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        無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在不動(dòng)產(chǎn)項(xiàng)目中的應(yīng)用研究

        2022-08-08 04:55:20馬娟娟
        關(guān)鍵詞:三角測(cè)量分辨率建模

        馬娟娟

        (三和數(shù)碼測(cè)繪地理信息技術(shù)有限公司,甘肅 天水 741000)

        傳統(tǒng)的不動(dòng)產(chǎn)測(cè)繪使用的是全站儀、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(Real-Time Kinematic,RTK) 載波相位差分技術(shù)設(shè)備等進(jìn)行作業(yè)[1]。全站儀由于遮擋等原因,需要設(shè)置站,作業(yè)效率低;RTK 雖然效率較全站儀高,但是都屬于外業(yè)工作,工作量大,成本高,且風(fēng)險(xiǎn)性也高[2-3]。針對(duì)這種問題,本文從傾斜攝影測(cè)量技術(shù)出發(fā),采用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)來進(jìn)行不動(dòng)產(chǎn)測(cè)繪,讓外業(yè)工作盡可能轉(zhuǎn)為內(nèi)業(yè),這樣一來,成本就會(huì)適當(dāng)降低,風(fēng)險(xiǎn)性也會(huì)隨之降低。傾斜攝影測(cè)量是近年來才發(fā)展起來的一項(xiàng)新型測(cè)繪技術(shù),因此本文首先對(duì)其基本原理和建模流程進(jìn)行了簡單介紹,并對(duì)傾斜攝影測(cè)量中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析,提出相對(duì)應(yīng)的解決方案。最后以某一項(xiàng)目實(shí)例出發(fā),介紹了該技術(shù)在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用,并對(duì)其生產(chǎn)的成果精度進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果表明該方法生產(chǎn)的地籍圖精度完全符合規(guī)范要求,可作為新的作業(yè)方法應(yīng)用于不動(dòng)產(chǎn)測(cè)繪項(xiàng)目,提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本。

        1 傾斜攝影測(cè)量

        1.1 傾斜攝影測(cè)量原理

        傾斜攝影測(cè)量是相對(duì)于傳統(tǒng)的垂直攝影測(cè)量來說的。垂直攝影測(cè)量是搭載一個(gè)相機(jī)對(duì)地面垂直地進(jìn)行拍攝;而傾斜攝影測(cè)量則是在無人機(jī)等飛行平臺(tái)上搭載多個(gè)鏡頭集成在一起的相機(jī),以不同角度對(duì)地面物體進(jìn)行同步采集[4-6]。傾斜攝影測(cè)量主流的搭載為5 鏡頭相機(jī),包括1 個(gè)下視鏡頭和4 個(gè)側(cè)視鏡頭[7]。下視鏡頭同垂直攝影,用于獲取建構(gòu)筑物的頂部紋理信息;而側(cè)視鏡頭與下視鏡頭通常呈45°夾角,用于獲取建構(gòu)筑物的側(cè)面紋理信息。

        1.2 傾斜攝影測(cè)量的建模流程

        傾斜攝影測(cè)量建模是指采用專業(yè)軟件,通過自動(dòng)化技術(shù)或半自動(dòng)化技術(shù),將傾斜影像數(shù)據(jù)和定位定姿系統(tǒng)(Position and Orientation System,POS) 數(shù)據(jù),通過空中三角測(cè)量解算、多視影像密集匹配、不規(guī)則三角網(wǎng)(Triangulated Irregular Network,TIN)構(gòu)建、紋理映射等關(guān)鍵步驟處理,得到可量測(cè)、可視化的實(shí)景三維模型成果。在實(shí)際數(shù)據(jù)處理時(shí),包括了數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)解算、模型生產(chǎn)等環(huán)節(jié),具體的傾斜攝影建模流程見圖1。

        圖1 傾斜攝影建模流程圖

        2 關(guān)鍵技術(shù)分析

        2.1 分辨率不一致問題處理

        在攝影測(cè)量中,各參數(shù)滿足的關(guān)系式為

        式中:GSD 為地面分辨率;a 為像元大??;h 為相對(duì)航高;f 為相機(jī)的焦距;θ 為像片傾角。

        對(duì)垂直攝影測(cè)量來說,θ 角度要求最大不大于3°。圖2 為cos 函數(shù)示意圖。從圖2 中也可以看出,在0~π/2 區(qū)間,隨著角度增大,函數(shù)變化率越來越大,則cosθ 值的變化量也隨著增大,為了保證地面分辨率盡可能一致,因此要求θ 值不能太大。然而,對(duì)傾斜攝影測(cè)量來說,下視鏡頭可以采用該理論,而側(cè)視鏡頭則無法采用該理論。這是因?yàn)樵趦A斜攝影測(cè)量中,側(cè)視鏡頭的攝影光線與地面不是垂直的,按照與地面成45°夾角計(jì)算的話,其攝影光線與影像中心也成45°夾角。

        圖2 cos 函數(shù)示意圖

        在目前的航線規(guī)劃軟件中,都是以下視鏡頭參數(shù)為依據(jù)進(jìn)行航線規(guī)劃的。如果5 個(gè)鏡頭參數(shù)一致,通過式(1) 可知,側(cè)視鏡頭分辨率是下視鏡頭分辨率的1/cosθ 倍(以下視鏡頭的像片傾角為0°計(jì)算)。當(dāng)θ 為45°時(shí),則側(cè)視鏡頭分辨率為下視鏡頭分辨率的倍。以農(nóng)房項(xiàng)目的下視鏡頭分辨率為1.5 cm 計(jì)算,則側(cè)視鏡頭分辨率為2.1 cm,很明顯,此時(shí)的側(cè)視鏡頭分辨率是無法滿足農(nóng)房項(xiàng)目的。為了使側(cè)視鏡頭分辨率和下視鏡頭分辨率盡量一致,在5 鏡頭相機(jī)集成時(shí),將側(cè)視鏡頭焦距改為下視鏡頭焦距的倍,這樣就可以獲取分辨率一致的影像了。

        2.2 冗余影像處理

        傾斜攝影測(cè)量通常搭載5 鏡頭相機(jī),從5 個(gè)角度分別采集地表影像。一方面,由于在數(shù)據(jù)進(jìn)行解算時(shí),影像數(shù)量越多,解算所需時(shí)間越長,因此在不影響建模效果的前提下,對(duì)冗余影像進(jìn)行刪除,可有效提高數(shù)據(jù)的解算效率。另一方面,位于項(xiàng)目任務(wù)區(qū)邊緣的影像,其重疊度小,在進(jìn)行空中三角測(cè)量解算的時(shí)候,容易導(dǎo)致空中三角測(cè)量解算失敗。通過分析相機(jī)平臺(tái)安置方向與航飛方向的關(guān)系,在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理時(shí),利用C++語言開發(fā)了數(shù)據(jù)冗余處理軟件,對(duì)項(xiàng)目任務(wù)區(qū)范圍外的影像進(jìn)行了刪除處理。

        2.3 POS 數(shù)據(jù)優(yōu)化處理

        在傾斜攝影測(cè)量中,有兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)是非常重要的,一個(gè)是影像數(shù)據(jù),另一個(gè)則是POS 數(shù)據(jù)。目前主流的5 鏡頭相機(jī)都是共用1 組POS 數(shù)據(jù)的,即5 個(gè)鏡頭的拍照位置使用的都是下視鏡頭的像片曝光位置,且姿態(tài)也是使用下視鏡頭的姿態(tài)。但是側(cè)視鏡頭的像片曝光位置和姿態(tài),與下視鏡頭相比差異是很大的,尤其是側(cè)視鏡頭的姿態(tài)利用下視鏡頭的姿態(tài)來代替是完全不可行的。這也是無人機(jī)數(shù)據(jù)在進(jìn)行空中三角測(cè)量解算時(shí)不使用姿態(tài)參數(shù)的一個(gè)重要原因。鑒于此,結(jié)合相機(jī)平臺(tái)檢校參數(shù),采用C++語言開發(fā)了POS 數(shù)據(jù)解算軟件,利用下視鏡頭的位置參數(shù)和姿態(tài)參數(shù),解算出4 個(gè)側(cè)視鏡頭的位置參數(shù)和姿態(tài)參數(shù),即每個(gè)鏡頭的每個(gè)曝光點(diǎn)都有唯一的位置參數(shù)和姿態(tài)參數(shù),從而對(duì)POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行了優(yōu)化,可以有效提升空中三角測(cè)量解算的成功率和效率。

        3 項(xiàng)目實(shí)例

        3.1 項(xiàng)目任務(wù)區(qū)概況

        本項(xiàng)目任務(wù)區(qū)面積為0.5 km2,地勢(shì)平坦,房屋分布密集,采用旋翼無人機(jī)飛行1 架次,可以完成整個(gè)測(cè)區(qū)影像數(shù)據(jù)的采集。

        3.2 相機(jī)選型及航線規(guī)劃

        為了保證下視鏡頭和側(cè)視鏡頭采集的影像分辨率盡量一致,因而在選擇相機(jī)時(shí),下視鏡頭選擇焦距35 mm 相機(jī),側(cè)視鏡頭選擇焦距50 mm 相機(jī),這樣可以獲得分辨率一致的原始影像數(shù)據(jù)。為了滿足地籍精度要求,在航線規(guī)劃時(shí),按照下視鏡頭分辨率為1.5 cm 計(jì)算,航向、旁向重疊度均設(shè)置為80%,根據(jù)地形,按照東西方向進(jìn)行航線規(guī)劃。為了保證測(cè)區(qū)邊緣建模效果質(zhì)量好,在航線規(guī)劃時(shí),對(duì)測(cè)區(qū)邊緣外擴(kuò)了1 個(gè)航高。

        3.3 航攝影像數(shù)據(jù)獲取

        為了減少遮擋帶來的陰影,在實(shí)際航飛時(shí),選擇在上午11∶00 到12∶00 進(jìn)行航攝影像數(shù)據(jù)獲取。在正式作業(yè)前,首先在地面上進(jìn)行了試拍,確保相機(jī)正常曝光,內(nèi)存卡可以正常寫入數(shù)據(jù)。在航攝過程中,飛手時(shí)刻關(guān)注地面站上的航飛狀態(tài),在整個(gè)飛行過程中,未發(fā)生任何異常。航攝完成后,共獲得1.5 cm 分辨率的影像8 545 張,對(duì)航攝影像數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查,重疊度符合要求,陰影較少,符合規(guī)范要求。

        3.4 數(shù)據(jù)預(yù)處理

        數(shù)據(jù)預(yù)處理主要考慮影像勻色、重命名,在不影響建模效果的前提下刪除無效影像,對(duì)POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行解算,求出每張照片唯一的POS 坐標(biāo)。

        1) 影像勻色。在Photoshop 軟件里,創(chuàng)建批處理命令,對(duì)原始影像進(jìn)行亮度調(diào)整,提升影像視覺質(zhì)量。

        2) 重命名。利用重命名軟件,對(duì)5 鏡頭影像進(jìn)行重命名處理,確保參與運(yùn)算的影像不存在重名問題。

        3) 刪除無效影像。使用C++語言開發(fā)的數(shù)據(jù)冗余處理軟件,導(dǎo)入POS 數(shù)據(jù),對(duì)航攝影像進(jìn)行冗余處理。共刪除無效影像1 204 張,獲得有效影像7 341 張。

        4) POS 數(shù)據(jù)解算。影像重命名完成后,利用下視POS 數(shù)據(jù),對(duì)4 個(gè)側(cè)視鏡頭的POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行解算;并按照影像命名規(guī)則,對(duì)POS 數(shù)據(jù)盡心重命名,確保影像和POS 是一一對(duì)應(yīng)的。在解算時(shí),由于考慮到旋翼無人機(jī)姿態(tài)較差,因此只取了其位置坐標(biāo),并沒有取姿態(tài)參數(shù),因此解算后的側(cè)視鏡頭也是沒有姿態(tài)參數(shù)的。

        3.5 空中三角測(cè)量解算

        空中三角測(cè)量解算是傾斜攝影測(cè)量中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié),空中三角測(cè)量解算的結(jié)果直接決定著后期能否建模。在前期對(duì)影像數(shù)據(jù)和POS 數(shù)據(jù)解算優(yōu)化后,本次空中三角測(cè)量解算一次性完成,且成果未出現(xiàn)分層,加密點(diǎn)重投影中誤差為0.68 個(gè)像素,精度符合規(guī)范要求,成果可用。

        3.6 像控點(diǎn)轉(zhuǎn)刺及平差

        本次建模使用CC4.4.12 軟件,在導(dǎo)入像控點(diǎn)時(shí),先選擇坐標(biāo)系,然后導(dǎo)入像控點(diǎn)。在轉(zhuǎn)刺像控點(diǎn)的時(shí)候,對(duì)于位于影像邊緣的點(diǎn)位不進(jìn)行轉(zhuǎn)刺,這樣可以提高平差成果的精度。在平差時(shí),選擇保持原有加密點(diǎn),這樣可以提高平差效率。平差完成后,查看平差報(bào)告,像控點(diǎn)重投影中誤差為0.45 個(gè)像素,像控點(diǎn)中誤差為0.008 m,平差精度符合規(guī)范要求。

        3.7 實(shí)景三維模型生產(chǎn)

        在空中三角測(cè)量平差成果合格后,開始實(shí)景三維模型的生產(chǎn)。考慮到軟件內(nèi)存為64 GB,在建模時(shí),選擇水平劃分的方式,設(shè)置瓦片大小為150 m,占用內(nèi)存約28 GB,這樣可以保證建模時(shí)瓦片全部正常輸出。由于是單獨(dú)架次,不存在接邊,因此未對(duì)瓦片原點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行設(shè)置。

        3.8 地籍圖采集

        本次使用EPS 軟件,基于實(shí)景三維模型進(jìn)行地籍圖采集。在采集時(shí),結(jié)合建筑物的特點(diǎn),采用不同的工具命令進(jìn)行采集,比如,規(guī)則的矩形房屋可以采用“五點(diǎn)房”命令采集,并在采集完成后對(duì)其屬性(如磚房、一般房屋、混房等) 進(jìn)行完善。采集完成后,在EPS 軟件中,對(duì)采集的成果進(jìn)行入庫前的質(zhì)檢,修改質(zhì)檢中存在的問題,確保最后的成果可以直接入庫。

        3.9 精度檢測(cè)與分析評(píng)定

        采集26 個(gè)平高檢測(cè)點(diǎn),按照同精度中誤差計(jì)算公式,對(duì)地籍圖成果精度進(jìn)行檢測(cè)。由于地籍圖對(duì)高程要求不高,在本次精度檢測(cè)時(shí),只對(duì)平面點(diǎn)位進(jìn)行檢測(cè)。地籍圖精度檢測(cè)結(jié)果見表1。

        表1 地籍圖精度檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表 (cm)

        從表1 可以看出,較差最大為5.8 cm,26 個(gè)平高檢測(cè)點(diǎn)的中誤差為2.9 cm,其精度完全符合地籍規(guī)范精度要求,成果可以直接作為最終的地籍圖成果上交。

        4 結(jié)束語

        本文介紹了傾斜攝影測(cè)量的基本原理和建模流程,并對(duì)傾斜攝影測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析,給出相應(yīng)的解決方案。以某一項(xiàng)目任務(wù)為例,對(duì)傾斜攝影測(cè)量生產(chǎn)地籍圖的流程進(jìn)行了說明,并采用同精度中誤差計(jì)算公式,對(duì)傾斜攝影測(cè)量生產(chǎn)的地籍圖精度進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果表明,采用傾斜攝影測(cè)量生產(chǎn)的地籍圖,精度可以滿足地籍規(guī)范精度要求,可以為不動(dòng)產(chǎn)測(cè)繪項(xiàng)目提供新的作業(yè)方法,為同行作業(yè)人員提供新的作業(yè)思路。

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