基于消費(fèi)級(jí)無人機(jī)傾斜影像的高精度裸眼三維測(cè)圖方法研究

丁瑩瑩

(山東省國(guó)土測(cè)繪院，山東 濟(jì)南 250102)

0 引言

基于傾斜攝影的實(shí)景三維建模技術(shù)[1-4]是在繼承傳統(tǒng)數(shù)字正射影像立體建模技術(shù)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用更先進(jìn)的定位、融合和建模技術(shù)，將地物表征紋理自動(dòng)貼合到三維模型上，達(dá)到測(cè)繪級(jí)量測(cè)精度[5-7]。在農(nóng)村區(qū)域開展房地一體化測(cè)量任務(wù)時(shí)，采用傳統(tǒng)的測(cè)繪方法，存在很多弊端，比如測(cè)量工作量大、農(nóng)村區(qū)域入戶難等問題。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)能夠真實(shí)地反映地物現(xiàn)狀[8-9]，加之當(dāng)前三維建模成本大幅降低，并能提供一系列的地物信息，將消費(fèi)級(jí)無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)、自動(dòng)實(shí)景三維建模技術(shù)和裸眼立體測(cè)圖技術(shù)相結(jié)合，創(chuàng)新性的提出了一套房地一體化測(cè)量技術(shù)路線，能夠極大提高內(nèi)業(yè)采集效率，有效減少外業(yè)調(diào)繪工作量。本文在詳細(xì)介紹這一全新技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)上，闡述了裸眼立體測(cè)圖原理[10-11]，試驗(yàn)了基于無人機(jī)多種航攝方案下裸眼立體測(cè)圖數(shù)據(jù)精度，并給出了進(jìn)一步提高測(cè)圖精度的合理化建議。

1 裸眼三維測(cè)圖原理

裸眼三維測(cè)圖是基于裸眼三維技術(shù)[12]，脫離開立體眼鏡直接在實(shí)景三維模型上展現(xiàn)地物形態(tài)并完成地物特征采集。采用這種作業(yè)模式，一方面能夠在內(nèi)業(yè)采集到大量普通正射影像上被遮擋的地物信息，有效減少了外業(yè)工作量；另一方面降低了作業(yè)人員進(jìn)入立體測(cè)圖領(lǐng)域的能力限制。實(shí)際作業(yè)時(shí)，借助專業(yè)軟件加載實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)，基于實(shí)景三維模型上繪制數(shù)字線劃圖，真正做到裸眼三維測(cè)圖。

1.1 實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)加載

(1)OSBG數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：以EPS作業(yè)平臺(tái)作為試驗(yàn)對(duì)象，該平臺(tái)能加載傾斜攝影生成的實(shí)景三維模型，支持海量數(shù)據(jù)的快速瀏覽、二三維的多窗口聯(lián)動(dòng)，并對(duì)二三維聯(lián)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步測(cè)圖[13-14]。通過建立索引文件，對(duì)Context Capture Center等三維模型軟件處理后的模型進(jìn)行加載，選擇三維測(cè)圖的OSDB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，導(dǎo)出傾斜攝影提供的data數(shù)據(jù)和metadata.xml數(shù)據(jù)，并由傾斜影像中提取密集點(diǎn)云生成數(shù)字表面模型(DSM)數(shù)據(jù)。

(2)本地模型加載：將上個(gè)步驟生成的DSM文件作為本地模型加載到EPS作業(yè)平臺(tái)中，作為基于實(shí)景三維模型的裸眼三維測(cè)圖的基底模型數(shù)據(jù)。

1.2 裸眼三維測(cè)圖流程

基于EPS作業(yè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)裸眼三維測(cè)圖流程如圖1所示。

圖1 EPS裸眼三維測(cè)圖流程圖

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與實(shí)施

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

選擇壽光市飲馬村作為試驗(yàn)區(qū)，面積約0.15km2，有300余戶居民，村貌良好，宅基地戶型較一般村莊復(fù)雜，多為兩層建筑，戶與戶之間間隔較近，連戶房、檐廊較多。

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

基于消費(fèi)級(jí)無人機(jī)搭載傾斜相機(jī)，獲取農(nóng)村居民點(diǎn)高分辨率影像，利用Smart 3D軟件進(jìn)行空三加密，利用Context Capture Center集群式軟件處理得到實(shí)景三維模型[15]，在測(cè)繪專業(yè)平臺(tái)下基于實(shí)景三維模型采集大比例尺數(shù)字線劃圖(DLG)數(shù)據(jù)，并對(duì)空間加密和測(cè)圖成果精度進(jìn)行外業(yè)實(shí)測(cè)對(duì)比分析。

(1)航攝方案：本次試驗(yàn)采用三種設(shè)計(jì)方案，飛行平臺(tái)采用大疆經(jīng)緯M600PRO多旋翼無人機(jī)飛行平臺(tái)[16]，選用樂泰C-5五鏡頭傾斜攝影數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集，單鏡頭有效像素不低于2400萬，航攝時(shí)旁向重疊度85%，航向重疊度85%。航空攝影方案設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 影像分辨率與成圖精度對(duì)照單位：m

(2)像控點(diǎn)布設(shè)原則：像控點(diǎn)采用“L”型設(shè)計(jì)，布設(shè)于村莊主路面，間距約100m，大小約20cm，不能有明顯地物遮擋，保證五個(gè)方向的照片均可見。外業(yè)基于山東省衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行綜合應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)(SDCORS)的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)進(jìn)行像控點(diǎn)外業(yè)坐標(biāo)采集，用于內(nèi)業(yè)精度檢核[17]。

(3)空三加密：在Smart 3D軟件下對(duì)傾斜影像進(jìn)行空三加密，相對(duì)定向精度應(yīng)優(yōu)于1個(gè)像素，絕對(duì)定向精度平面精度應(yīng)優(yōu)于1cm，高程精度應(yīng)優(yōu)于3cm。

(4)實(shí)景三維模型制作：基于航攝獲取的傾斜影像，利用Context Capture Center系統(tǒng)完成三維模型自動(dòng)構(gòu)建。經(jīng)過影像同名點(diǎn)匹配、特征點(diǎn)點(diǎn)云提取、構(gòu)TIN生成白模、實(shí)景紋理自動(dòng)映射等工序，最終生成實(shí)景三維場(chǎng)景。

2.3 基于實(shí)景三維模型的地形圖采集

基于EPS作業(yè)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，主要包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、模型加載、數(shù)據(jù)采集檢查以及數(shù)據(jù)導(dǎo)出等。分別對(duì)房屋、道路、植被、其他要素等進(jìn)行繪制。

(1)房屋采集：一種是采用房角采集模式，通過采集房屋的每個(gè)拐角點(diǎn)，完成房屋面采集。另一種是墻面采集模式，通過“以面代點(diǎn)”方法采集房屋面上的任一點(diǎn)，從而自動(dòng)擬合出房屋拐角。通過旋轉(zhuǎn)三維模型避免房檐干擾，直接采集到房屋墻體上，節(jié)省了大量外業(yè)調(diào)繪時(shí)房檐改正工作量。

(2)道路采集：在實(shí)景三維模型上采集道路任意一條邊線，通過支路邊線作業(yè)模式由軟件自動(dòng)生產(chǎn)另一側(cè)道路平行線。

(3)其他要素采集：繪制一個(gè)封閉區(qū)域作為邊界后對(duì)植被構(gòu)面，自動(dòng)生成二三維植被符號(hào)，并與實(shí)景三維模型相吻合；采集斜坡邊緣先后自動(dòng)生成二三維斜坡符號(hào)，并與實(shí)景三維模型相吻合；利用加點(diǎn)功能逐個(gè)采集井蓋、路燈等獨(dú)立地物(圖2)。

圖2 EPS平臺(tái)下裸眼三維測(cè)圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)空三加密精度分析

空三加密精度受諸多因素影響，例如航攝重疊度、相機(jī)成像質(zhì)量、鏡頭畸變率、航攝天氣狀況、像控點(diǎn)分布、像控測(cè)量和刺點(diǎn)精度等[18-19]。以40m航高作為研究對(duì)象，在試驗(yàn)區(qū)布設(shè)20個(gè)像控點(diǎn)，分別將像控點(diǎn)均勻刪除留至10個(gè)、6個(gè)，其余作為檢核點(diǎn)，精度對(duì)比如表2所示。

由表2可知，在小范圍試驗(yàn)區(qū)的空三加密過程中，增加像控點(diǎn)可以明顯減少加密殘差，但對(duì)檢核點(diǎn)的殘差影響不大。為進(jìn)一步驗(yàn)證空三加密成果的可靠性和精度，在試驗(yàn)區(qū)另外選取40個(gè)特征點(diǎn)的平面和高程坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)測(cè)，對(duì)比實(shí)景三維模型精度，結(jié)果如表3所示。

表2 不同像控點(diǎn)密度下空三加密精度對(duì)比

表3 不同像控點(diǎn)密度下三維模型特征點(diǎn)精度

由表3可知，不同像控點(diǎn)密度下，三套數(shù)據(jù)中20個(gè)像控點(diǎn)的實(shí)景三維模型精度最高，但整體相差不大，6個(gè)像控點(diǎn)下的特征點(diǎn)有個(gè)別平面點(diǎn)和高程點(diǎn)精度超限，因此在大區(qū)域作業(yè)時(shí)像控點(diǎn)間距控制在200m以內(nèi)為宜。

(2)測(cè)圖精度分析

以40m航高下獲取的傾斜影像制作完成的實(shí)景三維模型為基礎(chǔ)，分別對(duì)房角采集模型下采集的房角點(diǎn)坐標(biāo)、基于墻面采集模式下的房角點(diǎn)坐標(biāo)與外業(yè)實(shí)測(cè)的對(duì)應(yīng)房角點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析[20]，平面位置較差如圖3所示。

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，房角采集模式和墻面采集模式的精度與實(shí)測(cè)精度的差值中誤差分別為±0.039m和±0.041m。相較而言，房角采集模式下的測(cè)圖精度稍高，但兩種采集模式的測(cè)圖精度均能滿足大比例尺地形圖精度要求。

對(duì)圖3中的點(diǎn)位平面精度分布區(qū)間(cm)進(jìn)行細(xì)分，結(jié)果如表4所示。

圖3 兩種房屋采集模式與實(shí)測(cè)平面位置精度較差分布(藍(lán)色為房角采集模式，橙色為墻面采集模式)

由表4可知，基于墻面采集模式采集精度位于(7,∞)區(qū)間的房角點(diǎn)明顯多于房角采集模式，分析原因是由于實(shí)景三維模型在這些點(diǎn)位處存在一定的模型扭曲現(xiàn)象，從而造成誤差增大。

表4 坐標(biāo)精度較差區(qū)間分布情況

選取測(cè)圖成果中的90個(gè)地物和地貌特征點(diǎn)作為高程精度檢核點(diǎn)，與外業(yè)實(shí)測(cè)高程值進(jìn)行對(duì)比分析。

經(jīng)過計(jì)算與統(tǒng)計(jì)，最大誤差為0.161m，最小誤差為0.023m，中誤差為±0.061m，高程精度能夠滿足大比例尺地形圖精度要求。

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)航攝法大比例測(cè)圖方法相比，利用消費(fèi)級(jí)無人機(jī)搭載傾斜相機(jī)開展航空攝影，在此基礎(chǔ)上基于高精度實(shí)景三維模型測(cè)圖，是一種適合于在廣大農(nóng)村地區(qū)推廣應(yīng)用的地籍與房產(chǎn)一體化測(cè)量的創(chuàng)新性技術(shù)，具備傾斜影像獲取便捷、專業(yè)素質(zhì)要求低、外業(yè)工作量小等優(yōu)勢(shì)，并已探索建立起成熟的生產(chǎn)技術(shù)路線，其數(shù)據(jù)成果精度經(jīng)驗(yàn)證能夠滿足大比例測(cè)圖精度要求，測(cè)圖的精度取決于航攝數(shù)據(jù)的獲取精度，地形圖成圖精度經(jīng)驗(yàn)值為影像分辨率的3～5倍。

(1)基于實(shí)景三維模型測(cè)圖精度損失主要產(chǎn)生于兩方面：一是實(shí)景三維模型造成的精度損失，利用消費(fèi)級(jí)無人機(jī)開展傾斜攝影，由于航高一般都較低，容易出現(xiàn)地物陰影和地物遮擋等盲區(qū)，局部反演出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在一定高程誤差，造成模型局部扭曲，導(dǎo)致基于墻面采集的房屋點(diǎn)精度超限；二是采集模式造成的精度損失，采用房角測(cè)量模式的精度要優(yōu)于基于墻面測(cè)量模式采集的房角點(diǎn)，分析原因主要是因?yàn)榛趬γ孢M(jìn)行房屋邊線采集時(shí)，每個(gè)墻面上的特征點(diǎn)采集完成后軟件自動(dòng)完成房屋面擬合，沒有考慮房屋在建成時(shí)形狀差異性，因此造成一定擬合誤差，但基于墻面采集速度明顯優(yōu)于房角測(cè)量模式，可作為主要采集模式。

(2)為充分發(fā)揮基于墻面采集模式的高效率，有效提高采集精度，需要選擇合理間距布設(shè)像控點(diǎn)，提高像控點(diǎn)采集精度，提高空三加密整體位置精度。提高模型表面表達(dá)精細(xì)度，減少實(shí)景三維模型局部扭曲。選好攝影季節(jié)，減少植被和其他覆蓋物對(duì)房屋等主要要素的遮擋，同時(shí)保證具有足夠的光照度，避免產(chǎn)生過大的陰影。