大疆P4RTK倾斜摄影测量1:500测图方法及精度研究基于Smart3D的低空无人机倾斜摄影实景三维建模研究(图1)

大疆P4RTK倾斜摄影测量1:500测图方法及精度研究基于Smart3D的低空无人机倾斜摄影实景三维建模研究(图2)




摘要:针对多镜头测绘级无人机价格昂贵、技术门槛较高的问题,本文提出利用消费级无人机获取的倾斜影像制作大比例尺地形图的方法。该方法运用消费级单镜头无人机,在RTK(real-timekinematic)辅助的前提下,采用低空飞行、井字形航线设计、高重叠率的作业方案,配以高精度像控点、立体测图方法改进,从而实现大比例尺数字测图。以莆田市农村地籍与房屋调查工程为实践,对该方法的精度进行了分析,结果表明,该方法精度完全能够满足1:500数字地形图测绘的需要,且作业效率高。

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关键词:消费级单镜头无人机;倾斜摄影测量;大比例尺测图;精度分析



随着数字测图的人工成本不断攀升和小型旋翼无人机的快速发展,基于倾斜三维模型的立体测图方法受到各个测绘单位的欢迎。采用单镜头相机进行高精度的无人机倾斜摄影测量,将在小范围大比例尺地形图修补测、城市三维建模、超高层建筑竣工测量、“多测合一”二、三维校核等领域发挥重要作用。

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大疆P4RTK倾斜摄影测量1:500测图方法及精度研究基于Smart3D的低空无人机倾斜摄影实景三维建模研究(图3)

1引言

本文基于莆田市农村地籍与房屋调查工程,探讨了使用消费级、单镜头、低成本无人机进行倾斜摄影测量制作大比例尺地形图的相关技术,并通过改进相关作业方法,提高数字测图工作效率,保证测图精度,降低无人机倾斜摄影测量的应用门槛。

01影像数据获取

研究区位于福建省第三大岛南日岛,全岛面积52km²,海岸线总长66.4km。岛上全年4级风以上时间达300d以上,为消费级无人机的航摄增加了较大困难;但岛内房屋错落有致,植被稀疏,为倾斜摄影测量提供了有利条件。

随着无人机技术的快速发展及民用化程度不断 提高,无人机相关应用领域的技术研究也在不断拓展。低空无人机测绘就是近些年来快速发展的一个较为活跃的研究领域。无人机作为一个方便、高效和低成本的飞行平台,弥补了传统航测成本高、飞行窗口要求高、生产组织困难等诸多不足。

大疆精灵4RTK版无人机具有RTK导航定位系统、相机微秒级同步、APP航线规划等功能,具备cm级导航定位系统和高性能成像系统,配备千寻位置公司集成的千寻知寸网络RTK模块,有利于弱化姿态控制单元的重要性,减少荷载,提高定位精度。

低空飞行平台搭载多种航摄传感器后可获取地面影像或扫描点云数据,这些数据不仅可以进行正射影像制作、多光谱影像分析和数字线划图生产等传统二维的测绘工作,还可进行快速实景三维建模,并且该种建模方式有着人工干预少、效率高和模型场景逼真度高等诸多优点。

在RTK的辅助下,采用井字形航线设计、低空飞行、高重叠率的作业方案获取影像数据。为了得到与多镜头云台一样的航测成果,单相机倾斜摄影需要更多的航带数和照片数。航线规划涉及地面分辨率、航高、航速、相机倾角、重叠度等。对于单镜头无人机,常用的飞行方案为多架次“之”字形方案,即在航向规划软件中依架次设置不同的航线角度、相机倾角,来模拟多镜头的航飞效果。也可采用“井”字形航线,即固定相机倾角不变,采用“井”字形反复飞行的多角度飞行方案,既保证同一地物能被3个以上的不同方向航拍到,又保持相机倾角的稳定。

然而,传统的建模方式需要用到地形图、高程和纹理贴图等大量数据,工作量较大。所以,倾斜摄影实景三维建模方式一经推出就引起了人们的高度重视。近些年来,人们对于该种建模方式做了大量的研究,其重点表现在以下几个方面:

( 1) 数据源获取设备的研制。国外较早研制成功的航摄仪有德国的Penta-DigiCam系统、美国的AOS系统和以色列的A3系统等; 随后,国内相继研发了  SWDC-5[1-2]、AMC580、TOPDC-5、双鱼倾斜相机I代和DM5-2010 系统等。

( 2) 多源数据联合建模。为改善航摄系统的成果缺陷,人们也开始寻找将倾斜数据与其他数据源进行结合来提高建模的精度的方法,如: 2015年宋文平[3]等提出了将倾斜摄影与地面街景进行耦合来提高建模精度和仿真度的方法; 2016 年耿中元[4] 提出了一种基于外部缓冲区和TIN 瓦片金字塔的数据融合新算法来解决倾斜摄影的三维模型与大场景地形相融合问题的方法等。

本文采用如图1所示的“井”字形航线。由于大疆精灵4RTK的单块电池续航时间低于15min,为提高外业采集效率,一般需配备16块电池或6块电池加便携式充电站。在满负荷16架次飞行的情况下,单天可完成1km²的倾斜航摄。研究区面积为0.37km²,实际飞行8个架次,加上起降、换电池的时间损耗,在180min内完成了数据采集工作,共获取照片2836张。

( 3) 建模的技术流程。各国先后出现了很多的影像建模软件,其中比较常用的有 Smart3D、PhotoScan、PhotoMesh、Pix4D 和DP-Smart 等。人们对于这些软件的使用也做了相关的研究。例如: 在2014 年以来,张骥[6]、陈兴芳[7]、张鑫鑫[8]和周杰[9]等采用Smart3D 软件分别对LeicaRCD30、AMC580、A3 和SWDC-5 等航摄仪获取的地面倾斜数据进行实景建模的技术流程做了研究; 2015 年戴竹红[10] 对Smart3D 建模过程做了系统的介绍; 在2016 年,赵宏[11]和刘尚蔚[12]分解就采用PhotoMesh生产智慧城市5D产品的工艺和PhotoScan进行三维实景建模的流程进行了阐述。

( 4) 建模成果的精加工及应用。数据的生产是以应用为目的的,如何对初始建模成果进行有目的的精细加工显得尤为重要。2014年沈大勇等提出了一种空洞的自动提取和重构算法来修补模型空 洞; 2016 年沈大勇[14]研究了对悬浮模型进行检测、提取和剔除等技术对模型成果进行优化;  林晓鸿[15]提出了将小型部件建模应用与室内设计。

由于低空无人机倾斜摄影建模较为广阔的发展前景,这促使人们对该种建模方式作了各类研究。然而,该种建模方式具有数据量大、影像倾角大、摄影死角和模型成果数据量大等一些特点。这就造成了在建模过程中常会出现运算速度慢、空三失败、模型修正困难和数据应用困难等问题。但是,之前类似的研究较少,所以本文将重点对建立Smart3D 工作集群、提高空三成功率、模型修正和成果网络发布等问题作一些探讨。

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图1 航线设计图

1.1 无人机飞行平台

考虑到现场和设备情况,采用低空飞行(设置默认航高为低空80m),在没有高压电塔、风力发电塔或房屋较低矮、密集的区域,将航高降低到70m。顾及地表高低起伏,相对航高一般50多米,局部相对航高只有30多米。航向重叠度80%,旁向重叠度80%,云台俯仰角度-60°,地面分辨率优于2.19cm。

无人机作为一个可搭载多种传感器的飞行平台,在测绘行业一般将其分为多旋翼、固定翼两种。多旋翼无人机具有操作简单、可垂直起降和定点悬停等特点。因此,该类无人机对于起降场地要求不高,常被应用于摄影和城市测绘等行业中,在测绘中常见的有大疆经纬M600、华测P700、南方的天行与天鹰系列和安尔康母的MD4-1000等。固定翼无人机最为显著的特点是航时长和飞行速度快,可以进行长时间、大面积高空作业,作业效率较高。该种无人机常见的有南方的天巡系列、华测的P600和北京天宇创通的TE15 等。因常规固定翼无人机对起降场地和飞行技能要求较高,为弥补其不足,人们将两类飞机的特点相结合开发出了如智能鸟KC3400 和成都纵横CW-1C 等,可以垂直起降的无人机。

1.2 低空无人机倾斜摄影

目前,国内很多公司研发的倾斜云台,基本上都是由中心一个正射角度的相机,周围均匀分布几个具有一定倾斜角度的相机所构成。其中,最为典型的就是五镜头倾斜云台,在工作状态下,中间相机光轴垂直于水平面,四个方向上分别分布一个光轴与水平面成45°角的相机。这就满足了在无人机一次飞行过程中,同时完成同一地物或特征点三张以上不同角度影像的覆盖。由于对同一地物获取的不同角度影像的覆盖度和重叠度越高,其解算的模型越精细,所以,获取实景三维建模数据时,会尽量增加飞行中影像的重叠度。但是,重叠度越高就意味着,增加了额外的工作量; 因此,考虑到效率和飞行器在飞行中的倾斜等问题,一般将航线设置为航向重叠度大于 80%,旁向重叠度大于 60%。

02像控点布设

像控点布设是空中三角测量的基础,其测量精度、布设密度和分布直接影响成果精度。本文按实地间隔100m均匀布设像控点,像控点标志按“L”型布设,在L型标志的外角处打入水泥钉,并以红漆绘出点号,便于后期检测精度,且兼作图根控制点。

2 Smart3D 实景建模

2.1 技术路线

用Smart3D 在进行数据处理之前,需要将获取的航摄和像控测量数据按照规定的格式进行预处理,从而保证数据格式正确和资料完整。预处理后,将数据导入软件进行相应建模处理,其技术路线[16] 如图1 所示。

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图 1 总体技术路线

2.1 方案实施

2.1.1 工程准备

空中三角测量的精度最弱点位于测区边缘,因此要加强测区边角的控制,以改善区域四周的精度。以研究区内的东岱村为例,东岱村房屋密集区面积0.37km²,三面临海。测区内共布设了21个像控点,如图2所示。

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图2 像控点布置图

在工程构建中,所需要的原始数据主要包括足够重叠度的多视角影像数据、POS 数据和像控测量成果( 若有高精度的POS数据,可免像控) 。对于多镜头倾斜云台获取的影像数据,需要根据不同视角的相机进行单独存储,所有数据的命名要具有唯一性且不能出现中文目录。对于一些对成果模型的空间位置没有要求的建模项目,其POS数据和像控数据可以没有。有一点需要注意的是,飞行器直接导出的影像姿态数据常会存在一定的问题,不建议使用。

2.1.1 Smart3D 工作集群建立

每个像控点独立观测3次,在RTK固定解收敛至mm级后开始观测,每次观测历元数30个,采样间隔2s。观测成果平面坐标分量较差均小于3cm,垂直坐标分量较差小于5cm,取中数作为该点测量的最终成果。

03空中三角测量

空中三角测量利用外业采集的影像、像控点成果、POS信息,通过建模获得所有影像的外方位元素,再通过多视影像密集匹配,自动获取高密度三维点云信息。空中三角测量步骤主要分为多视影像密集匹配及自由网空三、像控点判刺、绝对网空三解算等。多视影像密集匹配及自由网空三步骤基于同名特征点信息进行自动匹配解算,基本无需人工干预。

个别情况下,空三结果可能会出现丢片、分层等异常情况,可能是由于气象条件恶劣导致像片抖动剧烈或过曝光、RTK信号失锁、POS数据异常、植被和水系区域弱纹理等。

为了提高数据的处理效率,在建立工程之前就需要先建立Smart3D 工作集群。工作集群的建立分为3 步: ①集群电脑连接入同一局域网; ②共享主机电脑中存放工程数据和位置的盘,并修改盘符M( 该盘符,不能与集群中其他电脑的盘符相同) ; ③在其他电脑中建立相应的M 盘的映射,并通过ContextCapture Settings 修改工作引擎的工作目录。接着,便可在M 盘中新建Smart3D 工程,创建Block,并在其中加载影像数据、POS  数据和像控数据。

本文空中三角测量采用ContextCapture软件进行处理。研究区域共判刺21个像控点,密集匹配575965个连接点,连接图如图3所示。

2.1.1 空三加密

大疆P4RTK倾斜摄影测量1:500测图方法及精度研究基于Smart3D的低空无人机倾斜摄影实景三维建模研究(图7)

图3 空三加密网连接点分布图

为了能够将无序的影像在空间中相互对齐并构建与真实状态下相接近的统一的空间模型数码相机资讯,就需要对影像进行空三加密操作。该操作过程是倾斜摄影建模的核心步骤,其内部处理流程如图2 所示。当空三加密完成之后,其结算成果会在3D View 中进行可视化的显示,也可以将空三后的成果直接导出成XML 格式进行查看,如图3 所示。

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图 2 空三加密过程

为比较不同像控点密度对空三精度的影响,将21个像控点均匀抽稀到8个,得到两种像控点密度下的空三控制点精度(表1),可以看出像控点减少,空三精度下降。

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图 3 空三加密成果可视化

2.1.1 像控点加密

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像控点加密主要有3 个作用: ①有利于空三加密过程中影像匹配的速度和精度; ②对空中三角测量成果进行控制加密; ③可以对建模成果起到坐标转换的作用。对于后者,需要在软件中预先具有像控点的投影文件,若没有的话要提前创建或导入。需要注意的是,像控刺点完成之后需再进行一次成功的空三加密处理。

2.1.1 模型构建

04三维建模

三维自动建模基于高密度点云构建不规则三角网,对不规则三角网进行自动纹理映射,生成基于真实影像纹理的三维实景模型。生成的模型包含了高密度点云、不规则三角网、真实影像纹理3种信息。生成的倾斜三维模型成果的精度直接决定了最终成图的精度。因此,需要对模型的内符合精度进行检验。如图4所示,对同一个房角点在不同高度取点对比得到ΔX=0.02m,ΔY=0.01m。类似的,在测区内随机选择30栋混房的角点,分别在同一墙体角点的不同高度取两点,得到如图5所示的点位误差分布图,根据大疆P4RTK倾斜摄影测量1:500测图方法及精度研究基于Smart3D的低空无人机倾斜摄影实景三维建模研究(图11)计算得到内符合精度为±0.034m,其中,Δs表示测量误差。

在进行该步骤之前,软件会根据计算机的性能将建模项目分割成若干个瓦片进行单独的重建。这样既解决了计算机性能的不足也可以便于集群运算的任务分配。

大疆P4RTK倾斜摄影测量1:500测图方法及精度研究基于Smart3D的低空无人机倾斜摄影实景三维建模研究(图12)

a                                        b

图4 同一房角点平面坐标差异分析

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图5 三维模型内符合精度图

05立体测图

基于倾斜三维模型进行的立体测图也称“裸眼测图”。采用人机交互的方式直接从倾斜三维模型上获取特征点坐标,更直观、更快捷。绘图者不需要长时间的专业培训,即可快速上手,因此受到了各测绘单位的欢迎。目前,常用的立体测图的软件有武汉天际航公司的DPmodeler软件系统、北京清华山维的EPS软件系统等。

为进一步节省倾斜摄影测量的成本,降低立体测图的门槛,提高立体测图效率,且充分考虑不同区域房屋构造不同的特性,开发了基于AutoCAD的立体测图插件。该插件利用WindowsAPI函数,捕获并锁定“Acute3D窗口选点”和“CASS窗口绘图”两个窗口,通过两个窗口间的信息交互来进行立体测图。即实时将Acute3D测量窗口中显示的点位坐标信息同步展绘到CASS中。利用该插件,考虑到房屋自身的直角、对称、镜像等特点,可以充分利用AutoCAD的构造线、垂线、延长线等工具进行辅助绘图。针对模型上房角点变形的问题,分别在房角点以及房角点所在的墙面取点,并兼顾房屋平行于相邻的房屋、加固坎、围墙、马路等特点,绘制构造线进行印证,交会出最理想的房角点位置。开发的插件与CASS原有的各工具按钮、快捷命令完全不冲突,使用方便。图6为自主研发的立体测图。

大疆P4RTK倾斜摄影测量1:500测图方法及精度研究基于Smart3D的低空无人机倾斜摄影实景三维建模研究(图14)

图6 自主研发的立体测图插件

模型构建是依次按照密集点云生成、Tin 模型构建和纹理自动映射三个步骤来完成的。根据空中三角测量运算出的影像外方位元素,通过多视影像密集匹配可获得高密度的数字点云。密集点云数据量较大,需要先将数据分块后再进行不同层次细节度下的TIN 模型构建[17]; 再根据三角网所构成曲面的曲度变化对TIN 模型数据进行简化。将优化后的TIN 模型和纹理影像进行配准和贴图,且同时为带纹理的模型建立多细节、多层次的 LOD,便于对文件的组织结构进行优化,提高模型分层次浏览的效率。经过一系列处理之后可获得如图4 所示的三维场景模型。

06测图精度分析

为了验证消费级无人机获取倾斜影像制作大比例尺地形图的精度,将试验区域内全站仪实测检查点坐标与立体测图成果同名点平面坐标进行比较,差值见表2。由表2可知点位精度为0.042m。

大疆P4RTK倾斜摄影测量1:500测图方法及精度研究基于Smart3D的低空无人机倾斜摄影实景三维建模研究(图15)

图 4 场景模型视图

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3 Smart3D 实景建模中存在的问题及建议

3.1 如何提高空三的成功率

为了更加系统、全面地检验精度,在试验区选取了8个村的立体测图成果进行打点检验,如表3所示。由表3可知,采用本文方案及改进措施,能达到农村地籍与房屋调查工程的精度要求。

大疆P4RTK倾斜摄影测量1:500测图方法及精度研究基于Smart3D的低空无人机倾斜摄影实景三维建模研究(图17)

07结束语

本文分析了基于大疆精灵4RTK版无人机的单镜头倾斜摄影测量方法,提出了低空飞行、井字形飞行、较高的重叠度、改进的立体测图方法等方案。以莆田市南日岛8个村为试验区域,结果证明,该方案可以满足地籍图测绘的精度要求。本文方法将测图的主要工作从原来的全站仪外业打点转变为室内立体测图,并且整套装备价格低、工作效率高、易于上手,大大缩短了测图人员的培养周期。但该方法超低空飞行受测区房屋高低影响较大,航片数量巨大,像控点密度较高,建模效率不高。

在使用Smart3D 对多视角影像进行空三加密处理时,时常会出现解算不出正确结果的状况。尤其是在数据量大、重叠率低和影像质量差的情况下,常会出现加密点漂移( 如图5) ,从而造成空三加密失败。所以在每次进行完空三加密处理后,都必须进入3D View 观察其解算状况,只有解算成功方可进行下一步。

对于时常出现的空三加密失败的情况,可以采用一些处理方式予以改善。接下来将以5 镜头倾斜云台为例,简述其改善方法( 如图6 所示) 。

大疆P4RTK倾斜摄影测量1:500测图方法及精度研究基于Smart3D的低空无人机倾斜摄影实景三维建模研究(图18)

文章转载于:测绘地理信息

图 5 加密点漂移

原标题:消费级无人机倾斜摄影测量1:500测图方法及精度研究

大疆P4RTK倾斜摄影测量1:500测图方法及精度研究基于Smart3D的低空无人机倾斜摄影实景三维建模研究(图19)

作者:许承权 黄小琴 施政

图 6 空三加密处理流程

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3.2 模型的修整

如有侵权请告知删除

- END -

倾斜摄影实景三维建模的成果在俯视角度一般都能获得较好的视觉效果,但受到航摄盲区以及特征点匹配错误等影响,通过Smart3D 软件自动生成的三维模型会产生空洞区域。对于一些对模型质量要求较高的项目,就需要对初步形成的成果进行再加工以修复这些问题。Smart3D 软件提供的模型二次修复流程如下: Smart3D 创建初始模型( 一般为OBJ 格式) →第三方软件模型修整→导入Smart3D 软件进行纹理重新映射。

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DJI P4RTK结合大疆智图(DJI Terra)航拍建模进行1:500地形图采集

大疆P4RTK倾斜摄影测量1:500测图方法及精度研究基于Smart3D的低空无人机倾斜摄影实景三维建模研究(图20)

第三方修模软件自身功能对修复效果影响较大。常用修复软件有: 3DMax、Geomagic、Meshmixer、PhotoMesh 和RealityPaint 等。这些软件不仅可以对模型进行一些细微的修整,还可以对模型中部分区域进行曲面简化( 如图7 所示) 。

大疆P4RTK倾斜摄影测量1:500测图方法及精度研究基于Smart3D的低空无人机倾斜摄影实景三维建模研究(图21)

图 7 Meshmixer 修模前、后的对比图

但是,当模型的变形比较大时对模型简单的修整无法满足要求,就需要对其进行局部重建。采用DP-Modeler 可对Smart3D 生产项目直接导入进行相应的修整和必要重建。

3.2 成果的网络发布

模型场景的浏览、查询和测量服务是实景三维模型成果的一个重要应用,通过对成果及相关服务进行网络发布是实现这些应用的重要途径。

3.3.1 互联网发布

Wish3D 是互联网专用的实景三维模型数据发布工具,支持将OSGB 和OBJ 格式的数据压缩后进行网络上传和发布,并支持计算机端和手机移动端的登录浏览( 如图8 所示) 。除了浏览服务,还可以在该平台中编辑模型注记和设计浏览飞行路线。

大疆P4RTK倾斜摄影测量1:500测图方法及精度研究基于Smart3D的低空无人机倾斜摄影实景三维建模研究(图22)

图 8 Wish3D 移动端模型浏览

3.3.2 局域网发布

对于一些可能涉密的实景三维模型不宜对外公开发布的,就需要在局域网中进行数据的发布。目前专用的局域网数据发布平台基本都需要收费,对成果应用造成一定影响。下面介绍一种在内网中自由发布数据的方法。

场景模型的内网发布,需要满足两个条件: ①在构建模型时选择.3MX 作为模型导出格式且选择其“Web 安全”选项。②在局域网服务器上成功安装Nodejs 网络服务平台。Node. js 是一个基于 Chrome JavaScript   运行时建立的平台,用于方便地搭建响应速度快、易于扩展的网络应用。在此需要注意的是,正常情况下Nodejs  软件安装过程中是需要连外网 的。若要在局域网下安装,必须先找一个联网电脑  将 Nodejs 安装成功( 安装时需配置缓存和全局选项的目录) ; 接着将整个安装目录拷贝到内网服务器,根据联网电脑配置相关选项后即可安装。安装完成  后,通过cmd 进入3MX 数据的存放目录,采用“http- server”命令启动服务( 如图 9 所示) 。

大疆P4RTK倾斜摄影测量1:500测图方法及精度研究基于Smart3D的低空无人机倾斜摄影实景三维建模研究(图23)

图 9 3MX 格式场景模型局域网发布

4结 语

低空无人机倾斜摄影实景三维建模相较于传统的建模方式,有着高效、高度自动化和高场景逼真度等诸多的优点。现已成为了摄影测量学科的一个新的重点发展方向。如今,该项技术已突破了单一数据源的限制,可以加入视频和扫描点云数据进行辅助建模,使建模成果获得了极大的改善,例如: 新版本的Smart3D 软件已加入了融合扫描点云共同建模的接口。

但是,该种建模成果还存在一定的不足: ①对于摄影死角和河流湖泊的建模常会出现空洞; ②模型成果的精度过度依赖于摄影质量,对设备要求很高,以至于作业中无人机无法较高飞行,飞行效率较低;③模型成果的数据量较大,对模型修正和应用都带来了诸多不便。当然,无论是硬件还是软件的不足,随着技术的进步都将会得以解决,该种建模方式是拥有着广阔的前景的。

大疆P4RTK倾斜摄影测量1:500测图方法及精度研究基于Smart3D的低空无人机倾斜摄影实景三维建模研究(图24)

来源:GIS前沿,转自测绘通报(版权归原作者及刊载媒体所有)

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