单镜头倾斜摄影技术低成本三维建模基于倾斜摄影模型提取1:500地形图要素技术研究及应用(图1)

来源:《城市勘测》2018年第3期

作者:潘成军

摘 要: 基于探索无人机倾斜摄影技术在工程测量领域的生产及推广应用,采用绘图平台程序结构优化及功能模块定制,实现在倾斜摄影三维实景模型中提取地形图要素技术方法,通过成果数据比对分析满足1∶500地形图相关精度要求,形成了较完整的技术流程体系,可为倾斜摄影技术应用于大比例尺地形图测绘提供一定的参考,同时提出了该技术的应用展望。

关键词: 倾斜摄影; 提取; 地形图要素: 精度评定

单镜头倾斜摄影技术低成本三维建模基于倾斜摄影模型提取1:500地形图要素技术研究及应用(图2)

单镜头倾斜摄影技术低成本三维建模基于倾斜摄影模型提取1:500地形图要素技术研究及应用(图3)

今日菜鸟  明日大神单镜头倾斜摄影技术低成本三维建模基于倾斜摄影模型提取1:500地形图要素技术研究及应用(图4)

摘 要: 针对小范围、低成本的实景三维建模,传统五镜头或两镜头倾斜摄影系统因载荷、成本、飞控等问题显得不合时宜。本文采用多旋翼无人机搭载单镜头相机,选用无人机管家软件设置飞行航摄控制参数,基于Smart3D Capture软件多视立体视觉算法( PMVS) 和运动结构恢复算法( SFM) 构建贵阳市花溪区某试验区实景三维模型。通过单点精度检验,符合大比例尺航空摄影测量内业规范要求。在房产测量、地籍测绘、模型展示等领域具有低成本、高效率、高精度优势。

关键词: 单镜头; 多视角; 倾斜摄影; 三维建模

1 引言

01

 引 言

随着科技不断发展,测绘技术不断更新,地形图测量方法由传统平板白纸测图、经纬仪测图发展到现在的全站仪、GNSS、数字摄影测量等技术方法进行数字化成图,在精度和效率上都有很大提高。近年来,天、空、地一体化测绘技术飞速发展,倾斜摄影就是其中的一种,它推动了地形测量向高科技、立体图形、内业测绘方向革命性的变化。

倾斜摄影测量技术[1] 具有多种特点:①立体成果真实,对于地面周围的反映符合人类感知[2] ;②为建模提供真实、丰富的纹理信息;③可实现高精度测量。同时,无人机作为一种新型的低空遥感对地观测手段,具有易于操控、获取影像周期短、作业机动性强等特性[3] 。基于上述特点,利用无人机倾斜摄影技术获取实景三维模型,用矢量绘图平台基于模型提取1∶500地形图要素,有效避免传统作业方式强度大、效率低、周期长和重复测量等弊端,极大提升了生产效率,应用前景广泛。

2 设备选择及技术路线

实景三维模型是城市空间信息的重要表达方式,对城市规划、建设、管理、应急响应有重要作用。传统三维城市建模工作的速度、效率及时效性难以满足三维城市的应用。相对于传统实景三维建模,利用无人机搭载光学镜头进行倾斜摄影快速生成三维模型的作业方法更高效,成本更低。倾斜摄影三维建模已经成为获取三维模型数据的重要手段。

2. 1 设备及软件

目前市场上主流的倾斜摄影方案多以五相机、双相机方案为主,通常相机模块价格比较昂贵,多镜头相机要求多旋翼无人机具有超高稳定性和续航能力。

相比之下,单相机倾斜摄影方案成本更低,在小范围三维建模项目中更具有优势。实景三维模型成果除了能用于大比例尺成图以外还能用于1:500地籍调查、不动产登记确权、地质灾害分析、公安应急消防、智慧城市、带状公路规划设计,城区改造、文物保护等。

本文论述无人机倾斜影像获取利用多旋翼无人机搭载五拼倾斜相机进行航摄,五拼相机“睿眼”云台系统由5 个SONY ILCE-QX1 相机组装而成,每个相机的像幅大小为5456* 3632 像素,配备旋翼地面站系统采用零度智控旗下的双子星系统。实景模型制作采用Smart 3D 软件进行空中三角测量及全自动三维建模。地形图采用EPS 2012 地理信息工作站进行矢量地形要素提取及图形编辑。

02

 实验区地理概况

2. 2 技术路线

根据无人机倾斜摄影测量的技术特点及相关要求制定作业流程,如图1 所示,本文对航摄外业及三维建模不作详细论述。

单镜头倾斜摄影技术低成本三维建模基于倾斜摄影模型提取1:500地形图要素技术研究及应用(图5)

试验区位于贵州省贵阳市花溪区,海拔 1106 m ~1134 m,试验区内主要为学校等建筑及相间绿化带,面积约为 1km²。

03

图1 技术路线

3 工程应用案例

3. 1 项目概况

 三维实景建模

3. 1 单镜头倾斜摄影系统

应用案例选取重庆陈家桥公租房、晋渝盛世、俊峰香格里拉等3 个竣工测绘项目作为倾斜摄影1∶500地形图生产应用研究对象,全要素采集房屋、道路、花圃、梯坎等地形图基本要素和规划竣工信息,其倾斜摄影实景模型如图2~ 图4 所示:

单镜头倾斜摄影技术低成本三维建模基于倾斜摄影模型提取1:500地形图要素技术研究及应用(图6)

图2 陈家桥公租房

单镜头倾斜摄影技术低成本三维建模基于倾斜摄影模型提取1:500地形图要素技术研究及应用(图7)

单镜头倾斜摄影系统采取“井”字形的航飞作业办法,镜头朝向一个角度,采取密集航线,“井”字交叉飞行采集数据。该系统能快速、有效地获取地物的影像及纹理特征,借助数据处理软件,快速实现三维建模。本次试验采用某品牌智能航测系统 D1000。

图3 晋渝盛世

系统固定翼无人机重量 1.38 kg,

轴距 350 mm,

最大上升速度 6 m/s,

定位模式最大飞行速度 50 km/h,

单镜头倾斜摄影技术低成本三维建模基于倾斜摄影模型提取1:500地形图要素技术研究及应用(图8)

抗风速 10 m/s,最大航时 30 min。

图4 俊峰香格里拉

上述倾斜摄影实景模型影像质量良好、分辨率高、纹理清晰、无大面积噪声、条纹,依据模型可多角度、多尺度浏览和量测。

云 台 角 度 控 制 精 度±0. 02°

3. 2 技术步骤

以EPS 2012 地理信息工作站为矢量绘图平台,通过底层开发在绘图平台中内置测图模块,利用倾斜摄影模型进行高精度大比例尺地形数据的矢量采集工作,无须佩戴立体眼镜,根据影像及自动空三生成的三维模型直接定位地物要素的三维信息。软件内置地类地物属性模块实现要素编码分类,经整理形成1 ∶ 500数字线化地形图,如图5 所示。

系统采用 DJI FC6310 型号相机,f /2. 8-f /11 带自动对焦,焦距 35 mm,2000 万像素。

本次航飞航向重叠、旁向重叠 80%,飞行高度110 m,地面分辨率 3 cm。

3. 2 无人机管家软件

单镜头倾斜摄影技术低成本三维建模基于倾斜摄影模型提取1:500地形图要素技术研究及应用(图9)

图5 定制倾斜摄影程序模块

(1)模型一键承载

基于矢量绘图平台底层结构优化和算法研究,采用“金字塔模型”自主实现模型一键承载、快速浏览,解决海量倾斜数据对计算机硬件要求高的瓶颈问题,为后续模型快速浏览、数据制作奠定坚实基础。

金字塔层次模型表示多分辨率级别的分层模型,采用纵向分层,横向分块的策略来构建。金字塔每一层代表一个分辨率级别,从上往下分辨率越来越高(数值越来越小),但每一层表示的范围都是整个原始地形的范围。金字塔各层的分辨率之间存在一个倍率关系,通常取倍率取为2( 便于采用四叉树结构组织数据)。各级层次模型的分辨率计算可用公式来表示。设原始地形的分辨率为r,原始地形高程文件大小为n·n,块边长为m,则第0 层的分辨率r0 为:

无人机管家是一款优秀的飞行控制软件,集中了智能航线、智能飞行、智能检图、智能拼图、智能监控、维修保养等多个模块。从航线规划到飞行控制、从图像预处理到一键拼图,从云端数据共享到维修保养,无人机管家软件为用户提供一站式航测服务,无人机管家航线规划界面如图 1 所示

单镜头倾斜摄影技术低成本三维建模基于倾斜摄影模型提取1:500地形图要素技术研究及应用(图10)

单镜头倾斜摄影技术低成本三维建模基于倾斜摄影模型提取1:500地形图要素技术研究及应用(图11)

图1 无人机管家航线规划界面

3. 3 技术路线

单镜头多视角倾斜摄影航线不同于一般多镜头倾斜摄影,采取“井”字形的航飞作业,因此对航线设计提出更高要求。得益于智能航线规划软件,生产作业中只需对地面分辨率、重叠度、相对行高关键参数进行设置,即可实现航线规划。多视立体视觉算法密集匹配也是倾斜摄影三维建模中的关键技术。更多干货敬请关注:GIS前沿 传统基于灰度和特征的匹配方法难以获取满足建模需要的同名点,基于多视立体视觉算法( PMVS) 和运动结构恢复算法( SFM) 自动匹配连接点,可以得到高精度和高密度的点云数据,是实现精细三维建模的关键流程。

(2)模型切割显示

单镜头多视角倾斜摄影技术实景建模步骤如图 2所示:

单镜头倾斜摄影技术低成本三维建模基于倾斜摄影模型提取1:500地形图要素技术研究及应用(图12)

由于飞行因素影响、数据采集质量、现场条件限制、建模机制选择等原因,无人机倾斜摄影模型数据常常出现空洞、悬挂、遮挡、扭曲等,因此需要对模型进行切割显示处理,避免对后续数据提取存在影响,如图6、图7 所示。

单镜头倾斜摄影技术低成本三维建模基于倾斜摄影模型提取1:500地形图要素技术研究及应用(图13)

图2 单镜头多视角倾斜摄影技术实景建模方法流程图

图6 模型处理前

3. 4 三维建模结果

将原始数据导入 Smart3D Capture 软件,基于多视立体视觉算法( PMVS) 和运动结构恢复算法( SFM) 自动匹配连接点。野外像控刺点后,经过三角网构面,纹理映射,模型修补,生成实景三维模型。图 3 ~ 图 6 为软件中三维模型截图。图 6 模型细节完整,未见扭曲拉花粘连情况,建筑外墙面平整,外墙楼名清晰。

单镜头倾斜摄影技术低成本三维建模基于倾斜摄影模型提取1:500地形图要素技术研究及应用(图14)

图7 模型水平切割处理后效果

(3)建筑轮廓特征提取

单镜头倾斜摄影技术低成本三维建模基于倾斜摄影模型提取1:500地形图要素技术研究及应用(图15)

图3 白膜

建筑轮廓特征提取时,充分利用倾斜模型中建筑物侧面数据量大、精度高的特点,通过给定建筑物侧面基点自动生成轮廓点功能,解决建筑物外轮廓点部位分辨率不高、特征提取定位不准、精度不足等问题。该功能不受同一高程平面限制,任意选取建筑物侧面数据精度最佳位置作为给定基点,使建筑轮廓特征提取精度得到显著提高,如图8、图9 所示。

单镜头倾斜摄影技术低成本三维建模基于倾斜摄影模型提取1:500地形图要素技术研究及应用(图16)

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图4 三角网 

单镜头倾斜摄影技术低成本三维建模基于倾斜摄影模型提取1:500地形图要素技术研究及应用(图18)

图5 三维模型

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图6 模型细节

三维建模技术在数字城市建设、城市应急管理、地形测量、不动产测绘项目中有广泛的应用。倾斜摄影三维建模最终成果是高精度、可测量的,可裸眼实现地形测量。三维模型多视角测量在不动产测量中比传统摄影测量更为高效,直接量测建筑外围墙壁,省去传统屋檐改正步骤,提高作业效率。

图8 建筑轮廓水平面提取

单镜头倾斜摄影技术低成本三维建模基于倾斜摄影模型提取1:500地形图要素技术研究及应用(图20)

04

 精度检验

图9 建筑轮廓竖直面提取

针对模型成果精度检验相机评测,选取 6 个分布均匀的检查点,野外实地坐标与模型坐标对照如表 1 所示:

单镜头倾斜摄影技术低成本三维建模基于倾斜摄影模型提取1:500地形图要素技术研究及应用(图21)

检查点精度对比表

(4)线型地物特征提取

通过矢量绘图环境对倾斜模型三维浏览,结合模型丰富的纹理信息,能够有效识别主要线性地物的类型及走向,实现快速提取道路、花圃、斜坡、陡坎等线性地物的平面位置、高程及属性特征,如图10 所示。

单镜头倾斜摄影技术低成本三维建模基于倾斜摄影模型提取1:500地形图要素技术研究及应用(图22)

图10 斜坡提取

检验结果各地物特征点△X 最大值 0.09 m,△Y最大值 0.09 m,△H 最大值 0.08 m。满足大比例尺测图实际需求,在不动产测绘项目中,模型精度可以满足作业生产。

(5)高程提取

05

 结 语

实景模型以大范围、高精度、高清晰的方式全面感知复杂场景,通过高效的数据采集设备及专业的数据处理流程生成的模型成果能直观反映地物外观、位置、高程等属性信息,所以通过实景影像可以快速提取地面点高程,如图11、图12 所示。

单镜头倾斜摄影技术低成本三维建模基于倾斜摄影模型提取1:500地形图要素技术研究及应用(图23)

西南云贵山区,地形起伏大,植被覆盖率高,增加了航空摄影测量工作难度。与传统五镜头或两镜头倾斜摄影相比,单相机倾斜摄影方案成本更低,在小范围三维建模项目中更具有优势。本文以实际试验数据表明单相机倾斜摄影方案确实可行,在小范围、低成本、工期短、精度要求高的实景建模项目中具有较好的实际应用效果。

文章转载于《城市勘测》2019第4期

图11 地貌高程提取

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图12 屋脊线及房顶高提取

(6)数字线划地形图生成

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基于倾斜摄影实景模型进行1 ∶ 500 地形图室内生产,同样遵循“先整体后局部”的作业原则,以测图模块自动提取的建筑轮廓和地物边界数据为基础,辅助人工识别,对点地物遗漏、线地物缺失、面地物不全等进行地毯式搜索、逐步清理完善,在模型数据生产时能实现二维矢量平面图与三维模型场景分屏显示,模型、矢量、影像同步联动,点、线、面随心编辑,达到了二三维显示一体化、符号一体化、编辑一体化,实现1 ∶ 500地形图室内交互式测绘,如图13 所示。

单镜头倾斜摄影技术低成本三维建模基于倾斜摄影模型提取1:500地形图要素技术研究及应用(图26)

图13 基于倾斜模型二三维交互式测图

4 精度评定

4. 1 测量精度要求

大比例尺地形图质量检查主要包括数学精度、属性精度、数据正确性及要素完备性、整饰质量及附件质量检查,依据《城市测量规范》(CJJ /T8-2011) 相关要求:平地、丘陵地带地物点相对于邻近平面控制点的点位中误差不超过图上0.5 mm( 1 ∶ 500 地形图则为0.25 m),城市建筑区基本等高距为0.5m的平坦地区,1 ∶ 500 地形图高程注记点相对于邻近图根点的高程中误差不应大于0.15 m。

4. 2 成果精度检测

项目成果检测采用全野外数字化实测成果与倾斜摄影内业提取成图成果比对的方法进行精度评定,检查要素包含房屋、围墙、灯杆、道路、花圃、沟渠、陡坎和地形高程点等。成果精度检查内容包括平面精度、高程精度及边长精度。项目共设站检查979 点,其中平面检查点598 点,高程检查381 点,边长检查68 条边。根据实测数据与倾斜模型提取数据相比较,误差分布及精度统计结果如表1 所示。

单镜头倾斜摄影技术低成本三维建模基于倾斜摄影模型提取1:500地形图要素技术研究及应用(图27)

通过误差分布统计表得出:检查点平面中误差为0.13 m,高程点中误差0.14 m,边长中误差0.15 m,基于倾斜模型提取数据中误差小于相关规范标准限差,由检测结果表明,基于倾斜摄影模型进行地形图要素提取可应用于1 ∶ 500大比例地形图测绘。

4. 3 误差分析

(1)原始像片分辨率不足的航摄误差

由于无人机倾斜摄影受地理条件局限、安全飞行高度影响以及设备精度、航摄参数设置等综合因素制约,可能造成原始像片分辨率不足,因此,根据方案设计对地形图精度的要求,通过优化航飞参数( 降低航高、换长焦镜头等)[4] ,可以提高获取影像的地面分辨率,从而进一步提高相关数据成果精度。

(2)空三加密匹配引起的模型误差

倾斜航空摄影后期数据影像匹配时,因倾斜影像的摄影比例尺不一致、分辨率差异、地物遮挡等因素导致获取的数据中含有较多的粗差,严重影响后续影像空三精度[5] 。然而,如何利用倾斜摄影测量中包含的大量冗余信息进行数据的高精度匹配是提高倾斜摄影技术实用性的关键,可通过人工干预方式将空三成果精度优化到最佳[6] 。

(3)人工采集操作产生的成图误差

基于倾斜模型的地形要素人工采集产生的误差是一个比较重要的成图误差来源,采集时影像图上1 个像素的误差,实地距离就是3 cm~ 5 cm,另一方面,当某一地物不在同一高程面时,会因为视差造成矢量采集不准确,此时需要作业员根据不同角度的影像图进行局部调整。因此,提高作业员作业经验和操作熟练度,可提升矢量采集成果的精度。

5 结语及展望

生产应用案例证明,基于无人机倾斜摄影模型提取地形图要素可基本满足《城市测量规范》1 ∶ 500数字线化图测绘的精度要求,能有效提升测绘生产效率,测绘成果科技含量丰富。但仍有一定局限性亟待解决,主要表现在以下几方面:

(1)基于荷载限制及飞行安全考虑,目前无人机电池的续航能力成为倾斜摄影技术推广的限制条件,提高无人机单架次作业时间将大幅提高该方法的应用效率。

(2) 由于倾斜摄影模型是对地物地貌表面的模拟,植被覆盖、房屋遮挡等一些拍摄死角或关联点不足的地方,全自动建模时容易产生模型扭曲变形;匹配截面过小的地物,如路灯、电杆,容易产生模型缺失,需采用其他方式加以补充处理[7] 。

(3)地形要素的提取还不是全自动,需要辅助人工识别,容易出现误判和漏判,需进一步研究对软件二次开发,提升海量数据快速提取、自动识别的能力。

本文通过实践探索建立了基于倾斜摄影实景模型提取地形要素完成室内1∶500地形图测绘的关键技术路线,对成果数据精度指标及误差来源进行了分析,该技术在植被覆盖、遮挡严重、大型商业群等复杂区域推广应用还需做进一步探索与研究。

参考文献:略

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