基于傾斜攝影測量技術(shù)的鶴慶縣公路改擴(kuò)建設(shè)計(jì)可行性研究

馮耀明，劉姝岑

(1.云南國土資源職業(yè)學(xué)院，云南 昆明 650217；2.云南省地圖院，云南 昆明 650034)

0 引言

在改擴(kuò)建公路路線的平面設(shè)計(jì)中，為有效改善公路交通能力，保證改擴(kuò)建工程的高效快捷完成，線路設(shè)計(jì)必須得到重點(diǎn)關(guān)注，公路路線方案的選擇則屬于其中的關(guān)鍵，直接影響改擴(kuò)建工程的效果。一般情況下，設(shè)計(jì)師需基于能直則直、能曲則曲、順勢而為、整體協(xié)調(diào)、直圓配合的原則進(jìn)行改擴(kuò)建公路的平面設(shè)計(jì)，因地制宜的設(shè)計(jì)構(gòu)思選擇也需要得到重視，以此結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求、 性能需要，即可保證改擴(kuò)建公路路線設(shè)計(jì)不會出現(xiàn)設(shè)計(jì)線性突變問題。

在傳統(tǒng)的公路改擴(kuò)建建設(shè)中，都是采用全站儀、GPS等手段進(jìn)行，既耗費(fèi)了大量的人力、物力，也有一定的安全隱患 。

傾斜攝影技術(shù)是測繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，它以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復(fù)雜場景，顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從一個垂直、4個傾斜等5個不同的角度采集影像，經(jīng)過數(shù)字?jǐn)z影測量處理系統(tǒng)的處理，構(gòu)建三維模型 。輸出的三維模型成果能直觀反映地物的外觀、位置、高度、長度、面積、坡度等屬性，能讓人們從多個角度觀察地物，更加真實(shí)的反映地物的實(shí)際情況，極大的彌補(bǔ)了基于正射影像應(yīng)用的不足，為真實(shí)效果及測繪級精度提供保證。相比傳統(tǒng)人工建模，具有擬真程度更高、建設(shè)周期更短、費(fèi)用成本低等顯著特點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

項(xiàng)目區(qū)位于云南省大理州鶴慶縣，經(jīng)度100°14′15.63″，緯度26°9′8.13″，最低海拔1 447 m，最高海拔1 920 m，平均海拔1 647 m，全長13 km，區(qū)內(nèi)7 km地勢陡峭，高差起伏大，植被茂密，交通條件不便利，給無人機(jī)航攝及像控點(diǎn)測量帶來一定的挑戰(zhàn)；剩余6 km屬于平壩區(qū)，如圖1，2(見封三圖版Ⅱ)。

2 工作準(zhǔn)備

2.1 前期準(zhǔn)備

收集航攝項(xiàng)目區(qū)的控制點(diǎn)、航攝范圍、地形圖、氣象資料等相關(guān)資料。六軸旋翼無人機(jī)、DJIWooKong-M、飛控系統(tǒng)、SONY ILCE-5100、SONY ILCE-5100、五鏡頭傾斜攝影測量系統(tǒng)、DJI地面站系統(tǒng)、白色塑料袋、石棉瓦鋼釘、RTK測量系統(tǒng)、圖形工作站等設(shè)備。

2.2 航線設(shè)計(jì)

結(jié)合DJI地面站系統(tǒng)的谷歌3D地圖和地形圖分析航攝范圍內(nèi)最低點(diǎn)海拔高程、最高點(diǎn)海拔高程、低點(diǎn)平均高程、高點(diǎn)平均高程，計(jì)算攝取基準(zhǔn)面高程，設(shè)計(jì)航攝線路。設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮以下因素：

(1)根據(jù)測區(qū)地形特點(diǎn)，保證下視鏡頭航攝影像地面分辨率不低于0.05的前提下確定飛行高度 。

(2)在保證不超過最大解析度的情況下，適當(dāng)抬高基準(zhǔn)面以保證航向和旁向重疊度。設(shè)計(jì)完后，應(yīng)計(jì)算攝區(qū)最高處重疊度和最低處地面分辨率。

(3)由于旋翼機(jī)續(xù)航時間短，飛行架次多，設(shè)計(jì)時應(yīng)盡可能減少起飛點(diǎn)，一個起飛點(diǎn)至少可以飛行兩個架次，同時也應(yīng)兼顧返航里程短。

項(xiàng)目區(qū)內(nèi)7 km屬于地勢陡峭，高差起伏大，植被茂密，交通條件不便利，針對此段需結(jié)合擬定的航攝路線先進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè)及測量，再實(shí)施航攝。

2.3 飛行要求

(1)傾斜攝影測量成果指標(biāo)為下視鏡頭航攝影像地面分辨率不低于0.05 m，下視航向平均重疊度不低于80%，旁向平均重疊度不低于70%；

(2)按設(shè)計(jì)航線軌跡坐標(biāo)采用GPS導(dǎo)航；

(3)選擇適宜航攝的時間段進(jìn)行，避開陰影大的時間段；

(4)起飛降落點(diǎn)應(yīng)避開人員流動大的場地，盡量選擇視野廣、周邊無遮擋物的地方；

(5)像片應(yīng)滿足三維建模要求。

3 像控點(diǎn)布設(shè)及測量

項(xiàng)目區(qū)內(nèi)7 km屬于地勢陡峭，高差起伏大，植被茂密，交通條件不便利，針對此段需結(jié)合擬定的航攝路線先進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè)及測量，再實(shí)施航攝。

3.1 像控點(diǎn)布設(shè)

(1)野外像控點(diǎn)的布設(shè)采用區(qū)域網(wǎng)平均布點(diǎn)的方法進(jìn)行，布設(shè)在航向及旁向6片或5片重疊范圍內(nèi)，使像控點(diǎn)達(dá)到五度重疊和六度重疊。

(2)像控點(diǎn)布設(shè)在航向旁向重疊范圍內(nèi)，盡量達(dá)到公用，當(dāng)像控點(diǎn)不能被相鄰航線公用時則分別布點(diǎn)。左右相鄰區(qū)域控制網(wǎng)間公用點(diǎn)的點(diǎn)位盡量布設(shè)在通過像片主點(diǎn)且垂直于方位線的直線左右不超過1.5 cm范圍內(nèi)。上下相鄰區(qū)域控制網(wǎng)間公用點(diǎn)的點(diǎn)位布設(shè)在旁向重疊中線附近，離開方位線不小于5 cm，因旁向重疊過大不能滿足要求時分別布點(diǎn)，像控點(diǎn)距像片邊緣不小于1.5 cm。

(3)像控點(diǎn)布設(shè)應(yīng)優(yōu)先選擇影像清晰、可以準(zhǔn)確刺點(diǎn)的目標(biāo)上。多選擇線狀地物交點(diǎn)和地物拐角上。弧形地物和陰影一般不能選做刺點(diǎn)目標(biāo)。

3.2 像控點(diǎn)測量

像控點(diǎn)測量是在測區(qū)內(nèi)實(shí)地測定用于空中三角測量(空三加密)或直接用于測圖定向的像片控制點(diǎn)平面位置和高程的測量工作。

空中三角測量是利用航攝像片與所攝目標(biāo)之間的空間幾何關(guān)系，根據(jù)少量像片平面控制點(diǎn)和高程控制點(diǎn)，計(jì)算待求點(diǎn)的平面位置、高程和像片外方位元素的測量方法。像控點(diǎn)是航空攝影測量解析空三加密和測圖的基礎(chǔ)，其位置的選擇、平面位置和高程的測定直接影響到內(nèi)業(yè)成圖的精度 。

像控點(diǎn)測量采用GPS RTK方法進(jìn)行觀測，測量目標(biāo)應(yīng)根據(jù)地形、地物條件和像片控制點(diǎn)的性質(zhì)進(jìn)行選擇，以滿足規(guī)范與合同要求。無論是平面點(diǎn)、高程點(diǎn)或平高點(diǎn)均要選擇在影像清晰、目標(biāo)明顯、能準(zhǔn)確刺點(diǎn)的目標(biāo)點(diǎn)上，明顯目標(biāo)點(diǎn)是指野外的實(shí)地位置和像片的影像位置都可以明確辨認(rèn)的點(diǎn)。一般理想的明顯目標(biāo)是近于直角而且又近于水平的線狀地物的交點(diǎn)和地物拐角上，特別是固定的田角和道路交叉經(jīng)常作為優(yōu)先選點(diǎn)的理想目標(biāo)，如圖3(見封三圖版Ⅱ)所示。

白色塑料袋用石棉瓦鋼釘固定在地面上測其拐角處，如圖4(見封三圖版Ⅱ)所示。

4 三維建模

傾斜攝影測量的三維自動建模技術(shù)是指基于圖形運(yùn)算單位(GPU)進(jìn)行快速三維模型的構(gòu)建，通過攝影測量原理，將正攝和傾斜的影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)、相機(jī)參數(shù)等輸入到系統(tǒng)中，進(jìn)行正攝和傾斜影像的自動聯(lián)合空中三角測量，密集匹配DSM，構(gòu)建三維模型，自動貼紋理最終形成真實(shí)三維場景。具體流程如圖5所示。

圖5 三維建模生產(chǎn)流程

4.1 多視影像聯(lián)合平差

將下視影像、前視影像、后視影像、左視影像、右視影像像片以及POS數(shù)據(jù)外方位元素、相機(jī)參數(shù)等導(dǎo)入ContextCapture4.3三維場景運(yùn)算軟件中進(jìn)行空三自由匹配，利用基于物方的多基線多特征匹配技術(shù)可生成傾斜影像之間大量的連接點(diǎn)，結(jié)合少量的外業(yè)采集像控點(diǎn)通過區(qū)域網(wǎng)平差，實(shí)現(xiàn)多視角聯(lián)合空中三角測量如圖6，7(見封三圖版Ⅱ)所示。

4.2 多視影像密集匹配

多視影像密集匹配能得到高精度高分辨率的數(shù)字表面模型(DSM)，充分表達(dá)地形地物起伏特征。首先根據(jù)自動空三解算出來的各影像外方位元素，分析與選擇合適的影像匹配單元進(jìn)行特征匹配和逐像素級的密集匹配，并引入并行算法，提高計(jì)算效率。在獲取高密度 DSM數(shù)據(jù)后，進(jìn)行濾波處理，并將不同匹配單元進(jìn)行融合，形成統(tǒng)一的 DSM，如圖8(見封三圖版Ⅱ)所示。

4.3 三維TIN格網(wǎng)構(gòu)建

經(jīng)過密集匹配獲得的高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)量很大，需要進(jìn)行切割分塊?？筛鶕?jù)計(jì)算機(jī)性能以及設(shè)置的優(yōu)先級別對切塊的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建，如圖9(見封三圖版Ⅱ)所示。

(1)利用同一地物不同角度的影像信息，采用參考影像不固定的匹配策略逐像素匹配。

(2)基于多視匹配的冗余信息，避免遮擋對匹配產(chǎn)生的影響，再引入并行算法提高計(jì)算效率以快速準(zhǔn)確地獲取多視影像上同名點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而獲取地物的高密度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

(3)基于點(diǎn)云構(gòu)建不同層次細(xì)節(jié)度(Levels of Detail)下的三角網(wǎng)(TIN)模型。通過對三角網(wǎng)優(yōu)化，將內(nèi)部三角的尺寸調(diào)整至與原始影像分辨相匹配的比例，同時通過對連續(xù)曲而變化的分析對相對平坦地區(qū)的三角網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簡化，降低數(shù)據(jù)冗余，獲得三維TIN格網(wǎng)矢量架構(gòu)。

4.4 自動紋理映射

自動紋理映射主要基于瓦片(tile)技術(shù)，將整個建模區(qū)域按照規(guī)則平面格網(wǎng)切塊模式劃分瓦片，根據(jù)圖形工作站配置，調(diào)整可運(yùn)算的瓦片大小，基于集群處理系統(tǒng)的并行處理機(jī)制將每個瓦片打包建立成為一個任務(wù)自動分配給各計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模型與紋理影像的配準(zhǔn)和紋理貼附，同時為帶紋理的模型建立多細(xì)節(jié)、多層次的LOD，便于優(yōu)化相應(yīng)的文件組織結(jié)構(gòu)，提高模型分層次瀏覽的效率，從而生成真實(shí)場景的三維模型，如圖10(見封三圖版Ⅱ)所示。

5 精度評定

三維模型質(zhì)量評定主要可從模型影像分辨率的正確性，坐標(biāo)系統(tǒng)、高程基準(zhǔn)、地圖投影是否正確，重要模型相對位置的正確性，重要模型的非精度控制部位結(jié)構(gòu)比例是否協(xié)調(diào)或邏輯關(guān)系是否符合，同一區(qū)域同種類重要模型的紋理是否協(xié)調(diào)、紋理有關(guān)變形，重要模型是否丟失等評定項(xiàng)進(jìn)行檢測。

按照GB/T2456-2009《測繪成果質(zhì)量檢查驗(yàn)收》要求，同精度檢測時，三維模型平面和高程精度中誤差計(jì)算可按下列公式執(zhí)行：

式中：M為成果中誤差；n為檢測點(diǎn)總數(shù)；Δ為較差。

通過野外實(shí)測的20個特征點(diǎn)，對該測區(qū)進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)，檢測結(jié)果三維模型特征點(diǎn)點(diǎn)位平面位置中誤差為±10.01 cm，高程中誤差為±5.91 cm，滿足規(guī)范要求。全部三維模型通過檢查，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，航攝覆蓋了整個項(xiàng)目區(qū)域，飛行質(zhì)量優(yōu)良。影像清晰、反差適中、色彩均勻、色調(diào)飽和、灰度良好，整個影像基本上無污點(diǎn)、劃痕、云影等噪聲，經(jīng)影像圖數(shù)據(jù)處理后影像信息無丟失及損失現(xiàn)象，影像質(zhì)量優(yōu)良，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)符合精度要求，如表1所示。

表1 誤差統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié)論與討論

綜合分析認(rèn)為，基于無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)獲得影像數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)，通過ContextCapture4.3三維場景運(yùn)算軟件進(jìn)行了空中三角測量，生成了真實(shí)三維模型，將實(shí)地量測檢查點(diǎn)坐標(biāo)和基于三維模型生成的檢查點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程坐標(biāo)進(jìn)行對比，證實(shí)了用傾斜攝影測量的方式完全可以滿足山區(qū)公路改擴(kuò)建設(shè)計(jì)的要求。相比較傳統(tǒng)的方式而言，這種新方式節(jié)約了大量的人力、物力成本。

通過研究發(fā)現(xiàn)，作為無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)本身而言，在建筑物在傾斜影像中幾何變形、數(shù)據(jù)遮擋、數(shù)據(jù)冗余、影響匹配以及多視角影像聯(lián)合平差等方面還需要不斷的優(yōu)化。傾斜攝影獲取的影像存在嚴(yán)重的地物遮擋現(xiàn)象，尤其是建筑物密集區(qū)域，這種自動化建模效果就表現(xiàn)的比較一般，此類問題在項(xiàng)目的部分區(qū)域也得到了體現(xiàn)。