傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在潼關(guān)水文站三維模型建設(shè)中的應(yīng)用研究

袁秀忠+秦曉東+孔德志+孫蓮蓮

[摘 要] 隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)及計(jì)算機(jī)處理海量數(shù)據(jù)能力的不斷提高，使得傾斜攝影技術(shù)在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，本文結(jié)合利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的特點(diǎn)，論述建設(shè)潼關(guān)水文站實(shí)景三維模型的流程，并在模型上采集檢查點(diǎn)坐標(biāo)與實(shí)地測(cè)量成果進(jìn)行精度對(duì)比分析。

[關(guān)鍵詞] 傾斜攝影；三維模型；應(yīng)用研究

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2017. 21. 074

[中圖分類號(hào)] P23 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673 - 0194（2017）21- 0173- 03

0 引 言

傾斜攝影測(cè)量是近幾年發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，其通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從垂直、傾斜等不同角度采集影像，從而獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息。該技術(shù)不僅大大減少了外業(yè)作業(yè)時(shí)間，提高了勞動(dòng)效率，而且能夠高精度地獲取物方紋理信息，通過(guò)先進(jìn)的定位、融合、建模等技術(shù)，自動(dòng)化快速生成真實(shí)的三維場(chǎng)景。傾斜攝影測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)主要由無(wú)人機(jī)技術(shù)、傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)及三維建模軟硬件三部分組成。

1 潼關(guān)水文站建模流程

本次潼關(guān)水文站航拍區(qū)域包括水文站站院及測(cè)流斷面上下游600米區(qū)域的整個(gè)河段，面積約1.4km。一個(gè)實(shí)景三維模型的建模流程一般由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)整理檢查、導(dǎo)入建模軟件、空三加密測(cè)量、自動(dòng)生成模型等幾部分組成。為說(shuō)明情況，以廣州紅鵬公司的六旋翼無(wú)人機(jī)、Smart3DCapture三維建模軟件為例說(shuō)明。

1.1 數(shù)據(jù)采集

本次作業(yè)采用旋翼式AC1100無(wú)人機(jī)搭載紅鵬AP5100五鏡頭相機(jī)獲取。結(jié)合測(cè)區(qū)地物情況，河道右岸（潼關(guān)水文站站院）飛行兩個(gè)架次，航高120m，航向重疊75%，旁向重疊75%；河道左岸飛行兩個(gè)架次、河道中間飛行六個(gè)架次，航高均為200m，航向重疊75%，旁向重疊75%。架次之間保證有重疊，避免出現(xiàn)攝影盲區(qū)。為保證模型精度，在攝區(qū)均勻布設(shè)21個(gè)像片控制點(diǎn)。為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途?，在攝區(qū)隨機(jī)布設(shè)15個(gè)檢查點(diǎn)?？刂泣c(diǎn)及檢查點(diǎn)采用GPS RTK模式采集。平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用國(guó)家2000坐標(biāo)系，中央經(jīng)線為111E，高程采用1985年高程基準(zhǔn)。

1.2 數(shù)據(jù)整理檢查

飛行數(shù)據(jù)包括三部分：一是飛行時(shí)無(wú)人機(jī)自動(dòng)記錄的POS數(shù)據(jù)（pos.txt），POS數(shù)據(jù)包括攝影時(shí)各相片的坐標(biāo)、航線角度等；二是無(wú)人機(jī)空中拍攝的原始影像數(shù)據(jù)，包含一組正射影像和四組傾斜角度采集的影像；三是航線軌跡圖（.gdb文件）。

（1）根據(jù)POS數(shù)據(jù)，剔除無(wú)POS記錄的影像數(shù)據(jù)。為了方便POS數(shù)據(jù)后期整理及其對(duì)應(yīng)影像的有效性，無(wú)人機(jī)在進(jìn)入攝區(qū)前，攝影平臺(tái)采用定時(shí)曝光（每3.5秒自動(dòng)拍攝一次），進(jìn)入攝區(qū)則進(jìn)行定點(diǎn)拍攝并記錄POS值。同時(shí)，完成攝區(qū)拍攝任務(wù)后，整個(gè)拍攝系統(tǒng)將停止工作，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，從而確保獲取的影像與POS值有很好的匹配關(guān)系。整理影像數(shù)據(jù)時(shí)可以根據(jù)POS記錄的條數(shù)及航線轉(zhuǎn)角將影像數(shù)據(jù)與POS值一一對(duì)應(yīng)，剔除無(wú)POS記錄的影像數(shù)據(jù)。

（2）按照不同的相機(jī)重命名影像，一般命名規(guī)則為“相機(jī)號(hào)（英文字母）+數(shù)字”，正射影像按照A1001……，其余傾斜相機(jī)按照B1001、C1001、D1001、E1001……命名，重命名是為了后面像控點(diǎn)刺點(diǎn)找片提供方便。

（3）檢驗(yàn)航線軌跡和控制點(diǎn)是否在所需拍攝范圍內(nèi)。

（4）挑選各控制點(diǎn)對(duì)應(yīng)影像進(jìn)行刺點(diǎn)，每個(gè)相機(jī)至少兩張，這樣就將外業(yè)采集的影像與相片控制點(diǎn)進(jìn)行了初步關(guān)聯(lián)。

1.3 數(shù)據(jù)導(dǎo)入

將影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)、像控點(diǎn)坐標(biāo)及相機(jī)尺寸和焦距導(dǎo)入建模軟件，為建模做好準(zhǔn)備工作。

（1）如果沒(méi)有POS數(shù)據(jù)，直接加載影像文件（Add photos）或文件夾（Add directory），導(dǎo)入全部照片，設(shè)置傳感器大?。⊿ensor Size）和焦距（Focal leng）等參數(shù)。

（2）如果有整理好的POS數(shù)據(jù)，可以直接加載導(dǎo)入軟件，在軟件中可以查看到影像的空間效果，通過(guò)該示圖基本判斷飛行的質(zhì)量。

1.4 空中三角加密測(cè)量

將導(dǎo)入的像控點(diǎn)與相片關(guān)聯(lián)，并對(duì)每一副照片相片進(jìn)行定位，這在航空攝影測(cè)量中稱作空中三角加密測(cè)量，簡(jiǎn)稱“空三加密”。這一步最為關(guān)鍵，也是在三維建模軟件中需要人工干預(yù)的一步。通過(guò)這一步工作將每一張照片根據(jù)POS記錄的坐標(biāo)及像控點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行精確定位。一般是每個(gè)控制點(diǎn)可以只選刺一組影像的兩張照片，待第一次空三加密運(yùn)算完畢后，再選取所有照片進(jìn)行刺點(diǎn)，重新進(jìn)行空三加密運(yùn)算，直到合格為止。

1.5 自動(dòng)生成數(shù)字模型

空三加密運(yùn)算完成后可概略查看空三運(yùn)算后的圖形大致形狀，如果沒(méi)有大的差錯(cuò)，提交生成模型。Smart3DCapture可以提供集群式生成模型，參與計(jì)算的工作站越多，建模時(shí)間越快，大大節(jié)省了建模時(shí)間，這是Smart3DCapture的一大優(yōu)勢(shì)。Smart3DCapture不僅可以生成三維數(shù)字地表模型（DSM），也可以生成三維點(diǎn)云、正射影像等。模型格式有它自己附帶的格式S3C，也可以生成其他格式如OSGB、OBJ等格式。

2 三維模型精度分析

根據(jù)GB/T 15967-2008《1∶500 1∶1000 1∶2000 地形圖航空攝影測(cè)量數(shù)字化測(cè)圖規(guī)范》要求進(jìn)行精度分析。首先在三維數(shù)字地表模型采集檢查點(diǎn)的平面及高程，然后與實(shí)地采集檢查點(diǎn)的平面坐標(biāo)與高程進(jìn)行比較，計(jì)算平面誤差Δs及高程誤差Δh。根據(jù)各檢查點(diǎn)模型采集與實(shí)地測(cè)量的平面及高程誤差計(jì)算各檢查點(diǎn)的平面中誤差Ms為0.048m及高程中誤差Mh為0.104m。

根據(jù)GB/T 15967-2008《1∶500 1∶1000 1∶2000 地形圖航空攝影測(cè)量數(shù)字化測(cè)圖規(guī)范》要求，1∶500數(shù)字化測(cè)圖地物點(diǎn)點(diǎn)位中誤差不大于0.3m（圖上0.6mm）；高程中誤差參照規(guī)范規(guī)定的0.5m等高距平地注記點(diǎn)要求，注記點(diǎn)高程中誤差要求不大于0.2m。從模型對(duì)比結(jié)果可以看出，潼關(guān)模型檢查點(diǎn)平面中誤差及高程中誤差均小于規(guī)范規(guī)定。endprint

通過(guò)誤差分析，利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)建設(shè)的三維模型，在做好像控點(diǎn)的情況下，模型精度可以達(dá)到規(guī)范規(guī)定的數(shù)字化測(cè)圖精度要求。

影像模型精度的因素很多，如空中飛行姿態(tài)改正、相機(jī)像素及飛行高度等。本次因飛行區(qū)域無(wú)高大建筑，水文站房區(qū)域航高為120m，河道及右岸航高為200m，模型檢測(cè)精度按照1∶500測(cè)圖要求進(jìn)行，但考慮到利用模型生產(chǎn)數(shù)字線劃圖會(huì)有精度損失，在實(shí)際進(jìn)行數(shù)字化成圖時(shí)比例尺應(yīng)按1∶1000為宜。如果生產(chǎn)1∶500數(shù)字線劃圖，在相機(jī)像素不變的情況下，飛行高度應(yīng)低于120m。

3 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)優(yōu)勢(shì)

（1）傾斜攝影測(cè)量模型建設(shè)實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)自動(dòng)化作業(yè)，不僅減輕了測(cè)繪人員的外業(yè)工作量，同時(shí)也簡(jiǎn)化了航測(cè)內(nèi)業(yè)作業(yè)程序，模型建設(shè)完成后，內(nèi)業(yè)人員可以在三維模型直接采集地形地物要素，根據(jù)需要進(jìn)一步獲取多元化的測(cè)繪成果，如DEM、DOM、DLG等，大大提高了勞動(dòng)效率。

（2）通過(guò)配套軟件的應(yīng)用，可直接基于三維模型進(jìn)行包括高度、長(zhǎng)度、面積、角度、坡度等的量測(cè)，為水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)及概預(yù)算提供了便利。

（3）傾斜攝影測(cè)量建立的三維模型能讓用戶從多個(gè)角度觀察地物，實(shí)現(xiàn)了所見(jiàn)即所得，更加真實(shí)地反映地物的實(shí)際情況，極大地彌補(bǔ)了基于正射影像應(yīng)用的不足，在應(yīng)急防汛及監(jiān)測(cè)時(shí)利于領(lǐng)導(dǎo)層做出正確的決策。

4 結(jié) 語(yǔ)

傾斜攝影技術(shù)的誕生徹底顛覆了傳統(tǒng)測(cè)繪的作業(yè)模式，不僅使獲取信息數(shù)據(jù)采集的作業(yè)手段簡(jiǎn)便易行，而且生成數(shù)字地表模型（DSM）得以快速實(shí)現(xiàn)。目前傾斜攝影測(cè)量技術(shù)還處于初級(jí)階段，隨著該項(xiàng)技術(shù)的不斷成熟，今后圍繞該項(xiàng)技術(shù)生產(chǎn)的實(shí)景三維模型的應(yīng)用將成為主流，研究?jī)A斜攝影在水利行業(yè)的應(yīng)用將具有重要意義。

主要參考文獻(xiàn)

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