无人机倾斜摄影在地形图测绘中的应用研究

(整期优先)网络出版时间:2022-09-22
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无人机倾斜摄影在地形图测绘中的应用研究

刘敏1,  ,王倩2   ,王景凤3

1身份证号码:370123199307221719;2身份证号码:372925199205061142;3身份证号码: 371428199110267528

摘要:单镜头无人机航拍用于大比例尺地形图测绘早有应用,但高程精度是个痛点,始终难以达到规范要求。笔者从2015年开始探索采用无人机倾斜摄影测量方式测绘大比例尺地形图,通过多个项目的试验和实践验证,基于无人机倾斜摄影测量的地形图测绘方式,能够满足大比例尺地形图测绘的高程精度要求,且像控也不需要进行平高控制点全野外布点。本文对无人机倾斜摄影在地形图测绘中的应用进行分析,以供参考。

关键词:无人机;倾斜摄影;地形图测绘;应用

引言

目前,随着我国科技水平的不断提高,无人机倾斜摄影测量技术得到了迅速发展,因其具有图像分辨率高、数据精确度好以及测量效率高等特点,在地形图测绘、土方量计算、园林工程改造以及构件尺寸识别等方面得到了广泛应用。为降低测绘成本及满足使用要求,越来越多的项目开始使用消费级无人机航拍技术进行项目的测量实践。

1概述

对于大比例尺地形图测绘,常规的作业方法是采用全站仪、RTK以及全站仪和RTK组合等方式进行全野外测量。大面积区域的大比例尺地形图往往采用航空摄影测量方法。采用全野外测量法测图,需要测区走到、测到,外业工作量大,还有大量的内业数据处理工作,工作效率低,成图周期长,对于一些沼泽等无法到达的危险区域几乎无法测量。采用传统的航空摄影测量方法进行大比例尺地形图测绘,由于需要租赁飞机、进行飞行空域申请等原因造成飞行成本加大,同时由于飞行高度的原因,经常受到云雾等天气的影响,而且只能从垂直角度获取影像数据,该方法的外业调绘工作量比较大。随着测绘科技的发展,无人机倾斜摄影测量技术不断得到创新和完善,采用无人机搭载多镜头从多个角度对测绘区域进行数据采集,可高效的获取测区丰富信息,具有作业效率高、可用信息量大、成本低廉等特点,在危险地区和小面积区域进行大比例尺地形图测绘具有明显的优势。通过无人机倾斜摄影测量技术,利用无人机搭载五镜头相机对测区进行倾斜摄影测量,通过像控测量、空三计算并生成三维模型,在三维模型上进行DLG数据采集,对武汉汉南经济技术开发区沌口北测区23km2的区域进行1:500地形图测量,验证了在大比例尺地形图测量中采用无人机倾斜摄影测量技术的可行性。

2三维倾斜模型生产主要包括两个步骤

1)空中三角测量。空中三角测量主要包括两个步骤:一是生成影像外方位元素,通过将外业采集的数据,包括POS数据、像控点成果、影像数据进行建模得到;二是通过计算机解算生成高密度三维点云信息,通过对影像数据进行密集匹配得到。多视影像密集匹配的过程几乎不需要人为操作,通过同名特征点信息进行自动匹配。2)三维倾斜模型构建。三维建模主要包括两个部分:一是通过高密度的点云生成不规则三角网;二是将采集的纹理信息映射至不规则三角网中,最终生成具有三维位置信息与纹理信息的倾斜模型数据。其中模型数据包含了3种信息,分别是真实影像纹理、不规则三角网、高密度点云。

3无人机摄影测量项目实践

3.1模型生产

整理完所有外业采集数据中进行空三解算,并通过空三建立的影像之间的三角关系构建三角TIN。通过构建的三角TIN完成测区地表地物白模的制作,再将采集纹理信息映射至白模中完成最终具有纹理信息的三维倾斜模型的制作。最后将制作的三维倾斜模型输出,输出格式为OSGB,纹理质量选择90%。

3.2地形图精度统计方法

对测区内制作完成的1∶1000地形图进行精度检查,地形图精度检查主要分为6个批次。首先利用CORS测量获取图根点,再通过全站仪在图根点上架站,后视定向后采集建筑物角点、道路特征点的平面坐标。得到地形图平面精度统计。按照《城市测量规范》的要求,在平地、丘陵区域,1∶1000地形图规定平面中误差不得超过0.5m;在山地区域,平面中误差不得超过0.75mm。本文利用CORS结合全站仪进行外业实测,对图上特征点进行精度检测,其中分6个批次对60幅图进行抽样检查,共检测了1800个平面点,其中检测200个建筑物平面点。检测结果为:地形图整体平面中误差为7.6cm,满足规范要求,表明利用无人机航空摄影测量生产数字地形图(DLG)是切实可行的。

4空三与三维场景重构

4.1空三

空三是整个无人机倾斜摄影测量的关键环节,对最终成果的质量起着决定作用。为了计算方便,通常一个测区需要划分为若干个空三加密区。对于倾斜摄影来说,为了保证场景纹理完整及接边需要,空三加密区之间的重叠度不应低于2倍航高的间距。像控在外业测量过程中,经常会出现仪器高输错的情况。如在测量地面和房角等标志时,需要频繁更换仪器高参数,容易输错仪器高导致成果错误。如果像控点周边有很多相似的地物,还存在内业刺点时展错位置的情况。当像控的密度越大,在空三约束解算时这种误差越容易被发现。如果像控的密度较小,在空三约束解算时像控点的粗差容易被分配掉而不易发现,如果后续不进行检测,光从空三约束的平差报告来分析,这种粗差是很难被发现的。也就是说像控点的密度越大,空三成果的可靠性就越高,但是像控的工作量就会增加,从而增加成本投入。那么如何识别和探测像控点的粗差呢?作者在实践中探索了一套行之有效的方法。倾斜摄影自动空三的非约束精度是很高的,在约束平差时,先选择位于边缘的3—4个像控点作为约束点,其他点作为检查点进行约束平差,如果平差结果中的检查点的平面和高程误差没有明显的异常情况,表明像控点存在粗差的可能性很小。如果存在个别的检查点误差过大,可以将这些点继续作为检查点,其余点作为像控点再次进行约束平差,如果这些点的误差仍然很大,大概率表明这些点存在粗差,不能使用;如果检查点的误差普遍过大,表明选择的约束点存在粗差的可能性很大,需要更换约束点重新进行探测。此外,在最终生成的三维模型中,如果像控点附近存在模型扭曲的情况,大概率表明该像控点存在粗差。

4.2航测数据采集

为保证本次测区范围内的数据完整性及精度,拟在天气晴朗、能见度好的气候条件下,由一名操作人员进行航测作业。同时保证风速在一定限值内,确保不影响无人机的自身稳定性。在此基础上,航测所得影像,其清晰度有保证,且相关技术指标亦符合要求,如航向重叠度、旁向重叠度以及航向、偏转角等,没有航摄漏洞。另外,本次航测时,同步采集了野外检查点,在航测区段内采用RTK-GPS技术对11个杆塔定位测量点(控制点)进行了人工实测。定位测量点的高程与平面精度均控制在5cm以内。

结束语

综上所述,无人机倾斜摄影测量技术在大比例尺地形图测量中应用的可行性,与全野外测量和传统航空摄影测量比较,利用无人机倾斜摄影测量获取的实景三维模型信息更加丰富,基于实景三维模型进行多视角影像测图,不但可以方便快捷的对地物进行识别和采集,而且可以获取房屋的层次和结构等信息,大大提高了测图效率,缩短了成图周期,在小面积的地形图测量中具有一定的应用推广价值。

参考文献

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