固定翼无人机优于2cm倾斜摄影测量系统用于1:500地形及地籍测量消费级无人机1:500倾斜摄影三维测图的技术流程(图1)

固定翼无人机优于2cm倾斜摄影测量系统用于1:500地形及地籍测量消费级无人机1:500倾斜摄影三维测图的技术流程(图1)

本文为海南撰云空间信息技术有限公司提供。作者:林勇,李旭涛,吴崧源,李剑霖,甘锦潘,陈有博,蔡小霞,苏世萍
海南撰云空间信息技术有限公司,乙级测绘资质单位。专注于高精度三维激光扫描及行业应用、无人机摄影测量及遥感、三维实景建模研究、基础测绘技术服务及专业软件开发。固定翼无人机优于2cm倾斜摄影测量系统用于1:500地形及地籍测量消费级无人机1:500倾斜摄影三维测图的技术流程(图3)

摘 要:为了研究探索在稀少及不规范像控点条件下,应用纵横大鹏CW-30 垂直起降固定翼无人机搭载飞思IXU-RS1000单相机,优于2cm地面分辨率倾斜摄影测量系统用于1:500地形及地籍测量。该文对实验成果进行外业全站仪及RTK打点,进行平面及高程精度检测,实验成果完全满足1:500地籍图平面精度及1:500地形图高程精度的要求。验证了固定翼无人机能够用于1:500地籍测量及地形测量。地理信息行业对成果时效性和精度的要求越来越高。优于2cm分辨率固定翼无人机倾斜摄影系统,有着单架次5km2 高效率和中误差小于5cm高精度,它的应用一定能对行业发展有着积极作用。

摘要: 倾斜摄影测量技术作为一项新兴的测绘新技术,在各领域中得到了较好的应用,但是用于测绘专业的主流航测飞行器价值 昂贵、操控复杂。本文提出了一种利用由消费级无人机获取的倾斜影像制作而成的实景三维模型测绘大比例尺地形图的方法,该方法充分利用了消费无人机价格低廉、操控简便的优点和自动化建模优势,可在短时间内生产出高质量、高精度的实景三维模型和1:500 地形图。实践表明,该方法操作简单,技术路线可行,产品精度符合相关标准规范要求,整体效率优于传统测绘方式,具有推广普及意义。 

关键词:虚拟测量;地形测量;地籍测量;固定翼无人机;倾斜摄影测量;室内测绘;三维数字地表模型;精度评定

引言

无人机倾斜摄影测量系统现阶段主要有两种搭载模式:① 固定 翼无人机(弹射起飞、手抛起飞、垂直起飞)方式;②多旋翼无人机方式。搭载相机有五镜头、三镜头、双镜头、单镜头几种。

固定翼无人机由于航时长(2~6h)飞行快、作业效率高有明显优势;多旋翼无人机航时基本在20~60min之间,飞行慢,效率低。但固定翼无人机受飞行速度、航高约束,影像分辨率普遍在5~20cm,成果平面中误差10~60cm、高程中误差20~100cm,无法达到工程测量1:500地形图精度要求,房屋中误差10.8cm,达不到要求。

关键词: 消费级无人机; 倾斜摄影测量; 实景三维; 三维模型测图; 大比例尺地形图

多旋翼无人机理论上可以实现任意分辨率的航拍影像,有较高精度,但是受续航时间限制,无法满足大面积航测任务,仅满足小图斑地形、地籍测绘项目。描述飞行时间共计2个架次,有效飞行面积约0.5km2。多旋翼无人机还需大密度的像控点来保证成果精度,描述像控点按距离布设,密集区域 100~200m 一个点,其余地区300~400m一个点,每平方千米达到30~120个像控点,增加了外业像控的工作强度。此应用研究之前国内暂无一套能够满足大面积1:500地籍测量的无人机倾斜摄影测量系统,以及最大限度地减少外业工作强度的解决方案。

倾斜摄影技术是目前测绘遥感领域新兴发展的一项高新技术,融合了传统的航空摄影、近景摄影测量、计算机视觉技术,突破了正射影像成果不得不从航空垂直地面的角度摄影获取的限制,可以在飞行平台同时搭载多台传感器,同时从垂直、前视、后视、左视、右视共5个角度采集影像,获取地形地貌完整与精确信息。但是,目前采集倾斜影像的设备主要为五镜头合成相机,飞行平台是体积相对较大的无人机机型,不但价格昂贵,而且操控复杂、飞行风险较大,难以普及应用。消费级无人机的出现与普及,为倾斜影像采集与三维模型构建,并应用于大比例尺三维测图带来良好的契机。

01实景三维测图技术流程

利用倾斜影像进行三维测图技术主要包括数据 采集( 影像采集、像控点测量) 、空中三角测量、多视影像密集点匹配、数字表面模型数据生成、纹理贴合、实景三维建模、三维测图及外业调绘与补测等步骤。其中,最关键步骤是通过空中三角测量解算出像片的外方位元素,在此基础上,通过多视影像密集匹配算法获得点云,并纹理贴合生成三维模型,最后进行三维测图。三维测图技术流程如图 1 所示。 

固定翼无人机优于2cm倾斜摄影测量系统用于1:500地形及地籍测量消费级无人机1:500倾斜摄影三维测图的技术流程(图4)

优于2cm 分辨率固定翼无人机倾斜摄影测量系统的研究,是以长航时固定翼无人机作为搭载平台,替代旋翼无人机进行高分辨率倾斜摄影测量的技术探索与尝试,完成了固定翼无人机单架次不小于5km2,优于2cm 影像地面分辨率的倾斜摄影测量系统测试任务,平面精度达到1:500地籍测量要求,高程精度达到工程测量1:500地形图要求。 优于2cm分辨率固定翼无人机倾斜摄影测量系统填补了国内空白,是效率高、精度高倾斜摄影测量双高解决方案。

1. 技术线路

图1 实景三维测图技术流

02实例分析

本文试验实例为广东某糖厂计划拆迁的厂区1:500 地形图测量,范围约 500 m×400 m,面积约 0.2 km2。 

1.1 倾斜摄影测量系统及成图系统组成

2.1 消费级无人机倾斜影像采集系统

目前用于测绘的无人机种类众多,有固定翼无人机、旋翼无人机和复合翼无人机等多种机型,具有不同特点及其适用领域。多旋翼无人机起降、飞行速度与高度可操控性高,且可低空飞行,适合用于倾斜摄影数据获取。本文试验选用四旋翼无人机 DJI Phantom 4pro。

该系统倾斜摄影测量系统由为其定制版单相机倾斜摄影飞控系统、纵横大鹏CW-30垂直起降固定翼无人机(图1)、相机云台支架、飞思IXU-RS1000

无人机航测专业相机(图2)、地面站系统组成。

DJI Phantom 4pro 无人机由飞行器、云台相机、 遥控器及安装飞控软件的平板电脑( 或智能手机) 组成,其主要技术参数见表1。

表 1 DJI Phantom 4pro 主要技术参数

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固定翼无人机优于2cm倾斜摄影测量系统用于1:500地形及地籍测量消费级无人机1:500倾斜摄影三维测图的技术流程(图6)

图1 纵横大鹏CW-30垂直起降固定翼无人机

2.2 数据采集

2.2.1 地面像控点布设 

航空摄影之前,在试验区域进行像控点布设与测量,用于内业空中三角测量解算及三维模型精度检验。在试验区域内选择道路边线或中线交叉点、 道路标记线等作为像控点,采用 GNSS RTK 测量方 法测出其坐标,为了满足试验要求,测量精度须达到 厘米级。本次试验共测量 15 个像控点,其中10个像控点成果用于空中三角测量解算,另外5个像控 点成果用于三维模型精度验证,如图 2 所示。

固定翼无人机优于2cm倾斜摄影测量系统用于1:500地形及地籍测量消费级无人机1:500倾斜摄影三维测图的技术流程(图7)

图2 飞思IXU-RS1000一亿像素航测相机

成图系统由基于无人机倾斜摄影数字地表模型(Digital Surface Model,DSM)与南方CASS坐标联测软件及南方CASS9.1成图软件组成。

固定翼无人机优于2cm倾斜摄影测量系统用于1:500地形及地籍测量消费级无人机1:500倾斜摄影三维测图的技术流程(图8)

图 2 像控点布设

1.2 倾斜摄影测量系统介绍及主要技术指标

无人机技术指标见表1。

2.2.2 航线设计与无人机影像采集

试验采用研究团队基于 DJI-SDK 自主开发的无 人机地面控制软件进行航线设计。飞行前在飞行控制软件上规划航拍区域,设定飞行高度、优化计算与否、相机倾角及影像重叠度等参数,根据优化算 法软件自动生成 1 次正射和 2 次倾斜摄影的优化飞 行规划航线,并自动预估航时,根据需要智能续飞 ( 如图 3 所示) 。本次试验航飞相对高度 100 m,地面分辨率 2.99 cm,旁向重叠度 75%,航向重叠度80%,共采集1533张影像。DJI Phantom 4pro 无人机只有一个镜头,为了实 现跟专业五镜头相似的效果,需要由软件控制调动 镜头角度,垂直、前、后、左、右分别对建筑物航拍 5 遍,实现倾斜摄影数据采集。以厂房所在的烟囱 为中心示意,垂直向下镜头采集影像与倾斜角度采 集影像数据对比如图 4 所示。 

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图 3 飞行航线设计

固定翼无人机优于2cm倾斜摄影测量系统用于1:500地形及地籍测量消费级无人机1:500倾斜摄影三维测图的技术流程(图11)

航摄相机技术指标见表2。

图 4 以烟囱为中心多视影像

2.3 全自动快速三维模型构建

1.3 云台及地面站系统简介

纵横大鹏 CW-30 无人机相机云台支持30°、35°、40°、45°不同倾斜角度安装航测相机。为该系统定制版的单相机倾斜摄影地面站系统,增加了固定翼飞机单镜头倾斜摄影航线规划功能,解决对飞航线、十字航线、自定义航线等自动生成功能;支持30°、35°、40°、45°倾斜角度;能够自动生成多区域、多模式连飞航线,优化航线设置减少无效飞行时间。

倾斜摄影测量技术通常包括影像预处理、空中三角测量、多视影像匹配、DSM 生成、真正射纠正和三维建模等关键内容。本次试验三维模型构建采用 ContextCapture 软件,将获取到的符合建模要 求重叠度的航空影像进行预处理,并导入 ContextCapture 软件,均匀挑选出一定数量的野外控 制点,软件则自动匹配运算,进行三维模型生产。

2.3.1 空中三角测量 

1.4 作业流程

倾斜航摄地形图生产线路与传统垂直航摄作业流程及方法上有着很大不同,倾斜摄影生产流程,在空三加密后需要进行三维建模,生产三维数字地表模型。成图作业方法也不同,垂直航摄成图是利用数字立体测图系统进行线划图要素立体采集及等高线采集;倾斜航摄成图是在三维数字地表模型上直接采集地图要素及高程点,无须佩戴立体眼镜,可以任意视角观察测量地图要素,也无须屋檐改正等。倾斜航摄作业流程如图3。

在 ContextCapture 自动建模系统中加载测区影像,人工给定一定数量的控制点,软件空中三角测量 中的平差方法采用光束法区域网平差,其原理是以一张像片的一束光线作为平差单元,以中心投影共 线方程作为基础方程,通过计算各光束在空间中转换参数,实现各模型间公共光线的最佳交会,把整体区域纳入地面坐标系中,恢复地物空间位置关系。空中三角测量结果如图 5 所示。

固定翼无人机优于2cm倾斜摄影测量系统用于1:500地形及地籍测量消费级无人机1:500倾斜摄影三维测图的技术流程(图13)

图3 作业流程图

2. 倾斜摄影测量系统及成图系统测试

固定翼无人机优于2cm倾斜摄影测量系统用于1:500地形及地籍测量消费级无人机1:500倾斜摄影三维测图的技术流程(图14)

2.1 测试目的

图 5 空中三角测量结果

测试优于2cm 地面分辨率倾斜摄影测量系统在稀少及不规范像控点条件下数码相机资讯,输出的数字地表模型,其平面、高程精度是否达到1:500地形地籍图成图作业规范要求。

2.3.2 影像密集匹配 

软件采用高精度密集匹配技术,对所有影像中同 名点进行自动匹配。为了更加精确表达地形地物细节,提取更多特征点构成密集点云。地形地物越复杂、越密集的地方,点密度越高; 反之,则相对稀疏。 

2.3.3 纹理映射 

通过空中三角测量解算和影像密集匹配后,所有影像之间的点云可计算构成三角格网TIN,再由三角格网 TIN 构成白模型,软件从影像中提取相对应纹理,并将纹理自动映射到对应的白模型上,形成实景三维模型,如图 6 所示。

2.2 测试计划

固定翼无人机优于2cm倾斜摄影测量系统用于1:500地形及地籍测量消费级无人机1:500倾斜摄影三维测图的技术流程(图15)

测试区域(图4)位于海南省儋州市峨蔓镇,无人机倾斜摄影测量测试区域面积约10km2(陆地面积7.5km2),测试区地形地貌主要为沙滩、滩涂、火山岩海岸陡崖、林地、农 田、村庄及路网,测试区地势平整,植被丰富,高差在35m 以内。

图 6 实景三维模型

2.4 三维测图 

本文试验采用 SV360 智能三维测图系统进行 地形图测量。SV360 操作简便,建立工程项目,导入三维模型后,设置相应的参数,由作业员在三维模型 基础上进行点、线、面采集,按要求设定图层并赋属性信息,如图 7 所示。内业采集编辑完成后,还需对 未能确认的属性与遮挡部分等内容进行外业调绘与补测。 

固定翼无人机优于2cm倾斜摄影测量系统用于1:500地形及地籍测量消费级无人机1:500倾斜摄影三维测图的技术流程(图16)

图 7 地形线划采集

固定翼无人机优于2cm倾斜摄影测量系统用于1:500地形及地籍测量消费级无人机1:500倾斜摄影三维测图的技术流程(图17)

图4 测试区域

2.5 精度分析

成果完成后,主要采用人机交互检查方式对试验区域的测图成果进行质量检查,本文试验主要对 平面精度进行检查。

2.3 测试方案实施

根据海南海岛特点,测试区选择沿海区域。航飞区域地形在海南具有典型的沿海特点。植被丰富、滩涂宽阔、 还具备火山岩陡 崖地貌。林地、水田、旱地、坡地、盐田、村落等地形地貌丰富。

( 1) 实景三维模型精度验证。实景三维模型生 产完毕后,将未参与空中三角测量的像控点作为模 型检核点,检查三维模型精度,最终检查结果为: X 方向平均误差为 0.0069 m,Y 方向平均误差为 0.0045 m,达到试验精度要求。

人员配备:航飞小组3人、像控测量及检测小组4人、内业数据处理小组2人。

( 2) 测图成果精度验证。选取建( 构) 筑、道路、附属设施等地物要素,采用 GNSS RTK 测量方法 实地采集检查点坐标,与测图成果进行比较,经符合 要求的粗差剔除后,最终检查结果为: 平面中误差为 ±0.0654 m,成果满足《CH /T 9008.1—2010 基础地理信息数字成果1:500、1:1000、1:2000 数字线 划图》中 1:500 地形图精度要求。 

设备投入:无人机系统1套, 车辆2辆,RTK2套、全站仪2套、手持测距仪2台、图形工作站5台。测试实施计划见表3。

固定翼无人机优于2cm倾斜摄影测量系统用于1:500地形及地籍测量消费级无人机1:500倾斜摄影三维测图的技术流程(图18)

03结 语

本文试验采用消费级无人机倾斜摄影测量技术,充分利用了倾斜摄影技术的自动化空中三角测量与快速建模优势,短时间内生产出高质量、高精度三维模型,并以此为基础进行了1:500 地形图测量工作,技术路线可行,产品精度符合相关标准规范要求。此方法改变了以往测图技术方法,将全野外工作转变为主要内业加部分外业调绘,大大减少野外工作量,数据采集更自主、更高效。实景三维测图技术整体效率预期优于传统测绘方式,特别是采用价格低廉、操控简便的消费无人机作为影像数据采集平台,具有推广普及意义。

2.4 像控点测量

文章转载于测绘通报原标题:基于消费级无人机倾斜影像的三维测图技术探讨作者:吴献文 张鹏 曾琳本文仅限行业学习交流之用,版权、著作权归原载平台及作者所有如有侵权请告知删除

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固定翼无人机优于2cm倾斜摄影测量系统用于1:500地形及地籍测量消费级无人机1:500倾斜摄影三维测图的技术流程(图19)

像控点布设原则是:

①最小外业工作量;

②最小外业工作强度;

③不均匀布设,充分测试极限状况。

测试区域7.5km2 区域仅稀少布设10个像控点,且未按照航空摄影测量规范布设,未沿道路不均匀布设,以减少外业工作强度,并在在测试区南部留有2km2 没有布设像控点区域,用于测试极限状态 下航测精度。像控点分布如图5所示。

固定翼无人机优于2cm倾斜摄影测量系统用于1:500地形及地籍测量消费级无人机1:500倾斜摄影三维测图的技术流程(图20)

图5 像控点分布

像控点使用3台中海达V30RTK 接收机,采用 HI-CORS测量 方式进行观测,每个点共测量3个测回。每个测回设定10次观测值取其平均数。测回平面 X/Y 方向较差小于2cm、高程测回较差小于3cm。

仪器标称精度为5mm+1×10-6×D。每一时段同步观测卫星有效颗数均大于4颗,有效观测卫星总数均大于6颗,卫星数据采样率为15s,卫星高度角均大于15°,PDOP 值小于6,各条观测基线的整周模糊度倍率因子在1.5以上,保证了卫星与接收机之间具有较强的图形强度。观测前后使用专用全球定位系统量高尺及普通钢尺,各量取仪器高两次至1mm,各标尺两次量测较差均小于3mm 时分别取中数, 最后两 尺测量较差小于3mm 时取中数作为该站最终站高。

2.5 无人机航拍

测试区航线规划(图6)采用十字对飞方式布设,航高260m,倾斜摄影角度45°,航向重叠65%,旁向重叠度60%,飞行速度100(km·h-1)。航飞时间为第一架次 10:30:00—14:10:00;第二架次10:30:00—12:00:00,飞行时最大风力6级,气象条件一般。

固定翼无人机优于2cm倾斜摄影测量系统用于1:500地形及地籍测量消费级无人机1:500倾斜摄影三维测图的技术流程(图21)

图6 航线规划图

航测像机采样的飞思IXU-RS1000相机,70mm焦距镜头。①ISO 设置不高于400感光度;②快门速度1/1600;③曝光采用平均测光。像点位移为1.7cm,小于影像地面分辨率2cm。符合 《CH/Z3005—2010 低空数字航空摄影规范》像点位移不高于1个像素要求。

2.6 内业数据处理及成图

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3所示。由于该研究主要检验固定翼无人机优于2cm地面分辨率倾斜摄影系统生产的三维数字地表模型能否用于1:500地形地籍图生产的问题,因此内业数据处理过程、空三计算过程、三维建模及成图过程不作详细论述。

3. 倾斜摄影测量三维数字地表模型测试结果与分析

3.1 三维数字地表模型高程误差测试结果与分析

测试区域高程误差检测点共设置41个,检查点基本均匀分布(图7为高程检查点分布图),能够准确反映航飞区域三维数字地表模型高程成果精度情况。

固定翼无人机优于2cm倾斜摄影测量系统用于1:500地形及地籍测量消费级无人机1:500倾斜摄影三维测图的技术流程(图22)

图7 高程检查点分布图

测试区域三维数字地表模型高程误差绝对值,最小值是0.007m,最大误差是0.229m,高程中误差为0.119m(表4为高程误差统计表)。其中小于0.15m高程误差占检测数据的77%,大于0.15m高程误差占23%。(图8为高程误差分布)

固定翼无人机优于2cm倾斜摄影测量系统用于1:500地形及地籍测量消费级无人机1:500倾斜摄影三维测图的技术流程(图23)

固定翼无人机优于2cm倾斜摄影测量系统用于1:500地形及地籍测量消费级无人机1:500倾斜摄影三维测图的技术流程(图24)

图8 高程误差分布

对三维数字地表模型高程误差区域进行分析,分析结果如图9,图中浅色区域高程误差小于0.15m,深色区域高程误差0.15~0.228m。图中基本反映像控点对高程误差的控制及影响作用。南部误差 值最大的点位于最南部位置,是离像控点最远的一个点。北部深色区域为远离像控点及无清晰纹理, 有大面积浅水的滩涂位置。

固定翼无人机优于2cm倾斜摄影测量系统用于1:500地形及地籍测量消费级无人机1:500倾斜摄影三维测图的技术流程(图25)

图9 高程误差分布的区域分析图

分析结果表现出该倾斜摄影测量系统三维数字地表模型在像控点外扩区域有很好的精度稳定性和规律性,精度衰减小。在水域边缘及滩涂部分仍需加密像控,以保证成果精度。

3.2 三维模型平面误差测试结果与分析

三维数字地表模型平面绝对误差检查,主要选择测试区域中,3个房屋集中的村落利用全站仪检测、道路等清晰纹理位置利用 RTK打点检查。平面误差打点检查共96个点,剔除粗差和航拍遮挡点共12个,采用84个点,剔除率为12.5%。计算得到平面中误差为0.048m。表5为平面误差统计表,平面误差分布情况见图10, 也表现出控制点包围区域精度要高于没有包围域的规律,精度分布均匀。粗差及高于5cm的误差主要由于三维数字地表模型拉 花及航拍遮挡造成,模型清晰明显点精度均在5cm以内。

固定翼无人机优于2cm倾斜摄影测量系统用于1:500地形及地籍测量消费级无人机1:500倾斜摄影三维测图的技术流程(图26)

固定翼无人机优于2cm倾斜摄影测量系统用于1:500地形及地籍测量消费级无人机1:500倾斜摄影三维测图的技术流程(图27)

图10 平面误差分布

三维数字地表模型相对精度采样明显地物间距丈量方式,丈量边精度检查共量取33条边长,剔除粗差共3条边, 采用30条边, 剔除率为9.0%。计算得到边长中误差为0.047m。表6为边长误差统计表,三维数字地表模型量边误差分布如图11,误差小于10cm占93%,可以看出精度分布均匀。影响测量精度的主要原因是三维数字地表模型拉花以及航拍遮挡。

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