李勇,陳楓,邱亞軍

(1.浙江華東測繪與工程安全技術(shù)有限公司,浙江 杭州 310000; 2.深圳市規(guī)劃和自然資源調(diào)查測繪中心,廣東 深圳 581000)

0 引 言

大比例尺地形圖具有精度高、地形要素表示多且全面等的特點,因此常常作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)用于規(guī)劃、管理、設(shè)計和建設(shè)[1-2]。如今城市建設(shè)得到快速發(fā)展,為保持城市地形圖的現(xiàn)勢性,滿足城鄉(xiāng)發(fā)展建設(shè)的需要,地形圖修補測工作顯得尤為重要[3]。傳統(tǒng)測繪作業(yè)的缺點制約著測繪行業(yè)的發(fā)展,它的缺點有作業(yè)人員勞動強度大、作業(yè)效率低、作業(yè)時間長、成本高以及測繪產(chǎn)品單一等。因此,包括無人機傾斜攝影在內(nèi)的測繪新技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛,在大比例尺地形圖修補測的工作中也得到了充分的應(yīng)用。然而,針對復(fù)雜城市場景中高層建筑所在區(qū)域高度變化大、樓棟間距小、遮擋嚴重等問題,傳統(tǒng)傾斜攝影提供的觀測仍然有限,很難進一步提升三維重建模型的精度和完整性[4-5]。本文介紹的優(yōu)視攝影測量利用了傾斜攝影數(shù)據(jù),減少外業(yè)采集時間。

優(yōu)視攝影測量可依賴待測區(qū)域概略模型的三維幾何信息出發(fā),計算出精確三維重建所需的拍照視點(如圖1所示),進入建筑間進行數(shù)據(jù)采集,從來解決部分建筑物間由于傾斜攝影視線遮擋而產(chǎn)生的拍攝盲區(qū)。

圖1 拍照視點及方向

1 基于優(yōu)視攝影測量技術(shù)的地形圖測繪工藝流程

無人機搭載單鏡頭時,根據(jù)設(shè)定的角度,飛行過程中,在不同的時間點分別拍攝垂直于地面的正片和與地面形成一定角度的前、后、左、右方向的斜片,從而達到模擬多鏡頭傾斜攝影的目的[6]。無人機傾斜攝影的主要作業(yè)流程有作業(yè)前準備及像控點布設(shè)、無人機飛行數(shù)據(jù)采集、空三測量及三維建模、利用三維模型進行大比例尺線劃圖繪制、調(diào)繪補測等。

優(yōu)視攝影測量是指利用目標區(qū)域的概略模型,生成模型重建所需要的密集采樣初始視點,再利用采樣點可重建性約束的視點優(yōu)化技術(shù),實現(xiàn)最小數(shù)據(jù)采集代價下的精確三維模型重建的技術(shù)[4]。優(yōu)視攝影測量是面向?qū)ο蟮臄z影測量技術(shù)模式,并遵循由粗到細的攝影采集策略,其拓展是基于可重建性判斷依據(jù),對目標區(qū)域生成的航攝視角進行自動優(yōu)化選取,從而形成最優(yōu)視點的有效規(guī)劃路徑提供給無人機進行航飛數(shù)據(jù)采集[7]。

優(yōu)視攝影測量主要作業(yè)流程與傾斜攝影不同之處在于數(shù)據(jù)采集階段,即在無人機飛行數(shù)據(jù)采集前需做以下工作:預(yù)飛行采集制作概略模型;生成采樣初始視點;視點優(yōu)化及生成規(guī)劃路徑。其中概略模型可選用傾斜攝影照片快速建模獲得,優(yōu)視攝影測量應(yīng)用于地形圖測量的工藝流程如圖2所示。

圖2 優(yōu)視攝影測量技術(shù)應(yīng)用的工藝流程

2 應(yīng)用案例

2.1 測區(qū)概況

本次優(yōu)視攝影應(yīng)用于深圳市1∶1 000地形圖修補測工作,測區(qū)位于深圳市龍華區(qū),面積約 2.2 km2。前期利用深圳市地形圖修補測變化巡查軟件進行變化地物調(diào)查,并上傳至深圳市新型基礎(chǔ)測繪工作平臺,確定了測區(qū)范圍內(nèi)有多個新建小區(qū)及商務(wù)中心等,變化地物面積約占測區(qū)面積的30%。測區(qū)內(nèi)最高建筑高約 170 m,相對高差約 110 m,建筑物間互相遮擋較多。

2.2 作業(yè)前準備

收集測區(qū)資料,明確坐標系統(tǒng)及高程基準,制定無人機航飛的技術(shù)方案(包括無人機、傳感器的選擇;地面分辨率、影像重疊度、飛行航高等的確定)及安全專項方案并申請了空域(踏勘時確定測區(qū)無禁飛區(qū))。

2.3 概略模型的快速生成

無人機飛行作業(yè)前首先布設(shè)像控點,各像控點間距在 350 m左右,其坐標及高程測量根據(jù)GNSS圖根控制測量的技術(shù)要求,采用網(wǎng)絡(luò)RTK模式接入SZBDCORS的方式進行測量。外業(yè)無人機飛行階段,首次飛行利用M300無人機搭載禪思P1相機進行智能擺拍測量數(shù)據(jù)采集,航向重疊度80%、旁向重疊度70%,采集的照片數(shù)量為 2 008張。使用戴爾圖形工作站以及RealityCapture軟件在作業(yè)現(xiàn)場對獲取的數(shù)據(jù)進行快速重建,耗時約 50 min,導(dǎo)出網(wǎng)格模型(*.obj格式)和點云數(shù)據(jù)(*.xyz格式),用于優(yōu)視攝影航線規(guī)劃,生成的概略模型如圖3所示。

圖3 測區(qū)概略模型

2.4 優(yōu)視攝影與傾斜攝影結(jié)合航線規(guī)劃

優(yōu)視攝影航線規(guī)劃在蝶舞航測規(guī)劃系統(tǒng)中進行,首先根據(jù)建筑安全距離及安全高度,以此來設(shè)定飛行區(qū)域的安全罩,用以保證飛行安全。在此基礎(chǔ)上設(shè)定采樣點重疊率為80%,航攝視距為 160 m(2 cm采集分辨率),設(shè)定最低飛行高度為 30 m,蝶舞航測規(guī)劃系統(tǒng)會自動計算出分辨率一致情況下所需采樣初始視點,其中包括進入高層建筑間所需的采樣初始視點,基于以上設(shè)定生成初始視角點 17 259個。然后導(dǎo)入傾斜攝影的pos信息進行優(yōu)化,獲得優(yōu)化視點以及最優(yōu)連接的飛行路線(如圖4所示),經(jīng)優(yōu)化后視角點(即航攝點)數(shù)量 9 369個。最終根據(jù)視角分區(qū)聚類形成分區(qū)航線并進行無人機航飛數(shù)據(jù)采集,本次采用單機分段航攝的方式進行數(shù)據(jù)采集,大疆M300每架次飛行時間約 30 min,共飛行21架次(含傾斜攝影3架次),耗時3天。此外亦可根據(jù)規(guī)模及工期要求采用多機協(xié)同的方式進行航攝(圖5中不同顏色的飛行路徑可分配給不同無人機進行多機協(xié)同作業(yè)),可大幅壓縮外業(yè)作業(yè)時間。

圖4 初始視角點(紅色:傾斜視角,藍色:優(yōu)視視角)

圖5 優(yōu)視攝影優(yōu)化后的航測采集點及飛行路徑

2.5 三維模型重建

重建時將傾斜攝影照片與優(yōu)視攝影照片一同重建,兩者共拍攝影像 13 277張,無人機航攝期間天氣晴朗。經(jīng)檢查飛行POS數(shù)據(jù)完整;影像清晰,色調(diào)均勻,層次豐富,無遺漏缺失,滿足后續(xù)工作要求。本次利用Smart3D軟件經(jīng)空中三角測量后進行三維模型重建工作,空三解算及相關(guān)像控點平差解算后精度很好,滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2.6 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集

選用idata_3D圖庫一體軟件進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集工作。三維模型實現(xiàn)與實景一致,且數(shù)據(jù)采集軟件為祼眼3D采集,直接對地物特征輪廓、線狀地物進行矢量測繪。從圖6的(a)、(b)中可以看出,在高層建筑底部的建模效果較好,可以滿足內(nèi)業(yè)采集的需求,從而極大地減少外業(yè)補測的工作,僅需對小部分通過影像判讀無法確認屬性的內(nèi)容進行調(diào)繪即可。

圖6 模型整體、局部效果

3 精度分析

本次優(yōu)視攝影生產(chǎn)的三維模型主要用于大比例尺地形圖采集,質(zhì)量檢查時參考行業(yè)標準規(guī)范檢查指標,并考慮實景三維模型數(shù)據(jù)質(zhì)檢的技術(shù)特點,此次重點對模型精度進行檢查分析。精度檢查包括平面位置、高程精度檢查,通過定量比對實測的檢查點數(shù)據(jù)與之對應(yīng)位置實景三維模型數(shù)據(jù)的差值,從而統(tǒng)計計算得出實景模型主體建筑物、構(gòu)筑物成果的幾何精度[8-9]。此外依據(jù)模型采集的地形圖根據(jù)文獻[10]的要求:主要地物點相對于鄰近控制點的點位中誤差不得大于 ±10 cm,次要地物相對于鄰近控制點的點位中誤差不得大于 ±15 cm;平坦地區(qū)高程點相對于鄰近控制點的高程中誤差不得大于 ±15 cm,鋪裝地面高程點相對于鄰近控制點的高程中誤差不得大于 ±7 cm,對地形圖精度進行檢查。

本次實踐所生產(chǎn)的地形圖圖面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及整飭質(zhì)量經(jīng)現(xiàn)場核查需滿足文獻7的要求;實景三維模型以及地形圖精度檢查利用拓普康GPT-4002LN全站儀實地設(shè)站,采用極坐標法進行數(shù)據(jù)采集,其角度測量精度為2秒,有棱鏡測距精度為2 mm+2 ppm*D。作業(yè)時檢查點為隨機選取、均勻分布的主要地物點150個,鋪裝地面高程點57個,全部點均參與模型精度統(tǒng)計(其中參與地形圖精度統(tǒng)計主要地物點有67個,鋪裝地面高程點有33個)。根據(jù)文獻7中的精度統(tǒng)計要求,中誤差的計算公式為:

式中M△為中誤差;n為檢測點數(shù)量;△為檢測較差。經(jīng)統(tǒng)計和計算,三維模型與全站儀實測數(shù)據(jù)的平面較差最小值為 0.2 cm,最大值為 17.0 cm,高程較差的絕對值最小為 0.0 cm,絕對值最大為 15.0 cm,平面中誤差為 ±0.053 m,高程中誤差為 ±0.057 m,由此可見三維模型的精度較好,其具體統(tǒng)計表如表1所示;通過三維模型采集的地形圖數(shù)據(jù)與全站儀實測數(shù)據(jù)的平面較差最小值為 0.1 cm,最大值為 15.7 cm,高程較差絕對值最小為 0.3 cm,絕對值最大為 15.6 cm,平面中誤差為 ±0.057 m,高程中誤差為 ±0.062 m,平面精度和高程精度均滿足文獻[7]的要求,其具體統(tǒng)計表如表2所示。

表1 三維模型誤差統(tǒng)計表

表2 地形圖誤差統(tǒng)計表

4 結(jié) 語

通過本次工程實踐,優(yōu)視攝影測量的優(yōu)點在于:①優(yōu)視攝影測量技術(shù)在解決復(fù)雜城市場景中地物高度變化大、遮擋嚴重等問題時,可根據(jù)優(yōu)化的視角進入高層建筑物間對建筑側(cè)面及底部的地物進行拍攝,從根本上解決由此產(chǎn)生的分辨率不一致、模型缺失或拉花嚴重的問題;②在概略模型的基礎(chǔ)上設(shè)定的安全罩,可確保無人機的飛行安全;③極大地減少外業(yè)補測的工作;④其建模精度滿足 1∶1 000大比例尺地形圖測圖精度需要。相比于優(yōu)點,其作業(yè)效率方面相較于傾斜攝影技術(shù)稍有不足,因而將兩者相結(jié)合用于大比例尺地形圖測量發(fā)揮各自優(yōu)勢,將會是復(fù)雜場景的大比例尺地形圖測量很好的解決方案,此外還可通過多機協(xié)同的作業(yè)方式提高工作效率。