睿铂倾斜摄影相机与建模效果(二)无人机倾斜摄影测量技术在侵蚀沟监测中的应用(图1)

本期期刊速读内容来自《**水土保持》杂志2021年第2期文章《无人机倾斜摄影1:500不动产测量技术在侵蚀沟监测中的应用》,作者周子渊,高璐媛,党维勤,田金梅,刘硕。

周子渊( 1989—) ,男,甘肃天水人,工程师,硕士,主要从事水土流失动态监测、生产建设项目信息化监管、无人机航测等工作。

摘要

以黄土高原王茂沟小流域典型支毛沟为研究对象,将消费级无人机与1∶500倾斜摄影测量相结合,配合高精度的地面控制点,利用飞行控制软件GS RTK App规划井字形航线,模拟出多镜头倾斜摄影相机达到的效果,同时借助地面控制点获取倾斜、正射影像,使用Pix4D、Smart3D等软件构建了侵蚀沟高分辨率三维模型以及DOM、DEM等。

据对获取成果的详细评估,两种方法的水平误差与高程误差均可满足《低空数字航空摄影测量内业规范》(GH/Z 3003—2010)的要求;同时,获取的点云数据相比RTK人工测量更密集、均匀,解决了侵蚀沟内地形复杂、陡峭而导致的人无法到达的区域测量精度降低的问题。






通过上一篇文章的介绍,相信大家对焦距与视场角之间的关系有了一个初步的了解。从作业航飞参数设置,到后期模型的建立,这两个参数的影子贯穿始终。











那么到底这两个参数对模型效果有什么影响?本篇文章,我们就介绍睿铂是如何在产品研发过程中发现其中的联系,又如何在航高与效果的矛盾中寻求平衡。


















从D2到D3








RIY-D2是专门针对地籍测量项目研发的一款产品,也是市场上最早采用下托挂式和镜头内对设计方案的倾斜摄影相机。











D2建模精度高,模型效果好,适合用于地势平坦,楼层不太高的场景建模。但是对于落差较大,地形、地貌复杂(含高压线、烟囱、基站等高层建筑的场景),无人机的飞行安全会受到影响。

该方法在运用合理的前提下,可较好地代替手持RTK人工测量工作,其具有的便捷性、可操作性及精确性,使其在流域侵蚀监测工作中具有推广应用的潜力。






睿铂倾斜摄影相机与建模效果(二)无人机倾斜摄影测量技术在侵蚀沟监测中的应用(图2)

RIY-D2

正文

侵蚀沟是黄土高原地区入黄泥沙的主要来源,尤其是发育程度较低、沟头活跃的长度小于500m的侵蚀沟对入黄泥沙的贡献更大。通过侵蚀沟监测,可基本掌握其发育现状和发展状况,为黄土高原地区水土流失灾害预防提供基础数据和技术支撑。


黄河流域全国水土流失动态监测与公告项目2019年度侵蚀沟监测是在2018年度项目基础上的延续,范围包括黄土高原地区的7条小流域,王茂沟小流域是其中之一。






实际作业中,的确有客户因为没有设计好航高,导致无人机挂高压线或者撞基站;或者有些无人机虽然侥幸掠过危险点,但检查航片时才发现,无人机离危险源非常近。这些危险和隐患,往往会造成客户巨大的财产损失。

该项目采用基于差分高精度GNSS,对选定支毛沟沟头及断面进行测量,对侵蚀沟形状特征、发育条件、侵蚀特征、治理措施等进行监测,进一步构建了侵蚀沟稳定性评价指标体系。






睿铂倾斜摄影相机与建模效果(二)无人机倾斜摄影测量技术在侵蚀沟监测中的应用(图3)

航片中的基站

目前在黄土高原侵蚀沟监测中,面临的主要问题有侵蚀沟坡面陡峭、沟壁内切,人力野外测量困难等,而无人机航测可以完美解决部分复杂危险地形人员无法抵达测量的情况。

随着近年来无人机的迅猛发展及其在技术应用方面的不断创新,计算机视觉领域中SIFT、Bundler、PMVS等算法的不断完善,以及三维建模技术的发展成熟,可以将普通消费级无人机获取的图像通过Pix4D、Agisoft PhotoScan等软件构建出目标对象的稠密三维点云,使消费级无人机在航测中的应用成为可能。






所以有众多客户反馈:能否设计一款长焦距倾斜摄影相机,使无人机的作业高度更高,让作业更安全?基于客户的需求,我们在RIY-D2的基础上,研发了长焦距版本的RIY-D3。相比于D2,在相同的分辨率下,D3可以让无人机作业航高提升约60%。

结合前人研究成果,考虑到在较为陡峭的坡度无人机获取的高程数据误差较大,而无人机倾斜摄影1:500不动产测量技术(以下简称倾斜摄影)可以很好地解决陡峭坡度中数据误差较大的问题,我们借助黄河流域全国水土流失动态监测与公告项目2019年度王茂沟小流域监测数据,采用RTK人工测量断面和倾斜摄影建模断面提取两种方法,确定了两种方法的水平误差与高程误差,并获取了侵蚀沟高精度模型以及DOM、DEM等。






睿铂倾斜摄影相机与建模效果(二)无人机倾斜摄影测量技术在侵蚀沟监测中的应用(图4)

分辨率与其对应航高

1 监测区概况






在研发D3的过程中,睿铂研发人员一直认为更长的焦距可以有更高的飞行高度,更好的建模效果和采图精度。

王茂沟位于陕西省绥德县,地处东经11°21'00″、北纬37°35'30″,属黄土丘陵沟壑区第Ⅰ副区,土地总面积5.8km2。沿用2018年监测得到的王茂沟小流域尺度主断面和支毛沟位置(图1),本次选择王茂沟的一条支毛沟(4#)进行监测。该沟长度564.1m,宽度230.7m,面积7.9hm2,纵比降0.22。

睿铂倾斜摄影相机与建模效果(二)无人机倾斜摄影测量技术在侵蚀沟监测中的应用(图5)











可实际作业后,才发现完全不是预想的那样,D3相对于D2,建立的模型在屋檐下的拉花变得严重,而且效率相对较低。

图1 王茂沟小流域4#支毛沟位置示意

2 监测硬件设备与软件工具











为什么焦距更长的D3的建模效果反而没有D2建模效果好呢?


















焦距与建模效果

本次航拍使用设备为大疆精灵Phantom4 RTK,由无人机、云台相机、机载RTK模块、遥控器及配套的飞行控制软件GS RTK App组成。内置云台相机参数:分辨率2048万像素,采用FOV84°,8.8mm/24mm(35mm格式等效),光圈f/2.8~f/11,带自动对焦[对焦距离(m)为1~∞],采用三轴增稳云台,角度抖动量为±0.02°,可以在高速大动作飞行的情况下拍摄稳定的图像。








关于焦距与建模效果的关系,大多数客户都存在一些误解,甚至很多倾斜摄影相机厂家都会错误地认为长焦距镜头对建模效果有帮助。











实际情况是:在其他参数相同的前提下,对于城市立面建筑建模场景,焦距越长,模型的建模效果反而越差。











上一篇文章第4点讲解了焦距与视场角的关系:在其他参数相同的前提下,焦距只会影响航高。如图所示,现有两个镜头,红色表示长焦镜头,蓝色表示短焦镜头。长焦镜头与墙面所形成的最大夹角是α,短焦镜头与墙面所形成的最大夹角是β。

地面控制点测量采用华测导航i90惯导RTK 及GNSS惯导接收机,其平面精度为±(8+1×10-6×作业距离)mm,高程精度为±(15+1×10-6×作业距离)mm,支持北斗三代,自带惯导系统,支持60°倾斜测量,无需气泡对中,2cm的倾斜补偿精度。






睿铂倾斜摄影相机与建模效果(二)无人机倾斜摄影测量技术在侵蚀沟监测中的应用(图6)




显然:β>α

侵蚀沟建模采用Pix4Dmapper软件,可以通过控制点辅助或直接根据图像对任意类型的图片进行处理,自动化地完成相机参数的解算与三维重建,获得亚厘米级精度,平面精度为1~2倍地面分辨率,高程精度为1~3倍地面分辨率。考虑到航图处理的运算量较大,采用了32G内存、INTEL八代I9处理器图形工作站进行计算。

3 监测总体方案











这个夹角大小表示什么呢?镜头视场边缘线与墙面的夹角越大,镜头相对于墙面也就越水平。在建筑物立面信息采集时,短焦镜头能够更水平地采集墙面信息,建立的模型也就能够更好地反映出立面的纹理。

本次监测流程主要包括数据采集、数据预处理、数据生产3个阶段。

3.1 数据采集











所以对于有立面的场景,镜头焦距越短,采集的立面信息越丰富,建模效果越好。

(1)像控点布设与测量。

根据《1∶500、1∶1000、1∶2000地形图航空摄影测量外业规范》(GB/T7931—2008)的要求,为了深入评估建模精度,本研究沿切沟发育方向均匀布置了9个地面像控点,其中测区四角及中点5个用于建模精度控制,其余4个用于对比检查测量精度。











前面我们说到,对于有屋檐的场景,D3的建模效果没有D2好。这是因为在地面分辨率相同的条件下,镜头焦距越长,无人机航高越高,屋檐下面的盲区就会越多,那么模型的拉花就会越严重。

像控点的标靶布设材料采用1m×2m的测绘布,标靶为红白交叉与数字组合。选定位置后将一台RTK主机连接短杆后直接插入钢管固定作为基准站,再持另一RTK主机测量各控制点处标靶的中心坐标作为该像控点的坐标。像控点测量的平面定位精度为5mm,高程定位精度为10mm,坐标系为WGS84。











如下图所示,若虚线表示屋檐,则长焦镜头的视野被遮挡的部分相对更多。






睿铂倾斜摄影相机与建模效果(二)无人机倾斜摄影测量技术在侵蚀沟监测中的应用(图7)




所以这种场景中,拥有更长焦距镜头的D3比D2采集数据建立的模型拉花更加严重。


















航高与效果的矛盾

(2)无人机参数设置与影像采集。

①航线规划。设置一个80m×80m的正方形区域,覆盖整个航摄支毛沟,航线规划采用井字形方案,由两组互相垂直的航路正反方向飞行,航摄方案参数见表1。








根据上述焦距与模型效果的逻辑,如果镜头焦距足够短,视场角足够大,实际根本不需要多镜头,一个超广角镜头(鱼眼镜头)就可以把所有方向视角信息采集完。

②相机参数设置。此次飞行航向与旁向重叠度为75%,相机云台俯仰角度为70°,自动曝光,无穷远自动对焦。无人机于2019年8月6日上午9时18分起飞,现场无风,天气晴好,光线充足,经过26min32s的飞行,无人机完成规划的航路任务后降落,共获得518张倾斜航图。

睿铂倾斜摄影相机与建模效果(二)无人机倾斜摄影测量技术在侵蚀沟监测中的应用(图8)






睿铂倾斜摄影相机与建模效果(二)无人机倾斜摄影测量技术在侵蚀沟监测中的应用(图9)

超广角镜头拍摄的航片

表1 航摄方案参数

3.2 数据预处理






那是不是把镜头焦距尽可能地设计短,就万事大吉?

依次进行影像质量检查(检查获取影像是否清晰、有无拖影等)、POS数据检查(数据获取是否正常等)、飞行质量检查(飞行轨迹是否按照规定航线飞行等)、像控点检查等预处理工作,确保数据无误后,导入Pix4D软件进行空三加密解算。

(1)POS数据检查。

使用Pix4D软件导入航摄照片,导出POS数据,确认照片有无POS数据丢失情况。经检查,POS数据正常、无丢失。











显然不是!先不提超短焦距会导致大畸变的问题,假如将DG3pros的正射镜头焦距设计成10mm,按2cm分辨率采集数据,无人机航飞高度只有51米。











如果无人机搭载这样设计的倾斜相机外出作业,肯定险象环生。

(2)飞行质量检查。

先使用Pix4D进行快拼,当天飞行当天检验,确定是否有漏片和丢片问题。再将航摄照片导入Smart3D软件中,使用软件的图像质量评估工具统计航图质量。如果评分低于0.5分,则存在曝光、对焦等问题,无法参加后续建模。经检查,各航图质量评分均在0.8分左右,可用于后期软件处理。

(3)像控点检查。

使用Pix4D确保各像控点出现在2张以上航图中,本次检查结果满足要求。











PS:虽然超广角镜头在倾斜摄影建模中使用场景有限,但是对于激光雷达建模却很有实际意义。之前,美国的phoenix激光雷达公司就曾委托睿铂,希望设计一款搭配其激光雷达产品的广角镜头航测相机,用于地物判读和纹理采集。

3.3 数据生产

(1)初始化处理。


















从D3到DG3

将航图导入软件后拍摄技巧,添加像控点。为了提高评估建模成果的精度,将地面控制点分为参考点与检查点两类。将本次布设9个像控点中的5个作为参考点,另外4个作为检查点,检查点不参与空间配准,可以通过检查点与其在切沟稠密点云中同名点的距离对切沟建模精度进行评估,通过软件自带功能全面高精度处理后生成质量报告。

(2)稠密点云生成与三维网格纹理构建。








D3的实测数据让我们认识到,对于倾斜摄影而言,焦距并不能单调追求长或者短。焦距的长短与模型的效果,航飞效率,作业飞行的高度密切相关。











根据《低空数字航空摄影规范》,相对航高的技术公式为:

H=f*GSD/a

根据本研究精度要求,点云加密图像比例选择原图像尺寸,点密度选择最佳,三维网格选择高分辨率,由Pix4D软件自动生成。

H:相对航高

(3)空间模型的生成。

首先根据切沟的稠密点云,通过栅格插值算法得到其数字高程模型;然后通过三角剖分由切沟的稠密点云构建出切沟的三角网格模型,结合原始航图对其进行表面纹理贴图与着色,生成包含原始色彩纹理的三角网格模型;最后根据三角网格模型生成切沟的正射影像,用于量测分析与制图等。

f:摄影镜头的焦距

4 结果与分析

GSD:影像地面分辨率

4.1 精度评估

a:像元尺寸大小

从参考点与检查点两方面对航图建模成果进行分析。结果表明,参考(地面控制)点x方向(经度)误差最大为0.073m,y方向(纬度)误差最大为0.054m,h(高程)误差最大为0.023m;检查(地面控制)点x方向(经度)误差最大为0.031m,y方向(纬度)误差最大为0.027m,h(高程)误差最大为0.079m。











通过公式我们可知:

相对航高(H)与镜头焦距(f)是正比例函数,影像分辨率(GSD)决定函数的斜率。无论焦距增加或者降低,航飞高度边际变化的效用是不变的。

参考点与检查点误差对比结果见表2。由表2知:各方向的误差值均没有异常;检查(控制)点各方向误差均在参考(控制点)误差范围内;检查(控制)点在3个方向均没有显著的误差,可以作为整体精度的评估指标。

参考**测绘局2010年发布的《低空数字航空摄影测量内业规范》(GH/Z 3003—2010),在山地环境下,1∶500数字划线图(B类)的平面位置均方根误差不应大于0.8m,数字划线图(B类)的高程均方根误差不应大于0.7m。本次项目精度水平满足1∶500比例尺的精度要求。

睿铂倾斜摄影相机与建模效果(二)无人机倾斜摄影测量技术在侵蚀沟监测中的应用(图10)

表2 参考点与检查点误差对比结果m

4.2 生成DEM成果分析











镜头视场角可以用下列公式表示:

θ=2arctan(d/2f)

θ:镜头视场角(fov)

d:传感器尺寸

f:镜头的等效焦距

(1)通过软件Pix4D构建的数字高程模型DEM,获取了分辨率为1.90cm/pixel的切沟DEM与间隔为1m的等高线图,见图2。由图2可见,等高线平滑、连续,可以较为准确地反映切沟的形态特征。











通过公式我们可知:

镜头视场角(θ)与镜头焦距(f)是反正切函数,当镜头焦距(f)无限趋近于0,镜头的视场角(fov)接近等于180°,即所谓的鱼眼镜头。

睿铂倾斜摄影相机与建模效果(二)无人机倾斜摄影测量技术在侵蚀沟监测中的应用(图11)

图2 4#支毛沟数字高程与等高线

4.3 RTK打点测量与DEM提取剖面分析






睿铂倾斜摄影相机与建模效果(二)无人机倾斜摄影测量技术在侵蚀沟监测中的应用(图12)




其函数图像为上图所示:当镜头焦距(f)无限大,镜头的视场角(fov)无限小。在镜头焦距较短阶段,函数斜率较大,焦距的变化对模型效果的提升边际效用增大。











在镜头焦距在较长阶段,函数斜率较小,随着焦距无限增加,斜率趋近于0。表示随着焦距的增加,焦距的变化对模型的效果提升边际效用降低。

项目往期已在监测的支毛沟布设代表性监测横断面,在沟沿线以外地表比较稳定地段横断面两端延长线上各埋设一个固定测量标志,以便于观测、安置仪器。

本研究使用往期布设的标志点,使用RTK对沟头剖面进行测量,获取沟头剖面线。同时,使用航图中获取的DEM数据,根据布设固定测量标志坐标,通过ArcGIS中3D Analyst工具提取相同位置沟头剖面线。

RTK获取断面与倾斜摄影提取断面高程差值见图3。通过对比发现,本研究提取的剖面线与RTK测量形成的剖面线基本重合,可以较为精确地反映沟头的剖面形态。











所以在镜头研发过程中,需要考虑的第一个问题就是:镜头的焦距值应该怎么选取?短焦固然建模效果好,但是航飞高度低,存在极大的安全隐患;为了保证航飞的安全,则必须要把焦距设计长一些,但是盲目拉长焦距,又会影响作业效率和建模效果。











航高与建模效果存在一定的矛盾关系,我们必须在这些矛盾中寻求一个折中点。

睿铂倾斜摄影相机与建模效果(二)无人机倾斜摄影测量技术在侵蚀沟监测中的应用(图13)

图3 RTK获取断面与无人机影像提取断面高程差值











基于对这些矛盾因素的综合考虑,在D2、D3的基础上,睿铂研发出了DG3倾斜摄影相机。DG3既兼顾了D2的效果,又兼顾D3的航高,同时还增加了散热和除尘系统,使之也能够在固定翼无人机上使用。

5 结论

本研究将消费级无人机与1∶500倾斜摄影测量结合,配合高精度的地面控制点,运用在小面积侵蚀沟监测的工作中,确定了两种方法的水平误差与高程误差,并获取了侵蚀沟高精度模型。通过本次研究,可以看出:

(1)通过地面控制点与建模后的误差对比,获得经度误差为0.01820m,纬度误差为0.01902m,高程误差为0.04548m,满足了《低空数字航空摄影测量内业规范》(GH/Z 3003—2010)的要求。

(2)无人机航测影像生成的点云数据,相比RTK人工打点测量与激光雷达扫描点云,更密集、均匀;避免了正射影像切沟、沟壁处高程数据精度不足的问题,为获得准确的侵蚀沟监测数据提供了可靠的保证。






睿铂倾斜摄影相机与建模效果(二)无人机倾斜摄影测量技术在侵蚀沟监测中的应用(图14)

RIY-DG3

(3)由于侵蚀沟内地形复杂、陡峭,RTK打点测量与激光雷达扫描点云工作量大,且有诸多不便,导致部分人无法到达的区域测量精度降低,而无人机航测能在保证精度的前提下,让侵蚀沟监测工作更高效、快捷。






DG3是睿铂销售最多的一款倾斜摄影相机,应该也是市面使用最广泛的无人机倾斜摄影相机。






睿铂倾斜摄影相机与建模效果(二)无人机倾斜摄影测量技术在侵蚀沟监测中的应用(图15)睿铂倾斜摄影相机与建模效果(二)无人机倾斜摄影测量技术在侵蚀沟监测中的应用(图16)睿铂倾斜摄影相机与建模效果(二)无人机倾斜摄影测量技术在侵蚀沟监测中的应用(图17)




在DG3研发过程中,我们在同一场景中的设置不同参数来测试对比模型效果。在室内,我们也专门设计了模拟测试台。

/ End.

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D3并非一无是处,它的长焦距镜头使它在以下场景中,有着非常好的建模效果。如自然灾害的滑坡、泥石流这种落差大且非竖直面的场景。还有一些城市高楼场景,为了保证足够的分辨率也只有选择D3。


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版权声明:
















D3的滑坡场景建模效果






不同场景的特点不一样,为了保证模型效果,要根据具体的环境特点综合考虑到底选取什么设备来完成任务


















后记

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本文给大家介绍了睿铂D2、D3、DG3三款相机在焦距问题上的研发历程与思考,下一篇文章,睿铂将继续介绍为了进一步提高建模效果,pros系列倾斜相机做了哪些改进。











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