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      傾斜攝影測量像控點布設(shè)對三維模型精度影響分析

      2023-01-29 10:13:00周忠贛伍慧群
      經(jīng)緯天地 2022年6期
      關(guān)鍵詞:測區(qū)高程精度

      周忠贛 伍慧群

      (江西省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院,江西 南昌 330038)

      0.引言

      在科學(xué)技術(shù)日益發(fā)展的背景下,無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)獲得了迅猛發(fā)展。相較于傳統(tǒng)攝影測量工具,無人機(jī)攝影測量結(jié)合了飛行器技術(shù)、遙感技術(shù)、衛(wèi)星定位技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)等,提升了無人機(jī)攝影測量的能力,推動了無人機(jī)攝影測量的發(fā)展。無人機(jī)擁有攝影測量快速采集測區(qū)信息、作業(yè)靈活、安全性高等優(yōu)勢,與傳統(tǒng)的地形測量和攝影測量相比,能節(jié)省生產(chǎn)成本,加快完成數(shù)據(jù)采集和分析進(jìn)度。

      目前,關(guān)于無人機(jī)傾斜攝影測量的精度研究尚且不足,影響其在測繪生產(chǎn)中的應(yīng)用。為此本文以某地區(qū)圖書館三維模型為例,使用大疆精靈4無人機(jī)和大疆智圖影像處理軟件生產(chǎn)其三維模型,并通過RTK獲取實地數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何精度檢測,利用某地區(qū)圖書館不同高程像控點的布設(shè)方法判斷像控點高程對無人機(jī)傾斜攝影測量建模精度的影響,其試驗結(jié)論可為測繪生產(chǎn)提供參考。

      1.無人機(jī)傾斜攝影測量系統(tǒng)

      無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)是一種能搭載在無人機(jī)上進(jìn)行工作的系統(tǒng),其體積小、質(zhì)量輕且反應(yīng)速度較快、飛行靈活,能在各種飛行條件下升空進(jìn)行測量,同時可搭配高精度影像捕捉系統(tǒng),實現(xiàn)高精度的地理測量需求,有效彌補(bǔ)了衛(wèi)星遙感和航空遙感在精度方面的不足,在小范圍區(qū)域內(nèi)獲取全部地理信息的能力明顯提升[1]。隨著科技的不斷進(jìn)步,由我國研發(fā)的無人機(jī)航空攝影測量系統(tǒng)已經(jīng)形成了一套完善的測量機(jī)制,無人機(jī)同攝影測量系統(tǒng)的配合度也得到有效地提升,基本上滿足了當(dāng)前的測量需求。

      像控點布設(shè)的數(shù)量與位置,對后期三維模型的構(gòu)建以及地形圖的繪制精度有著重要影響,通常像控點布設(shè)需遵循多個原則,首先要易于識別、位置要足夠空曠無明顯遮擋;其次應(yīng)布設(shè)在便于測量位置,遠(yuǎn)離水域、密集建筑群、存在強(qiáng)磁干擾區(qū)域;最后,像控點需均勻分布在測區(qū)范圍內(nèi),避免布設(shè)在測區(qū)邊界,保證能控制整個測區(qū),綜合成本,合理加密控制。

      無人機(jī)傾斜攝影測量系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)主要由無人機(jī)機(jī)載系統(tǒng)和地面控制系統(tǒng)組成,實現(xiàn)無人機(jī)飛行和航拍功能;軟件系統(tǒng)部分由無人機(jī)的飛行、參數(shù)設(shè)置、航線規(guī)劃等系統(tǒng)組成。

      1.1 硬件系統(tǒng)

      (1)無人機(jī)機(jī)載系統(tǒng)。無人機(jī)機(jī)載系統(tǒng)主要由無人機(jī)主體、攝影系統(tǒng)、通信系統(tǒng)及飛行控制系統(tǒng)組成。在飛機(jī)作業(yè)過程中,其能根據(jù)地面控制系統(tǒng)的指令或預(yù)先設(shè)置的飛行規(guī)劃進(jìn)行作業(yè),通過通信系統(tǒng)將飛行狀況信息(如,飛行速度、飛行高度)傳輸至地面控制系統(tǒng)[2]。

      (2)地面控制系統(tǒng)。地面控制系統(tǒng)是實現(xiàn)對無人機(jī)基本飛行控制的系統(tǒng),對飛行平臺的運行有著重要影響,主要由通信系統(tǒng)和一系列的計算和控制硬件組成,能在無人機(jī)飛行過程中及時接收無人機(jī)反饋的基本參數(shù)信息,并通過電子地圖標(biāo)定無人機(jī)的飛行高度、速度、軌跡等狀態(tài)信息,同時還可對無人機(jī)發(fā)出飛行指令,從而充分控制無人機(jī)飛行。

      (3)航拍系統(tǒng)。航拍系統(tǒng)是實現(xiàn)無人機(jī)測量的基礎(chǔ)系統(tǒng),通常情況下可根據(jù)測量需求,搭載不同參數(shù)的航攝硬件(如數(shù)碼相機(jī)、遙感成像儀等),以實現(xiàn)不同精度和類型的測量需求。

      1.2 軟件系統(tǒng)

      (1)航線規(guī)劃系統(tǒng)。航線規(guī)劃系統(tǒng)是無人機(jī)航拍系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的軟件系統(tǒng),對無人機(jī)的飛行方向和拍攝的精確度有著重要影響。通常情況下,在無人機(jī)進(jìn)行航拍之前,應(yīng)根據(jù)飛行范圍和地形地貌等因素,結(jié)合航攝度要求,通過航攝規(guī)劃系統(tǒng)對無人機(jī)的基本走向、分辨率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,使得無人機(jī)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的航線完成對既定地理信息的測量[3]。

      (2)影像的預(yù)處理系統(tǒng)。航空攝影測量系統(tǒng)所捕捉到的影像通常存在一定的畸變差或?qū)Ρ榷炔幻黠@情況,而影像預(yù)處理系統(tǒng)是對無人機(jī)航拍系統(tǒng)所捕捉到的影像文件進(jìn)行初步處理,包括對影像進(jìn)行增強(qiáng)、旋轉(zhuǎn)、改正,使攝影信息更準(zhǔn)確,同時根據(jù)數(shù)據(jù)存儲和使用需要,將航攝數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為通用格式,以便于后期打開查看。

      2.實例驗證

      2.1 現(xiàn)場踏勘

      航測作業(yè)前需要對測區(qū)狀況進(jìn)行考察,圖書館視野開闊,地勢較為平坦,有利于確定該測區(qū)的像控點位置。檢查測區(qū)CORS信號覆蓋情況,確定信號強(qiáng)度和可靠性,是否有利于無人機(jī)的飛行試驗。為避免因天氣因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)質(zhì)量問題,應(yīng)選擇風(fēng)力較小、天氣狀況良好時間進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集。

      2.2 航線規(guī)劃和參數(shù)設(shè)置

      地面采樣距離(Ground Sampling Distance,GSD)選擇為2 cm,飛行高度設(shè)定為73 m,以航向重疊80%相機(jī)拍攝間隔2s計算,最大飛行速度為5m/s。外業(yè)拍攝過程中飛機(jī)在快速移動,會產(chǎn)生運動模糊現(xiàn)象,使拍攝物體模糊變形,所以保證曝光的前提下,可采用快門優(yōu)先模式??紤]外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中,無人機(jī)飛行速度較快,當(dāng)快門反應(yīng)速度過慢時會產(chǎn)生運動模糊現(xiàn)象,通常運動模糊值等于快門時間乘以飛行速度,為提高影像精度,一般情況下運動模糊要小于0.5倍的GSD。

      由于圖書館高度有限,且固定翼無人機(jī)無法完成作業(yè),可選用大疆精靈4飛行器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。大疆精靈4飛行器在兼顧經(jīng)濟(jì)效益的同時,能滿足低空、高精度影像采集,達(dá)到本航攝任務(wù)試驗要求。

      以三維重建對象的地形及類型為依據(jù),進(jìn)行航線規(guī)劃。選用五向飛行這種三維建模航線規(guī)劃方式。五向飛行為5組飛行航線,包括1組正射航線(即云臺俯仰角度-90°,朝向正下方)和4組不同朝向的傾斜航線(即云臺俯仰角度大于90°,-45°~-90°),以獲取下視、前視、后視、左視和右視五個視角照片。在飛行時,考慮到該圖書館附近有茂密的植被區(qū)域及平坦的操場地形,需增加重疊率,以便更易檢測重疊圖像之間的相似性。

      2.3 無人機(jī)航拍及注意事項

      無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)極易受GNSS信號、通訊距離等因素的干擾。在無人機(jī)起飛位置的選取上需考慮多項要素。應(yīng)選擇視野開闊、網(wǎng)絡(luò)信號暢通的位置,盡量避免選擇在高層建筑物中間、周圍存在樹木遮擋的位置,此類位置會使無人機(jī)無法獲取GNSS信號,無法精準(zhǔn)懸停,造成無人機(jī)漂移,影響返航位置精度,增加自動返航難度[4]。無人機(jī)內(nèi)置的傳感器需要依靠磁場進(jìn)行方向判別,起飛位置需避免選擇在鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)表面。在測區(qū)高處起飛時,如果起飛點與測區(qū)地面存在較大高差時,可在大疆智圖“高級設(shè)置”中的“相對高度”設(shè)置其真實高度,保證“任務(wù)高度”是相對于測區(qū)的高度,非真實高度會影響重疊率。為避免Wi-Fi、信號塔、電站等設(shè)備多重干擾無人機(jī)通信鏈路,從而造成飛機(jī)失控及RTK失鎖等情況發(fā)生,無人機(jī)的飛行路線要遠(yuǎn)離信號塔、變電站等。

      2.4 地面控制點數(shù)據(jù)獲取

      地面控制點的獲取是提高無人機(jī)測量建模精度的重要數(shù)據(jù),無論是航空影像還是衛(wèi)星遙感影像,皆屬于遠(yuǎn)距離的影像獲取,受地形起伏、地球曲率或搭載的傳感器本身的影響,獲取的影像數(shù)據(jù)幾何位置可能會出現(xiàn)偏差。而地面控制點是經(jīng)過實地測量或通過其他渠道獲取的已知準(zhǔn)確的地面點信息,通過在影像上標(biāo)定控制點信息來糾正影像出現(xiàn)的幾何誤差以及地理位置信息,因此地面控制點測量是無人機(jī)像片三維模型產(chǎn)品生產(chǎn)中的重要步驟。像控點的精確三維坐標(biāo)通常通過全站儀或RTK測量獲得,對于圖書館控制點的測量使用RTK測量技術(shù)。

      本次試驗使用司南導(dǎo)航的T3000 RTK測繪產(chǎn)品,首先在空曠地帶架設(shè)RTK基準(zhǔn)站,檢查電源電量是否充足,檢查手簿狀態(tài)是否良好,連接天線,設(shè)置移動站,天線高選擇1.5 m,校正控制點選擇測距點中3個相距大于100 m的控制點校準(zhǔn)。

      為對比分析高程分層像控點布設(shè)方法與常規(guī)布設(shè)方法、無像控三維模型精度質(zhì)量,本文首先在圖書館地面均勻布設(shè)10個像控點,以地面為0m層,分別在5 m、10 m層分別布設(shè)像控點5個。使用司南RTK采集均勻布設(shè)在圖書館周圍的20個像控點的平面坐標(biāo)及高程值,用于對比像控點高程對建模精度的影響[5]如表1所示。

      表1 RTK測量坐標(biāo) 單位:m

      3.精度驗證

      為評估本次試驗的三維模型精度,選取之前在圖書館均勻布設(shè)的20個像控點作為精度驗證的點坐標(biāo),使用司南RTK測量的坐標(biāo)值作為真實值進(jìn)行參考,分別取3個模型中與20個相同位置的點坐標(biāo)進(jìn)行對比,計算平面中誤差和高程中誤差檢驗其模型精度,誤差統(tǒng)計如表2—表4所示。誤差檢驗公式如式(1)所示:

      表2 無像控點誤差統(tǒng)計表 單位:m

      表4 高程分層像控點誤差統(tǒng)計表 單位:m

      式(1)中,ms為平面中誤差;mK為高程中誤差;ΔSi為平面殘差;ΔHi為高程殘差;n為評定精度時所計算的坐標(biāo)點的個數(shù)。

      表3 地面像控點誤差統(tǒng)計表 單位:m

      由以上誤差分析表可以看出,大疆精靈4無人機(jī)三維影像建模處理結(jié)果如下:

      (1)當(dāng)三維模型沒有像控點時,在模型上選取與RTK實測位置相同的20個點坐標(biāo),其平面中誤差約5 cm,其高程中誤差17.6 cm。

      (2)當(dāng)圖書館模型對樓下地面像控點刺點時,其平面中誤差為3.2 cm,高程中誤差為4 cm。對比無像控點模型時的精度,平面中誤差提高了1.8 cm,高程中誤差提高了13.6cm,三維模型精度得到明顯提升,高程精度提高較明顯。

      (3)利用圖書館模型進(jìn)行高程分層像控點時,平面中誤差為2.6 cm,高程中誤差為2.8 cm。對比地面像控點,平面中誤差提高0.6 cm,高程中誤差提高1.2 cm。

      4.結(jié)束語

      本次試驗利用大疆精靈4無人機(jī)對某圖書館進(jìn)行傾斜攝影測量構(gòu)建三維模型,分別構(gòu)建無像控點模型、樓下地面像控點刺點模型、樓上樓下像控點刺點模型,利用RTK儀器實測20個點坐標(biāo)與構(gòu)建的3個模型上的點坐標(biāo)進(jìn)行對比精度分析,得出以下結(jié)論:

      (1)據(jù)GB/T 23236—2009《數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范》要求,在1∶1 000比例尺檢查點對實測點平面中誤差和高程中誤差分別為35 cm和28 cm,在1∶500比例尺中檢查點對實測點平面中誤差和高程中誤差分別為17.5 cm和15 m。

      (2)本次試驗所有模型精度均滿足1:1 000比例尺要求,刺像控點后模型精度能滿足1∶500比例尺要求,在布設(shè)了像控點的三維模型中,高程分層像控點模型精度與地面像控點模型精度相比,在毫米級精度上,其平面中誤差精度提高了19%,其高程中誤差精度提高了30%,因此不同高程的像控點對無人機(jī)傾斜攝影測量建模精度有所提升,當(dāng)需要高精度無人機(jī)傾斜攝影測量時可考慮像控點高程的影響。

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