(本文转自《**测绘报》)

科技创新 引领发展  倾斜摄影助力河北城市建设【干货】利用无人机倾斜摄影如何快速测绘地形图?(图1)

科技创新 引领发展  倾斜摄影助力河北城市建设【干货】利用无人机倾斜摄影如何快速测绘地形图?(图2)

来源:《北京测绘》2019年第1期

作者:周光耀,史超凡,孙健

[摘 要]

近年来倾斜摄影测量技术由于其具有较好的灵活性,且生产效率高,周期短,成本低等特点,在测绘领域广泛使用。传统的地形图测绘对于外业的要求较高,需要大量的人力、物力和财力的支持,不仅浪费了大量资源而且内业出图效率较低。将无人机倾斜摄影测量获得的三维模型运用到室内,针对三维模型进行内业地形图绘制,有着巨大的优势和很好的应用前景。本文以山东科技大学校园为例,运用倾斜摄影测量技术建模,并针对三维模型运用EPS软件进行地形图测绘,具有一定的实际意义。

[关键词] 倾斜摄影;建模;地形图

0 引言

旋翼无人机载着倾斜摄影云台,在600至800米低空盘旋,5部相机同时开启进行多角度、不间断的拍摄,随后街景工厂完成对这些照片的处理,一幅实景三维地图就诞生了。在河北省地理信息局的演示屏幕上,河北省艺术中心、酷似赵州桥的石家庄火车站、高耸入云的勒泰中心、生机盎然的石家庄园博园等等逐一呈现,逼真的画面令记者眼前一亮,恍若在观看一部航拍影片。这是记者日前在河北局采访时看到的真实一幕。

倾斜摄影测量技术是目前发展较为迅速的一种新兴技术,它不仅能够真实地反映地物情况,而且使目前高昂的三维城市建模成本大幅降低,大大提高三维城市建模的速度。倾斜摄影技术对于发展智慧城市有很大的推动力,其提供的一系列的地物信息,可以构建三维城市模型,为智能化的管理提供了便利条件。传统的地形图测绘常采用全站仪和RTK  外业采集数据,程序复杂且工作量大,许多学者针对正射影像图进行地物和地貌编辑属性,然而由于正射影像图是二维平面进行内业绘图时人工识别边界线难度较大,且精度较低,如果能利用正射影像图与三维模型进行一体化操作将大大提高地形图测绘效率且解决了精度问题。本文以山东科技大学某典型区域为例,进行摄影测量建模,针对模型内业进行地形图测绘,并对建模和地形图成果进行精度验证,可满足1∶500地形图测绘精度要求。

河北省地理信息局局长高献计告诉记者,倾斜摄影测量及实景三维模型制作技术是国际测绘领域近年来发展起来的一项高新技术。河北局早在2012年就在全国第一个引入此项技术,并运用于数字城市地理空间框架建设项目中。河北局还和欧洲宇航局合作成立了街景工厂技术中心,引进先进的街景工厂软硬件设备,并与北京超图软件股份有限公司合作,开发了城市实景三维综合应用软件平台Supercity,解决了倾斜摄影航空数据与可量测街景数据、室内三维数据的融合,实现了空中、地面、室内影像数据的贯通与无级浏览,为数字城市、智慧城市建设奠定了基础。截至目前,河北局已完成了石家庄、张家口、唐山、衡水、承德数码相机资讯、宽城、藁城等市县650平方公里倾斜摄影实景三维制作,并开发出一系列城市实景三维综合应用,广泛应用于国土,规划,气象,审计,市政,地下管线等领域。

河北省第三测绘院院长张月华向记者介绍,数字唐山地理空间框架建设项目首次将最新的云端一体化技术应用于城市综合管理,完成了数字化城市管理系统、数字房产管理系统、警用地理信息系统、三维智慧**展示系统、天地图·唐山等10个示范应用。项目创新性地解决了包括倾斜摄影数据在内的多种三维数据兼容问题,通过采用云端一体化地理信息系统技术,将倾斜摄影数据与二维地理信息数据进行结合,在规划成果展示、规划方案对比、地下管网管理、应急保障等多个领域广泛应用,为国土、规划、城管、交通、卫生、环保、公安、旅游等部门和单位提供了多维度的地理信息服务。

在地上地下三维一体化方面,河北也充分应用倾斜摄影技术,取得了可喜成绩。在地上,河北省第三测绘院对石家庄市区二环内范围进行了倾斜影像获取,完成了实景三维数据生产;在地下,河北省地质勘察院通过外业勘察手段获取了实测数据,建立了石家庄市区地下地质地层三维模型。河北局正计划将上述已有的地上实景三维模型与地下三维地质可视化信息模型进行有机结合,根据地上建筑位置信息即可查询相对应的地下地质结构信息,并建立地质三维模型,有助于在城市规划中对相应规划区域进行地质地层信息分析,以及土地资源承载力和水资源承载力估算等,提高规划的准确性和科学性。此项目计划于今年实施并完成。

“将测绘数据和实景三维地图结合,在Supercity平台上可开发出一系列应用系统。”张月华为记者举了几个例子。在淹没分析应用中,大雨来临时,通过实景三维影像,哪个地方常发生积水、有多少地方能排涝,城市各个地点的排水和积水情况都一目了然,非常直观。在雾霾扩散分析应用中,雾霾在空中的走向被真实再现,并可以分析未来趋势,相关部门基于这些数据,可以为百姓提供雾霾指数、开窗指数等服务,使百姓更好地躲避污染。在地下管线应用中,地上的井盖与地下看不见的管线一一对应,进行实景三维可视化管理,可以清楚地看到某一位置点有多少条管线、管线的埋深、哪里有阀门、对周围管线的影响等,还能在图上规划新管线。

1 测区概况

通过一系列科技创新,河北局探索出一条成熟高效的实景三维生产技术体系和作业流程,成为业界排头兵。他们的实践和探索充分表明,依托实景三维地图对城市建设规划进行管理,已不再是遥不可及的梦想。

山东科技大学位于山东省青岛市黄岛区,学校占地面积约三千多亩,测区内环境复杂,树木林立,建筑物较多,校园内人工湖、丘陵众多,高差较大,最大达到200多米,此外校园内人流、车流量较大,因此给传统测图带来诸多不便。

2 倾斜摄影测量三维建模

我国目前大部分的地形测量都是使用传统的全站仪及GPS外业测量,不仅耗时耗力,效率较低,且成本较高。本文使用CC(Smart3d)建模成果联合EPS软件进行地形图的勾绘,对其方法及其特点进行研究。

2.1 倾斜摄影测量外业数据采集

本次主要任务是完成校园的建模工作,外业数据采集拟计划两天时间完成,内业拟计划三天时间,技术设计参照现行**标准按照《摄影测量**规范》(GB/T50353-2005)执行。

像控点的测量使用GPS技术,由GPS-RTK采集像控点的三维坐标[5]。无人机倾斜影像采集使用DJI无人机,主要设备有:大疆M600pro无人机一架、IPAD一个、遥控器一个、电池两组(12块)、双鱼4.0倾斜相机一个(自带GPS和PPK模块)、减震云台一个、GNSS一台、基座一个、脚架一个、卷尺一把。双鱼倾斜相机以前中后摆为一个周期,来进行六个方向的数据采集,以达到六台相机同时拍照的效果,如图1所示。

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图1 DJI M600pro无人机搭载双鱼4.0

外业数据采集流程如下:

(1)准备工作:准备工作包括DJ无人机螺旋桨和电池安装和DJ GS Pro软件连接,参数设置,以及在已知点架设基站采集静态数据并量取天线高;

(2)起飞:准备工作结束无误后,开启相机,点击软件起飞触屏无人机接收到指令开始盘旋爬升,爬升至指定航高后飞向航线,飞行高度可以根据项目情况合理选择,本次飞行高度设置为70m;

(3)航线飞行:无人机在爬升至指定航高后,会根据地面站的设置沿航线飞行,飞行过程中无人机按飞行计划可以选择一定时间差拍摄照片;当无人机中途电量不够时选择一键返航,换上新电池后选择断点飞行,本次航向重叠率设置为80%和旁向重叠率设置为70%;

(4)降落:无人机在飞行完成所有航线后,按照规定设置到达返航高度,按照飞行计划在分行点缓慢降落,降落至区域规定位置;航拍任务完成后将航拍影像数据全部导出检查,主要是检查航拍任务执行情况是否与设置一致,检查POS数据和RTK数据是否正常以及照片质量是否有曝光过度、模糊不清、抖动等情况出现,若出现上述情况则重新补拍或者重新设置航线飞行,若无质量问题,则可继续飞第二架次。外业采集到的影像如图2所示。

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图2 外业采集到的影像数据

2.2 三维模型构建

三维建模流程如图3所示。打开CC软件,点击工程,新建工程,编辑工程名称(工程名称不能为中文),选择工程文件位置。点击菜单栏区块,选择导入区块,在计算机中找到区块文件,导入即可,影像数据自动导入进去了。可在概要中看到影像数据信息及区块信息,区块3D视图效果。

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图3 Smart 3D三维建模流程图

选择控制点,编辑控制点信息,点击右上角提交空中三角测量,进行参数设置。定位模式选择自动垂直,使区块垂直方向根据输入的影像方向进行调整,区块尺度和朝向保持任意。点击提交,等待计算机进行空三计算。由于数据量较大,故继续按时间较长,耐心等待。

空三计算完毕后,点击右下角新建重建项目,点击空间框架,对区块进行切块,由于整个区块空间过大,计算机无法满足要求,所以需要切块进行重建,并且对区块进行收缩,将周边多余的数据去掉,减少模型重建的时间。模型的生产结果可以是很多种格式,根据不同的需要选择不同的生产格式,本次建模的需要导入EPS和在Acute3DViewer内实现可视化,因此,本次需要重建两种格式的成果,分别为.osgb格式和.3mx格式。所以在格式选项里选择对应的格式进行重建。

模型建立过后,在Acute3D Viewer内可查看.3mx格式数据效果,在文件指定位置打开即可(图4)。

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图4 山东科技大学三维模型

2.3 基于EPS1∶500地形图测绘

打开EPS软件,新建一个工程,将CC输出的建模成果导入EPS中需要建立一个索引文件。菜单启动三维测图子菜单下面的osgb数据转换,通过倾斜摄影的data文件目录(瓦片数据)与metadata.xml文件生成DSM实景表面模型。转换后,会在data文件内生成一个DSM  文件,然后加载本地倾斜模型,选择.data文件里的DSM 文件并打开。

模型加载后,在三维界面内对地物进行编辑。首先勾画房屋,在工具栏居民地选择建成房屋,由于不是普通房屋,所以使用墙面提取画法(图5)。

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图5 房屋边界线编辑

具体操作方法如下:

(1)在墙面采集一点,将鼠标放至同一墙面的房檐上按Shift+A键,将第一点高程升至房檐;

(2)在同一墙面上选择第二点;

(3)在其他每一个面上按住Ctrl用鼠标左键点一点直至回到第一面;

(4)按X键退回最后一点到房屋角点,Z键回到第一点,X键将第一点退回至房屋角点,按C键闭合。

(5)在弹出窗口录入房屋结构和层数。

房屋勾画完之后勾画道路,在快捷工具栏内选择交通,根据不同的道路选择要勾画的道路属性。因为此处道路为校园内部道路,因此选择内部道路边线进行勾画。倾斜模型中的植被或高层建筑经常会影响测图,这个时候可以对模型进行切割显示。植被切除后,道路的绘制就清晰了。

切割后便可勾画道路。画道路首先使用快捷方式画一条道路边线,再使用平行线画法画另一条道路边线(图6)。

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图6 道路边界线编辑

然后勾画植被,植被的勾画利用其他地物的边线作为边界,如果没有其他地物,则使用地类界围起来,并使其闭合。边界画完后,使用快捷方式“G”进行填充,填充前选择植被编码类型。其他地物按照以上画图方法进行勾画即可。

3 精度分析

利用三维测图来进行1∶500地形图测量要看是否满足其精度,因此需要进行精度验证。利用RTK技术布设像控点时,以同样方式在测区均匀布设几个检查点,便于内业后期检查。在建模过程中,空三计算完毕后,选择输入像控点坐标,将事先在现场测好的像控点坐标输入进去,再次进行空三计算。

然后建模,这样建立出来的模型和**坐标系统一,在画图时,可以随时查看模型每一点的坐标。

然后用EPS将模型导入,选择4个检查点,在三维模型界面找到对应的检查点,查看模型上的坐标,与实际坐标进行对比,计算两者误差大小。

模型坐标与实地坐标对比如下:

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数据显示,三维测图精度大约在5cm左右,由于模型分辨率的影响,导致误差偏大,但如果模型分辨率好,精度便可提高。正常分辨率在3-5cm左右,所以三维测图的精度是可以满足1∶500地形图精度要求的。

4 结束语

传统的野外地形图测绘对于外业人员来说无疑是一件十分头疼的事情,但采用倾斜摄影与EPS结合的三维测图可一定程度解决这一问题,能大大减少外业的人力物力,节约时间,提高工作效率,同时还能提高测图质量和精度,因此不久的将来倾斜摄影技术用于地形测绘将成为新趋势。

参考文献:略

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转自:勘测联合网 

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