu)建實景三維模型。朱征等[1]以傾斜攝影測量技術(shù)對白格堰塞區(qū)復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行了三維數(shù)字模型重建,講解了無人機(jī)數(shù)據(jù)采集的步驟要點。毛清政[2]對傾斜攝影測量中影響模型精度的像控點數(shù)量展開探討。曲林等[3]在數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上講解了實景三維建模的方法,并對其應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了探討。羅萬波[4]通過對泉州地區(qū)進(jìn)行三維建模,提出了生產(chǎn)三維實景模型的方案,并探討了大規(guī)模實景三維模型的數(shù)據(jù)管理方法和基于表面約束水面重建的解決方案。隨著該技術(shù)的發(fā)展,傾斜攝影測量技術(shù)也逐漸應(yīng)用于水運(yùn)行業(yè),但由于港區(qū)地形多為涉水區(qū)域,尤其是條帶狀的地形如延伸出去的防波堤,LNG 碼頭等紋理信息較弱,難以通過空三解算形成三維實景模型,因此本文針對港口地區(qū)條帶狀地形進(jìn)行對比研究。

        1 研究內(nèi)容與流程

        本次研究共分為四個方面的內(nèi)容,通過選取已有項目中條帶狀地物,對比分析其技術(shù)方案的設(shè)計,像控點的布設(shè)方案、空三解算精度及模型精細(xì)程度四個方面,尋找適用于港口地區(qū)條帶狀地物的傾斜攝影測量采集方法,技術(shù)路線如圖1 所示。

        圖1 技術(shù)路線

        2 研究區(qū)域概況

        本次研究共選取已有項目具有代表性的三個常見的港區(qū)條帶狀區(qū)域開展本次研究工作,三個研究區(qū)均大面積涉水,且存在大面積弱紋理信息特征地形,以此開展傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用研究十分具有代表性,如圖2 所示。研究區(qū)1 為常見延伸入海的碼頭類型,長約1 000 m,寬約20 m 的弱紋理道路,兩側(cè)均為海水,延伸區(qū)域長約220 m,寬約70 m,四面環(huán)水;研究區(qū)2 為港區(qū)常見的防波堤類型,該區(qū)域長約1 400 m,寬約17 m,為扭王字塊堆積而成,兩側(cè)隨海水漲落潮顯現(xiàn),人員行走困難且難以尋找平面位置進(jìn)行像控點布設(shè)。研究區(qū)3 為近港口的倒L 型碼頭,四面環(huán)水,且有架空管道及各種附屬設(shè)施,離岸長約140 m,寬約30 m,南北向長約340 m,寬約20 m。

        圖2 研究區(qū)域示意

        3 對比分析

        3.1 技術(shù)方案的設(shè)計

        本次開展的相關(guān)研究均使用大疆M600pro 六旋翼無人機(jī)搭載睿鉑RIY-D2Pros 五鏡頭相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。研究區(qū)1 設(shè)置南北向沿長邊飛行,飛行高度90 m,飛行范圍由于大橋為路面無高大建筑未外擴(kuò)航高,東西向延伸區(qū)域由于存在高達(dá)建筑單獨外擴(kuò)航高90 m,地面分辨率1.6 cm,航向重疊率80 %,旁向重疊率83 %,共飛行2 個架次。研究區(qū)2 設(shè)置垂直于長邊飛行,飛行高度120 m,為保證地面高大建筑物的側(cè)面紋理,飛行范圍外擴(kuò)航高120 m,地面分辨率2.1 cm,航向重疊率80 %,旁向重疊率83 %,共飛行1 個架次。研究區(qū)3 設(shè)置沿防波堤長邊方向飛行,飛行高度60 m,由于防波堤地面起伏不大,所以未外擴(kuò)航高,地面分辨率1.1 cm,航向重疊率80 %,旁向重疊率83 %,共飛行3 個架次。

        3.2 像控點的布設(shè)方案

        研究區(qū)1 考慮到該區(qū)域長度達(dá)到了1 000 m,且橋面均為路面,紋理較少難以識別,為確保模型精度,采用成對布設(shè)的方式布設(shè)像控點,每間隔約250 m 布設(shè)一對像控點,共計布設(shè)像控點13 個,像控點分布如圖3(a)所示。研究區(qū)2 由于防波堤區(qū)域較難找到平面位置,且防波堤中間高兩邊低的形態(tài)分布,采用單點布設(shè)的方式布設(shè)像控點,每間隔約260 m 布設(shè)一個像控點,共計布設(shè)像控點6 個,像控點分布如圖3(b)所示。研究區(qū)3 由于測區(qū)面積較小,采用四個角點的方式布設(shè)像控點,共計布設(shè)像控點4 個,像控點分布如圖3(c)所示。

        圖3 像控點分布

        3.3 空三解算精度

        將采集數(shù)據(jù)導(dǎo)入Smart3D 軟件進(jìn)行空中三角測量,通過使用原始POS 數(shù)據(jù)做剛體變換進(jìn)行初步空三計算,提取特征點,進(jìn)行同名點匹配、迭代平差、畸變矯正獲取外方位元素,然后根據(jù)初步空三成果進(jìn)行控制點刺點,使用控制點進(jìn)行平差計算,直至空三結(jié)果正確且精度滿足規(guī)范要求,通過空三解算結(jié)果生成實景三維模型。為實際檢驗實景三維模型建模精度,通過研究區(qū)采集的均勻分布的檢核點進(jìn)行精度檢核,在三維模型中刺出檢核點位置,最后將檢核點影像刺點坐標(biāo)與實測坐標(biāo)進(jìn)行對比。經(jīng)統(tǒng)計研究區(qū)1,平面中誤差0.018 m,高程0.020 m;研究區(qū)2,平面中誤差0.034 m,高程0.018 m;研究區(qū)3,平面中誤差0.066 m,高程0.010 m。

        3.4 模型精細(xì)程度

        綜合對比三個研究區(qū)的實景三維模型,通過觀察模型是否有扭曲變形、漏洞、飛點等問題判斷模型的精細(xì)程度,經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)研究區(qū)2 實景三維模型精細(xì)度最好,防波堤無任何扭曲變形及破洞現(xiàn)象。研究區(qū)1 及研究區(qū)3 的三維實景模型效果均完整較好,但存在局部輕微扭曲變形,如鏤空的設(shè)施(如鏤空鐵門、信號塔、輸油臂等)存在局部空洞使用單一顏色補(bǔ)充現(xiàn)象。

        1)研究區(qū)1 的整體實景三維模型完好,大橋橋面連接真實平整,但由于橋面區(qū)域未外擴(kuò)航高,底部橋墩區(qū)域未露出,需后期單體化修模進(jìn)行補(bǔ)充;模型中的高大建筑完整真實,房角線平直無錯位,但鏤空的設(shè)施如房頂?shù)男盘査?、柵欄型鐵門則顯示存在部分缺失,可移動的龍門吊考慮移動作業(yè)的原因存在小型局部破洞(已進(jìn)行單一顏色補(bǔ)充),如圖4 所示。

        圖4 研究區(qū)1 三維實景模型局部放大

        2)研究區(qū)2 的整體實景三維模型完好,整條防波堤顯示完整,連接無扭曲變形、破洞現(xiàn)象,各個扭王字塊顯示真實,無扭曲變形現(xiàn)象,如圖5 所示。

        3)研究區(qū)3 的整體實景三維模型完好,長條形路面及管線架顯示真實完整,路面平整、標(biāo)線完整,管線架顯示完好,各管道線路清晰,連接無扭曲錯位。高大鏤空的設(shè)施設(shè)備如輸油臂存在小型局部破洞(以進(jìn)行單一顏色補(bǔ)充),如圖6 所示。

        圖6 研究區(qū)3 三維實景模型局部放大

        4 小結(jié)

        本次研究選取了港口具有代表性的三塊條帶狀區(qū)域作為研究區(qū)開展本次對比研究工作,分別從技術(shù)方案的設(shè)計,像控點的布設(shè)方案、空三解算精度及模型精細(xì)程度四個方面進(jìn)行對比分析,尋求適用于港口條帶狀區(qū)域數(shù)據(jù)采集方法。通過上文四個部分的對比分析,發(fā)現(xiàn)以下幾點操作可顯著提高空中三角測量通過度及模型精度:

        1)飛行條帶狀區(qū)域時應(yīng)適當(dāng)降低飛行高度,保證每張圖片中的地形數(shù)據(jù)占據(jù)1/3 以上,避免水體過多。

        2)若沿長邊飛行,適當(dāng)提高旁向重疊度,保證測繪區(qū)域覆蓋多條航線,若條件允許的情況下垂直于長邊飛行效果更好。

        3)像控點布設(shè)時成對布設(shè)模式可提高空中三角測量通過度,且模型精度更高。

        5 結(jié)語

        通過傾斜攝影測量技術(shù)對港區(qū)條帶狀特征的三塊研究區(qū)域進(jìn)行了對比研究,總結(jié)出適用于大范圍水域中條帶狀地形的數(shù)據(jù)采集方法,具備較強(qiáng)的實操性,可得到高精度的實景三維模型,為類似的傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用場景提供新的解決思路和參考借鑒。

        本文的研究數(shù)據(jù)均為具體項目實施過程中所采集和處理的實景三維模型,所采用的技術(shù)方法也以滿足工程要求為主要目的,未進(jìn)行針對性的固定航高、固定航線方向、固定像控點數(shù)量或間隔等單一因子的分析研究,故所得結(jié)論僅為針對已有研究成果做出的總結(jié),在今后的工程應(yīng)用中還需經(jīng)過進(jìn)一步的實踐檢驗。

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