張林杰,黃 筱,饒維冬,羅 衛(wèi),左 強(qiáng),熊 豪,黎文輝

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550081)

水利樞紐是優(yōu)化水資源配置與時(shí)空分布的重要工程,在發(fā)電、防洪、灌溉、供水等方面發(fā)揮著巨大作用。然而多數(shù)水利樞紐都建在地形起伏較大的高山峽谷,因此在水利工程生命周期中需引入三維技術(shù)實(shí)現(xiàn)水利樞紐精細(xì)化和智能化的規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工管理及運(yùn)營(yíng)維護(hù),同時(shí)對(duì)空間信息數(shù)據(jù)的需求也由傳統(tǒng)的二維逐步過(guò)渡到三維。傳統(tǒng)測(cè)繪產(chǎn)品(如 DOM、DLG、DRG等)僅能為水利工程提供抽象的平面位置信息,無(wú)法提供立體的三維信息;而基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的三維實(shí)景模型將信息的真實(shí)化、可視化、立體化、時(shí)序化融入水利工程,能夠參與水利工程前期決策、規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工管理、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等全生命周期的信息化管理。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量三維實(shí)景建模,即由無(wú)人機(jī)搭載一個(gè)或多個(gè)數(shù)碼相機(jī)攝影系統(tǒng),獲取多角度的地面影像,通過(guò)建模軟件對(duì)影像POS(position and orientation system)與多視影像進(jìn)行處理,最終完成三維實(shí)景模型的建立?；跓o(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的三維實(shí)景模型不僅能夠滿足1∶500高精度的三維測(cè)圖[1-4],而且可輔助城市三維地理信息系統(tǒng)建設(shè)、三維城市規(guī)劃及城市信息化建設(shè)[5-12];但針對(duì)水利工程的免像控?zé)o人機(jī)傾斜攝影測(cè)量三維建模的相關(guān)分析較少,且由于影像POS的精度有限,內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理需要測(cè)區(qū)內(nèi)分布均勻的像控點(diǎn),這將大大增加水利工程的外業(yè)工作量,并延長(zhǎng)產(chǎn)品生產(chǎn)周期。

綜上,本文從滿足成果精度的要求出發(fā),兼顧項(xiàng)目成本和效率的原則,開(kāi)展免像控?zé)o人機(jī)傾斜攝影測(cè)量三維建模研究,以某水利工程為研究對(duì)象,探討基于網(wǎng)絡(luò)RTK與PPK POS的免像控三維模型,以期為推進(jìn)智慧水利建設(shè)提供參考。

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量與三維實(shí)景建模

1.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是由傳統(tǒng)攝影測(cè)量衍生出的新興技術(shù),其本質(zhì)是在無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)上搭載多方向的數(shù)碼相機(jī),不僅能獲取正下方的影像數(shù)據(jù),即正射影像,還能同時(shí)獲取與地表成一定角度(≥5°)的影像數(shù)據(jù),即傾斜影像,從而使獲取的信息更為完整[13]。搭載五鏡頭的無(wú)人機(jī)傾斜攝影如圖1所示。

圖1 五鏡頭傾斜攝影系統(tǒng)采集影像分布

無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)主要包括地面站、飛行平臺(tái)及載荷。其中,地面站主要保持與無(wú)人機(jī)通信,并實(shí)時(shí)獲取無(wú)人機(jī)的飛行高度、速度及航線執(zhí)行情況等,確保無(wú)人機(jī)飛行安全;飛行平臺(tái)為固定翼、多旋翼或混合翼的無(wú)人機(jī);載荷主要由多方向的數(shù)碼相機(jī)與定位定向系統(tǒng)組成,定位定向系統(tǒng)用于提供曝光瞬間攝站在地面坐標(biāo)系的坐標(biāo)及影像的位置、姿態(tài)。

1.2 三維實(shí)景建模

傳統(tǒng)的三維建模是利用AutoCAD、3ds Max等軟件進(jìn)行手工建模,不僅效率低,而且模型紋理不符合實(shí)際。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和三維可視化技術(shù)能夠建立紋理信息更為豐富、更符合實(shí)際的三維實(shí)景模型。常見(jiàn)的實(shí)景建模軟件有ContextCapture、PhotoScan、Smart3D、大疆智圖、DP-Smart等[14]。

傾斜攝影測(cè)量三維實(shí)景建?；趥鹘y(tǒng)航空攝影測(cè)量中的共線方程及POS輔助空中三角測(cè)量得到白模,再將影像的紋理映射到白模上,得到三維實(shí)景模型。POS輔助空中三角測(cè)量是將POS系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的聯(lián)合數(shù)據(jù)后處理,以測(cè)定相機(jī)準(zhǔn)確的空間位置和姿態(tài),然后將其與像點(diǎn)坐標(biāo)觀測(cè)值進(jìn)行整體平差,從而直接確定地面目標(biāo)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)和6個(gè)影像外方位元素。圖2為無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)對(duì)地面攝影獲得像點(diǎn)a的中心投影成像原理。

圖2 傾斜攝影測(cè)量中心投影成像示意

設(shè)像點(diǎn)a在以像主點(diǎn)o為原點(diǎn)的像平面坐標(biāo)系xoy中的坐標(biāo)為(x,y),GNSS天線相位中心A在物方空間坐標(biāo)系M-XYZ中的坐標(biāo)為(XA,YA,ZA),則投影中心、像點(diǎn)、物點(diǎn)像平面坐標(biāo)與物方空間坐標(biāo)應(yīng)滿足如下共線方程[15]

(1)

式中,(x,y)為像點(diǎn)的像平面坐標(biāo);f為像片主距;(XA,YA,ZA)為物方點(diǎn)的物方空間坐標(biāo);(XS,YS,ZS)為攝站點(diǎn)S的物方空間坐標(biāo),即外方位元素;a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3表示影像外方位角元素φ、ω、κ的方向余弦。

設(shè)機(jī)載GNSS天線相位中心A在相機(jī)本體坐標(biāo)系I-μνω中的坐標(biāo)為(μA,νA,ωA),則由影像姿態(tài)角φ、ω、κ所構(gòu)成的正交變換矩陣R可得

(2)

當(dāng)IMU測(cè)定的相機(jī)姿態(tài)角為φ′、ω′、κ′時(shí),其與外方位角元素構(gòu)成的關(guān)系式可表示為

(3)

式(1)—式(3)構(gòu)成了影像定向參數(shù)與影像外方位元素間的嚴(yán)格幾何關(guān)系,同時(shí)也是POS數(shù)據(jù)與傾斜攝影測(cè)量觀測(cè)值聯(lián)合平差的基礎(chǔ)[16]。

POS輔助空中三角測(cè)量使用的觀測(cè)數(shù)據(jù)包括像點(diǎn)坐標(biāo)、機(jī)載GNSS確定的攝站坐標(biāo)及機(jī)載IMU測(cè)定的姿態(tài)角,待估參數(shù)則包括視物點(diǎn)地面坐標(biāo)、影像外方位元素及各類誤差的改正數(shù)。基于此可構(gòu)建誤差方程,利用最小二乘平差方法即可求解物點(diǎn)的三維地面坐標(biāo)和影像外方位元素的平差值[17],從而實(shí)現(xiàn)免像控建模。

2 仿地傾斜攝影數(shù)據(jù)采集與整理

2.1 傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)

以飛馬D2000無(wú)人機(jī)為例,其集成的高精度GNSS板卡不僅能夠同時(shí)接收北斗、GPS、GLONASS雙頻觀測(cè)數(shù)據(jù),而且基于GNSS精確授時(shí)機(jī)制和持續(xù)校準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)亞毫秒級(jí)同步精度,有效確保了POS原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。載荷選擇D-OP3000五鏡頭傾斜攝影模塊,一次拍攝能從獲取的多角度地面影像上得到地面物體的精細(xì)信息。無(wú)人機(jī)及傾斜攝影模塊相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1、表2。

表1 無(wú)人機(jī)相關(guān)參數(shù)

表2 傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

由于此無(wú)人機(jī)具有精確仿地飛行功能,將其應(yīng)用于水利樞紐起伏大的高山峽谷地形,能夠獲取地面分辨率一致的影像數(shù)據(jù)。仿地飛行是指在無(wú)人機(jī)作業(yè)過(guò)程中設(shè)定與已知三維地形的固定高度,使其與目標(biāo)地物保持恒定高差,從而保證地面分辨率一致。借助仿地飛行,無(wú)人機(jī)能夠適應(yīng)不同地形,并根據(jù)測(cè)區(qū)地形自動(dòng)生成變高航線,從而獲取分辨率均勻的原始數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)更好的建模效果。

2.2 數(shù)據(jù)采集

水利樞紐工程現(xiàn)場(chǎng)地形高差大,因此數(shù)據(jù)采集選擇仿地飛行的方式。進(jìn)行航線規(guī)劃時(shí)需導(dǎo)入測(cè)區(qū)的高程數(shù)據(jù)。但由于NASA SRTM 30 m高程數(shù)據(jù)精度較低,更新頻率慢,且工程現(xiàn)場(chǎng)地面高差變化大,為獲得高分辨率的影像數(shù)據(jù),同時(shí)確保無(wú)人機(jī)安全,航線規(guī)劃時(shí)采用預(yù)先飛行采集的測(cè)區(qū)數(shù)字地表模型(DSM)輔助航線設(shè)計(jì),避免了由全球高程數(shù)據(jù)獲取誤差引起的無(wú)人機(jī)安全隱患。測(cè)區(qū)DSM如圖3所示。

圖3 測(cè)區(qū)DSM

根據(jù)預(yù)先飛行采集的測(cè)區(qū)DSM完成航線規(guī)劃,設(shè)計(jì)的影像地面分辨率為3 cm,最終航線如圖4所示。

圖4 精確仿地航線

航線設(shè)計(jì)完成后選擇晴朗、光線充足的天氣進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作,采集流程如圖5所示。最終累計(jì)航飛3個(gè)架次,共采集7605張影像。

圖5 數(shù)據(jù)采集流程

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 POS解算

無(wú)人機(jī)能夠提供基于網(wǎng)絡(luò)載波相位的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分(NRTK) POS,但因NRTK易受網(wǎng)絡(luò)延遲、流動(dòng)站與參考站間的距離、共視衛(wèi)星數(shù)等因素的影響,因此其數(shù)據(jù)處理軟件支持后處理動(dòng)態(tài)差分(PPK)重新解算POS。

利用PPK重新解算POS時(shí),基于智理圖模塊,只需將流動(dòng)站觀測(cè)文件、基準(zhǔn)站觀測(cè)文件、廣播星歷文件導(dǎo)入即可進(jìn)行解算。本文基準(zhǔn)站觀測(cè)文件是從其數(shù)據(jù)處理軟件中下載的虛擬基準(zhǔn)站觀測(cè)文件,且因GLONASS在軌有效衛(wèi)星數(shù)較少,解算時(shí)只選用GPS、BDS雙系統(tǒng)進(jìn)行PPK POS解算。

2.3.2 模型重建

建模軟件選擇瞰景Smart3D實(shí)景建模軟件系統(tǒng)。該軟件自動(dòng)化程度高,數(shù)據(jù)處理流程簡(jiǎn)單,只需將影像、POS導(dǎo)入即可提交三維模型重建。為對(duì)比分析基于NRTK與PPK的POS建模精度,分別進(jìn)行基于NRTK POS與PPK POS的兩次模型重建。

傾斜攝影測(cè)量構(gòu)建的三維模型相較于傳統(tǒng)正射影像擁有更為詳細(xì)的側(cè)面紋理信息。建模完成后模型整體均色彩均勻、清晰。傾斜模型如圖6、圖7所示。

圖6 基于NRTK POS的傾斜模型

圖7 基于PPK POS的傾斜模型

3 免像控三維實(shí)景模型分析

3.1 精度分析

為驗(yàn)證基于NRTK、PPK的影像POS應(yīng)用于免像控傾斜攝影測(cè)量三維建模的精度,采集數(shù)據(jù)前在測(cè)區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)并采集40個(gè)特征檢查點(diǎn)。檢查點(diǎn)布設(shè)如圖8所示。

圖8 檢查點(diǎn)布設(shè)

將檢查點(diǎn)導(dǎo)入Smart3D軟件已建好的模型中,并對(duì)比檢查點(diǎn)的坐標(biāo)與模型中的坐標(biāo),得到模型精度。平面誤差與高程誤差的計(jì)算公式為

(4)

式中,ΔP與ΔH分別表示平面誤差與高程誤差;(XM,YM,HM)表示三維模型中檢查點(diǎn)的坐標(biāo);(XR,YR,HR)表示檢查點(diǎn)的實(shí)際測(cè)量坐標(biāo)。各特征檢查點(diǎn)的誤差見(jiàn)表3。

表3 基于NRTK PPK POS的模型精度 cm

由表2可知,基于NRTK與PPK POS的免像控傾斜攝影測(cè)量三維建模的三維模型平面位置中誤差分別為10.7、7.6 cm;高程中誤差分別為18.4、9.9 cm。根據(jù)《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》(CH/T 9015—2012)中關(guān)于Ⅰ級(jí)1∶500成圖比例尺三維模型產(chǎn)品規(guī)定的“平面中誤差小于0.3 m,高程中誤差小于0.5 m”的要求,基于NRTK與PPK POS的三維模型精度均滿足要求,但基于PPK POS的三維模型精度優(yōu)于基于NRTK POS的模型精度,尤其在高程方向。兩者模型精度詳細(xì)對(duì)比如圖9所示。

圖9 基于NRTK PPK POS的模型精度對(duì)比

由圖9可知,模型的精度與初始POS精度相關(guān),在一定程度上,高精度的影像POS可提升最終三維模型的精度。

3.2 紋理分析

紋理質(zhì)量對(duì)于三維模型的應(yīng)用同樣至關(guān)重要。分析發(fā)現(xiàn),本次免像控傾斜攝影測(cè)量三維建模模型細(xì)節(jié)的紋理質(zhì)量較好,能夠滿足后期應(yīng)用需求,如圖10所示。

圖10 模型紋理質(zhì)量

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)兩組對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證了基于NRTK、PPK POS的無(wú)人機(jī)免像控傾斜攝影測(cè)量三維建模的模型精度,同時(shí)探討了基于DSM的精確仿地飛行在數(shù)據(jù)采集、DSM生成、航線規(guī)劃等不同階段的主要操作流程?；贜RTK 、PPK POS的無(wú)人機(jī)免像控傾斜攝影測(cè)量三維建模的模型精度均滿足《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》中的相應(yīng)要求。但對(duì)比檢查點(diǎn)發(fā)現(xiàn),基于PPK POS的三維模型精度優(yōu)于基于NRTK POS的模型精度,尤其在高程方向。因此在免像控建模時(shí),宜采用PPK解算的POS。