許晟銘
(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210000)
無人機憑借其機動靈活、作業(yè)范圍廣、成本低等特點,在各領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。與傳統(tǒng)測繪手段相比,無人機三維測繪技術(shù)可以快速、精準地獲取地表信息,從而大大減輕了工作的強度。此外,利用無人機測繪生成的高精度三維模型,在各行業(yè)領(lǐng)域中作為一種更加立體直觀的場景進行展示[1],從而進一步擴大了無人機的應(yīng)用范圍,使其在測繪、國土、礦山、林業(yè)、文物保護、數(shù)字城市等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
無人機三維測繪技術(shù)融合了北斗(GPS)、通信、影像處理等不同技術(shù),通過無人機搭載一臺自帶減震、優(yōu)化參數(shù)的五鏡頭相機,拍攝高清影像,經(jīng)過軟件集群處理生產(chǎn)三維模型,在室內(nèi)基于三維模型生產(chǎn)數(shù)字線劃圖,從而滿足各行業(yè)對數(shù)據(jù)的需求。
無人機三維測繪技術(shù)具有很高的靈活性,和傳統(tǒng)的測量技術(shù)相比,無人機適用于多種復(fù)雜場景,可以滿足礦山測量、文物保護、水利應(yīng)用等復(fù)雜場景的作業(yè)。
無人機三維測繪技術(shù)的應(yīng)用,可以大幅減少人工操作的工作,進而在保證測繪成果質(zhì)量的前提下提高作業(yè)效率[2]。在日常的測繪工作中會有許多小的區(qū)域,容易受到地理環(huán)境的影響,工作效率較低。無人機可以快速地獲取影像,減輕了工作人員的壓力,提升了工作效率。
傳統(tǒng)測繪手段以外業(yè)為主,成本投入較高,測繪周期也較長。而無人機主要以室內(nèi)作業(yè)為主,可以大幅度減少外業(yè)工作量,同時減少因第三方因素對工作造成的影響,從而降低了勞動力成本,縮短了測量周期,大幅減少了人力、物力、財力的投入。
利用無人機三維測繪技術(shù),可以在確保安全的情況下高效地完成野外測繪工作。通過無人機搭載高分辨率的相機,采用低空飛行的方式,可以獲取高精度的影像,大大提高成像的質(zhì)量[3]。與衛(wèi)星遙感比,無人機獲取的影像分辨率更高,能夠更加清晰地反映地表的實際情況。同時,基于無人機獲取的高精度三維模型,可以進行立體化的測量工作,從而可以有效提高數(shù)據(jù)的精準度。
2.1.1 傾斜航空攝影
傾斜攝影測量技術(shù)是通過在飛行平臺上安裝多個鏡頭,從不同方向獲取地表的影像,包含四個傾斜方向和一個豎直方向,其中和地面垂直的一組影像稱為正片,與地面成一定角度的四組影像稱為斜片[4]。通過無人機搭載五鏡頭傾斜相機進行傾斜航空攝影,可從五個不同角度采集地面影像,從而獲取地物的三維數(shù)據(jù),如圖1所示。
圖1 傾斜攝影示意圖
在航線規(guī)劃時,可根據(jù)精度要求,按照下視鏡頭地面分辨率優(yōu)于3 cm、1.5 cm等進行航線規(guī)劃。在進行航空攝影時,嚴格按照航線設(shè)計的GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)進行航攝工作,選擇在能見度不低于1 km、光照條件良好的天氣進行航空攝影,以保證影像清晰、色彩鮮明、色調(diào)一致、反差適中、顏色飽和,能較清楚地分辨各類地物。每完成一個架次的航攝工作,及時下載數(shù)據(jù),并進行航攝質(zhì)量的質(zhì)檢工作。若出現(xiàn)相對漏洞、絕對漏洞及其他缺陷時,應(yīng)及時補攝或重攝,漏洞補攝按原設(shè)計航跡線進行,并采用同一主距的數(shù)字航攝儀進行補攝工作。
2.1.2 控制測量
控制點布設(shè)要完全覆蓋整個測區(qū),且分布均勻。在硬化地面使用鋼釘,非硬化地面先打入木樁后使用鋼釘,作為圖根點標志,如圖2所示。
圖2 控制點布設(shè)分布示意圖
利用連續(xù)運行基準站系統(tǒng)支持下的網(wǎng)絡(luò)RTK進行測量,獲取每個點的三維坐標(XCGCS 2000、YCGCS 2000、h大地高)。
2.2.1 像片控制測量
像控點的布設(shè)及測量為航測內(nèi)業(yè)成圖提供了必要的平面和高程控制成果,是保證成圖精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。測區(qū)均勻布設(shè)像控點,并保證測區(qū)拐點處布設(shè)控制點,個別困難地區(qū)在保證后處理精度的情況下可適當放寬,靈活調(diào)整。像控點全部為地標或已有地物像控點,地標像控點在航飛前鋪設(shè)地面標志,然后進行像片判刺和外業(yè)測量。
不同航攝分區(qū)單獨布設(shè)像控點,不同分區(qū)重疊區(qū)域應(yīng)布設(shè)共用像控點,便于空三成果的分區(qū)接邊。
為檢核內(nèi)業(yè)加密點及項目成果的精度,同時在測區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)檢查點,檢查點精度同平高控制點精度,檢查點需選在明顯的地物點上,位置應(yīng)遠離區(qū)域網(wǎng)控制點和全野外高程點,檢查點成果單獨整理交質(zhì)量檢查部門使用。
2.2.2 空中三角測量
采用軟件ContextCapture Center,通過無人機搭載的POS系統(tǒng)可以獲取相片的外方位元素,計算獲取到的所有影像覆蓋范圍內(nèi)的相片,采取分級匹配的模式,在不同級別的相片上進行同名點的自動匹配和基于光束法的自由網(wǎng)平差,從而得到較好的匹配結(jié)果。與此同時,通過編輯連接點并導(dǎo)入控制點坐標,結(jié)合差分GPS的數(shù)據(jù),實現(xiàn)多視角影像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差迭代計算。通過對局域網(wǎng)平差進行多次反復(fù)聯(lián)合解算,最終得到符合精度要求的平差結(jié)果,如圖3所示。
圖3 空中三角測量計算示意圖
(1)將原始數(shù)據(jù)整理好之后,將做好的block文件或者txt文件導(dǎo)入新建的工程中。導(dǎo)入之后再一次檢查照片和pos數(shù)據(jù)是否一一對應(yīng);
(2)劃分空三分區(qū),進行無控空三加密,便于后續(xù)控制點刺點工作。無控空三結(jié)束,需檢查影像是否分層,若影像分層,需要對空三進行優(yōu)化;
(3)設(shè)置成果坐標系;
(4)添加像控點:根據(jù)外業(yè)采集的像控點的地理坐標,在關(guān)聯(lián)照片上進行刺點,每個控制點所在影像數(shù)目不得低于3張,優(yōu)化空三加密結(jié)果;
(5)進行光束法區(qū)域網(wǎng)平差計算;
(6)對空三成果進行質(zhì)檢:利用檢查點對空三成果進行質(zhì)檢,要滿足規(guī)范要求。如若不滿足,分析原因并再次進行空三加密操作,直至滿足要求。
2.2.3實景三維建模
利用ContextCapture Center的三維重建功能,能夠?qū)崿F(xiàn)實景三維模型的全自動計算。軟件的三維重建算法會自動匹配每個格網(wǎng)面片的影像紋理,確保各個三維格網(wǎng)模型頂點放置在最佳位置,從而以更少的瑕疵表現(xiàn)更精細的細節(jié)和更銳利的邊緣,大幅提高幾何精度,最終形成三維尺度的密集點云?;邳c云可自動生成不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN),同時基于軟件的自動優(yōu)化算法,可以將錯誤匹配的三角網(wǎng)頂點進行刪除或修復(fù),實現(xiàn)對TIN三角網(wǎng)的平滑優(yōu)化,以達到最佳的三維表達效果。最后根據(jù)TIN三角網(wǎng)各頂點的空間位置信息,自動匹配最優(yōu)的視角影像,完成模型紋理的構(gòu)建,最終形成高精度的實景三維模型,如圖4所示。
圖4 實景三維模型制作流程圖
在三維模型的基礎(chǔ)上,用SV365智能測繪系統(tǒng)進行三維模型的矢量化工作,在此過程中將直接標注建筑物的屬性(層高和材質(zhì)),并且矢量化后的建筑物已進行了房檐改正,外業(yè)只需核實,無需再次進行此項標注工作,矢量化其余要求與立體采集一致。
對某地農(nóng)村開展地籍測繪,如表1所示。由于該村落分布不均勻,導(dǎo)致了以下結(jié)果:
表1 某地籍測繪項目精度檢測表 單位:m
3.1.1 碎部點檢測結(jié)果
高精度平面檢測點473個,粗差0個,平面中誤差=0.032m;
高精度高程檢測點24個,粗差0個,高程中誤差=0.045 m。
3.1.2 房產(chǎn)邊長檢測結(jié)果
量邊167條邊長,相鄰邊87條,房屋邊80條。其中:
較差大于0.2 m以上的有17個;
較差在0.15 m-0.2 m以內(nèi)的有6個;
較差在0.10 m-0.15 m以內(nèi)的有8個;
小于0.10 m的有136個,其中0.05 m以下的有111個。
對某開發(fā)區(qū)32 km21∶500地形圖利用無人機三維測繪技術(shù)進行制作,圖幅數(shù)共644幅,坐標系統(tǒng)采用CGCS 2000國家大地坐標系;高程基準采用1985國家高程基準。經(jīng)隨機抽樣檢驗:實地檢測1∶500地形圖地物點相對于臨近控制點點位檢測中誤差最大為0.29m(限差±0.30 m),高程注記點檢測中誤差最大為0.28 m(限差±0.40 m),數(shù)據(jù)精度基本符合設(shè)計的要求,如圖5所示。
圖5 某開發(fā)區(qū)1∶500地形圖測繪項目
通過上述過程生成的指定區(qū)域的實景三維模型、數(shù)字線劃圖(DLG)、數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字高程模型(DEM),可以更高效地服務(wù)于各行業(yè)領(lǐng)域的數(shù)字化、智慧化應(yīng)用建設(shè)。
國土測繪是無人機的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一,無人機可以很好地服務(wù)于國土測繪的諸多領(lǐng)域,如,地形圖測繪、地籍測量、不動產(chǎn)測繪、國土資源普查、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測等。一方面無人機從空中進行測繪,擺脫了地形、環(huán)境、氣候等的限制,測繪范圍更廣、效率更高;另一方面無人機替代人工進行測繪,也將測繪人員從各種災(zāi)害與危險中拯救出來,在降低人力成本的同時,也保障了其安全性。
城市規(guī)劃也是無人機三維測繪的另一大“用武之地”。在城市規(guī)劃中,無人機三維測繪技術(shù)可以從空中作業(yè),能減少地面測繪的限制和盲點,提升測繪效率與精度。除此以外,無人機取代人工,能節(jié)約測繪成本,保護人員安全,可以作為城市規(guī)劃的重要手段來使用。
利用無人機三維測繪技術(shù)可以為文物建立高精度實景三維模型,實現(xiàn)文物古跡的三維數(shù)字化。依托無人機空中無接觸的優(yōu)勢,可以很好地保護文物的本體結(jié)構(gòu),不會給文物本體帶來破壞。與此同時,無人機測繪文物還能打破空間限制,提升測繪效率和精度,降低測繪成本。對于文物數(shù)據(jù)獲取和后續(xù)修復(fù)保護來說,無人機測繪作用明顯。通過建立文物三維數(shù)字化檔案,為文物展示、數(shù)字化修復(fù)、科研、文化交流、基礎(chǔ)培訓(xùn)、數(shù)字產(chǎn)品與衍生品的開發(fā)等提供了數(shù)據(jù)支撐。
隨著生產(chǎn)的推進,各煤礦企業(yè)礦井開采范圍、工業(yè)廣場、生活區(qū)范圍等也在發(fā)生著變化,利用無人機三維測圖技術(shù)可以進行礦山地形圖、影像圖、井上下對照圖等的更新與制作。利用無人機除了可以獲取高精度的礦山影像,還可以保證人員安全,大大提高礦山測量作業(yè)的效率。
無人機傾斜攝影技術(shù),應(yīng)用于水利工程建設(shè)、管理的全過程。通過三維實景模型為水利工程的勘查、設(shè)計、選址、土石方計算、進度監(jiān)測等提供有效的數(shù)據(jù)依據(jù),既節(jié)約了時間,又節(jié)約了成本。三維模型與水文信息的融合,為水利工程提供更直觀的管理模式。
利用無人機三維測繪技術(shù),搭建城市三維模型,以數(shù)字化方式直觀展示城市的三維立體場景,為數(shù)字城市建設(shè)提供基礎(chǔ)的三維數(shù)字底座,無限擴展數(shù)字可視化管理應(yīng)用,提升城市整體信息化建設(shè)水平。
綜上所述,利用無人機三維測繪技術(shù)實現(xiàn)對地表的快速三維建模工作,大大提高測繪作業(yè)效率,可以滿足地籍測量、1∶500地形圖等測繪精度的要求。除此以外,無人機三維測繪技術(shù)還可以服務(wù)于各行各業(yè)的信息化建設(shè)。隨著技術(shù)的進一步發(fā)展,未來無人機三維測繪技術(shù)將會為越來越多的智慧化行業(yè)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐,進而助推數(shù)字中國、實景三維中國、智慧城市等的建設(shè)。