基于倾斜摄影实景三维模型生产大比例尺地形图的应用研究--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

基于倾斜摄影实景三维模型生产大比例尺地形图的应用研究

发表时间：2021/9/7 来源：《城市建设》2021年9月上17期作者：彭跃

[导读] 针对大比例尺测图效率低、劳动强度大等问题，本文提出采用倾斜摄影测量技术进行建模，然后基于实景三维模型生产大比例尺地形图的方法。首先介绍了倾斜摄影测量的原理，对其中相关概念进行了介绍，讲解了实景三维模型生产的流程，最后以某一项目为例，分析了该方法生产地形图的精度，可以满足1:1000大比例尺地形图，为地形图的测绘提供了新的作业方法。

四川博达建筑勘察设计有限公司彭跃四川内江 641000

摘要：针对大比例尺测图效率低、劳动强度大等问题，本文提出采用倾斜摄影测量技术进行建模，然后基于实景三维模型生产大比例尺地形图的方法。首先介绍了倾斜摄影测量的原理，对其中相关概念进行了介绍，讲解了实景三维模型生产的流程，最后以某一项目为例，分析了该方法生产地形图的精度，可以满足1:1000大比例尺地形图，为地形图的测绘提供了新的作业方法。
关键词：倾斜摄影测量；实景三维模型；大比例尺地形图
        0引言
        大比例尺地形图是我国各类工程建设中必需的基础资料，广泛应用于地理国情普查、城乡建设、工程测量、国防建设等领域。传统的测制大比例尺地形图的方法主要是利用全站仪极坐标法和GNSS定位测量方法采集碎布点坐标。传统的测量方式劳动强度大、成本高，对于大范围、特殊地形的测量工作，难度大而效率不高。随着近年来无人机低空倾斜摄影测量技术的发展，当前地形图的主要测量方式已经发生改变。无人机倾斜摄影测量技术可以弥补传统方法的不足，实现大范围、高效率的空间数据采集[1]。本文主要阐述了无人机倾斜摄影测量的原理流程，并以项目为例，分析了其在生产大比例尺地形图中的可行性，为大比例尺地形图测绘提供了新的作业方法。
        1倾斜摄影测量技术理论
        基于无人机的倾斜摄影测量是通过搭载五镜头相机，分别对地面进行垂直向下、倾斜向前、倾斜向后、倾斜向左、倾斜向右等五个角度，多方位地拍摄而获得原始影像，并结合机载GPS/IMU系统，获取航摄像片的外方位元素数据，以及在地面控制点数据，经过配套内业软件处理而获取满足精度的实景三维模型。无人机的倾斜摄影测量生产实景三维模型具有自动化程度高、建模效率快且降低了不易进入地区测绘作业的难度等优点。但是，它具有对计算机硬件要求高、内业数据处理数据量大等缺点。
        1.1倾斜摄影测量流程
        基于无人机的倾斜摄影测量技术基本上遵循摄影测量技术的原理。在外业航拍之前，要规划航线以及设定航摄参数。主要的航摄参数如下：
        （1）地面采样间隔
        GSD即航摄影像地面分辨率，是区分影像上相邻地物最小距离能力，数值越小，影像的分辨率越高。
        （2）航高 H
        无人机飞行时相对于某一基准面的垂直距离。H=F×GSD/a 式中:F是镜头焦距；a 是像元尺寸。
        （3）影像重叠度
        影像重叠度包括航向重叠和旁向重叠。航向重叠取值范围一般60%~80%，旁向重叠取值范围一般在15%~65%之间。
        （4）摄影基线与基高比
        在航线方向上，相邻投影中心的连线由重叠度来决定；摄影基线长度和航高关系为：K=H/B×K ；地面点的高程精度：mH=GSD/（K×e））；基高比越大，重叠度越小，但是点的高程精度高，会产生观测盲区。因此，在航摄参数设置的过程中，要平衡重叠度与摄影基高比。
        1.2倾斜摄影测量精度影响关键因素
        在构建实景三维模型过程中，飞行平台、相机参数、POS数据获取的精度以及像片控制点的测量精度和布设位置都会对航摄像片产生影响，从而影响三维模型构建的精度[2]。
        1.2.1飞行平台
        目前市场上的无人机类型主要有多旋翼式和复合翼无人机。多旋翼无人机在飞行过程中，由于受到气流、温度等因素的影响，导致在拍摄一瞬间获取的航摄像片存在噪声干扰，从而引起像片位移。
        1.2.2相机参数
        无人机一般搭载的是非测量型相机。由于透镜的曲率误差、光学镜头组件等因素会导致像点偏离理论位置，也称畸变差。畸变差包括径向畸变、切向畸变和偏心畸变。镜头畸变的校正一般通过检校场进行鉴定相机的参数，一般包括主点坐标x0，y0、径向畸变系数 K1、K2、切向畸变系数 P1 P2 等参数。
        1.2.3POS 数据和像片控制测量
        POS数据是影像曝光时的位置和姿态信息，即航摄像片的外方位元素。

期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆

一般通过搭载在无人机上的 GPS-IMU 装置获取，是解析空中三角测量的数据基础[3-5]。空中三角测量是利用共线方程以及测区少量的像控点坐标，计算其他待定点的坐标和像片的外方位元素[6]。空中三角测量以及实景三维模型的精度主要与控制点的数量、位置及其精度有密切关系。理论上数量越多，模型的精度越高。但是过多数量的像控点，对三维模型的精度的提高有限[7-8]。另外像片控制点位置不合理，会导致地形起伏比较大的地区三模模型扭曲以及其表面点精度不均匀等问题。
        1.3倾斜摄影测量内业处理流程
        目前市场上倾斜摄影测量内业建模软件主要有本特利的CC、上海瞰景科技的Smart3D、北京中测智绘的M3D、PhotoMesh、PhotoScan等，本次使用上海瞰景科技的Smart3D软件，该软件具有空三精度高，空三成功率高、模型精细度优等特点。处理过程主要包括新建工程、数据加载、引擎路径设置、自由网空三加密、像控点转刺与平差、瓦片参数设置、多视影像密集匹配、不规则三角网TIN构建、白膜生成、纹理映射与三维模型格式转换输出。
        1.4根据 EPS 制作地形图
        地形图的绘制是利用北京清华三维的EPS软件，将实景三维模型导入到软件中。对于地物的绘制，可以直接利用地物图式符号，在实景三维模型上进行采集矢量化。等高线的绘制可使用软件特有的淹没功能，通过设置步距，来改变淹没的高程，从而矢量化等高线。
        1.5地形图的补测
        在外业航拍过程中，由于地物之间的遮挡无法显示以及制作的部分模型发生扭曲变形，需要使用传统仪器去野外进行地形图的核对、补测工作。对有把握的部分进行抽查，对有疑点的地方进行实地核对、测量，以保证地形图的完整性和准确性。
        2项目验证
        2.1测区概括和数据获取
        测区属于丘陵地，任务区面积1.3KM2，作业采集六旋翼无人机，航飞高度150米，获取下视影像地面分辨率为0.085米。
        2.2空三加密和像控点转刺
        在Smart3D软件中，设置好各项参数，提交空三任务，进行空中三角测量解算。待自由网空三解算完成后，导入像控点，转刺像控点，并进行平差调整。待平差成果精度符合规范要求后，进行后期的任务作业。
        2.3三维模型生产和地形图测绘
        结合电脑内存大小，设置瓦片大小为100米，按照规则格网平面划分设置瓦片。导入任务区范围线，设置模型格式为OSGB，严格按照范围线进行三维模型的输出。在生产完三维模型后，基于三维模型，进行格式转换，导出真正射影像。利用EPS软件，选择1000比例尺数据库模板，加载生产的OSGB格式模型，自动转换得到Data.DSM，加载该数据，按照地形图采集规范要求进行地形图的采集。
        2.4地形图精度统计与分析
        利用GPS-RTK采集30个检测点，对地形图精度进行检测统计，得到如下统计结果：30个检测点中最大平面误差为0.135米，最小误差仅为0.045米；最大高程误差为0.153米，最小仅为0.068米；平面中误差为0.103米，高程中误差为0.115米。成果精度均满足1:1000地形图规范要求。
        3结语
        综上所述，利用无人机倾斜摄影生成实景三维模型进行矢量地形图生产流程和方法，与传统测量相比，可以大幅提高大比例尺地形图测绘的效率，降低作业成本。通过实测证明，其精度基本符合1：1000地形图精度，可以满足大比例尺地形图测绘的要求。
参考文献
[1]杨国东，王民水 . 倾斜摄影测量技术应用及展望［J］. 测绘与空间地理信息，2016（1）：13-15，18.
[2]李万能，唐庆忠，陈黎.无人机航摄像控点数量对空三解算精度的影响［J］. 测绘通报，2017（S1）：84-89.
[3]袁修孝 .POS 辅助光束法区域网平差［J］. 测绘学报，2008（3）：342-348.
[4]吴献文，张鹏，曾琳.基于消费级无人机倾斜影像的三维测图技术探讨［J］. 测绘通报，2019（7）：92-95.
[5]谢运广，无人机倾斜摄影测量在大比例尺地形图中的应用和精度分析，测绘与空间地理信息，2021（3）：44-46.
[6]魏军，曹琴.基于倾斜摄影采集立面图方法的研究[J].数字技术与应用，2020,38（1）：46+48.
[7]乔天荣,马培果,许连峰,等.基于无人机倾斜摄影测量的关键技术及应用分析[J].矿产勘查,2020,11(12):2698-2704.
[8]蒋勤玉,丁兆连.基于机载GPS-IMU系统实现直接定向的研究[J].测绘与空间地理信息,2019,42(06):139-142.