水庫建設(shè)無人機(jī)真正射影像制作與關(guān)鍵技術(shù)分析

張巧巧

(遵義水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴州 遵義 563000)

1 引言

隨著無人機(jī)航測技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的正射影像已不能滿足水利水電實(shí)際運(yùn)用的需求，例如水庫建設(shè)、城市防洪排澇、城市河道治理等項(xiàng)目均有高架橋、高層建筑物等高落差地物。生產(chǎn)項(xiàng)目中建筑物密集的區(qū)域不斷增多，雙重映射、糾正變形等問題使傳統(tǒng)正射影像的應(yīng)用面臨諸多困難。由于傳統(tǒng)的正射影像都是基于DEM生產(chǎn)的，只考慮地面地形而沒有顧及地面上建筑物、樹木等具有自身高度地物的影響，尤其是面對高落差建筑物時(shí)，影像上就會出現(xiàn)其輪廓偏離正確位置并遮擋壓蓋其它地物的情況，嚴(yán)重降低了正射影像圖的質(zhì)量，最終造成正射影像與矢量圖疊加困難。真正射影像圖是真正意義上確保影像處處均為垂直的正射投影圖，能完全糾正地物的位置。本文旨在探討分析影響真正射影像制作的關(guān)鍵因素并結(jié)合水庫項(xiàng)目特殊地物實(shí)現(xiàn)真正射影像的生產(chǎn)。

2 項(xiàng)目應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目概況

清沙河水庫位于貴陽市息烽縣永靖鎮(zhèn)，所在河流為長江流域?yàn)踅迪⒎楹又Я髑迳澈?。清沙河發(fā)源于息烽縣永靖鎮(zhèn)新籮村小關(guān)沖，河流由南向北經(jīng)倉邊、新籮、陽朗壩等地，在梅家橋匯入息烽河。清沙河水庫正常蓄水位1230.50 m，正常蓄水位以下庫容290.5萬m3，總庫容361.0萬m3。根據(jù)《水利水電樞紐工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252-2000)的規(guī)定：水庫總庫容在(0.1～0.01)×108m3之間，為小(1)型水庫；本工程水庫總庫容為361萬m3，為小(1)型，工程等別為Ⅳ等。測繪成果要求包括水庫壩址及庫區(qū)地形圖、水庫壩址及庫區(qū)真正射影像圖、水庫壩址及庫區(qū)三維瀏覽模型。

鑒于清沙河水庫項(xiàng)目測區(qū)范圍內(nèi)，擁有較多居民建筑物、鐵路及高鐵高架橋等特殊地物，傳統(tǒng)正射影像無法滿足實(shí)際規(guī)劃設(shè)計(jì)需求，尤其是測區(qū)中的高鐵高架橋，容易出現(xiàn)錯位的現(xiàn)象；并且居民房屋、圍墻等出現(xiàn)扭曲、壓蓋其他地物的情況。真正射影像的生產(chǎn)已是輔助規(guī)劃設(shè)計(jì)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)資料，該影像所有地物均可與矢量圖完全套合，判讀性強(qiáng)，精度高。水庫測區(qū)情況見圖1。

圖1 清沙河水庫測區(qū)概覽圖

2.2 真正射影像理論概述

真正射影像(TDOM)是利用數(shù)字表面模型(DSM),采用數(shù)字微分糾正技術(shù)，消除投影差，使地形與地物均被糾正到正確的平面位置，并對地物造成的遮擋與陰影進(jìn)行有效的檢測與恢復(fù)，改正原始影像的幾何變形，TDOM是對整個(gè)區(qū)域進(jìn)行影像重采樣后,使影像視角被糾正為垂直視角而形成的影像圖。

傳統(tǒng)DOM特點(diǎn)如下：①基于DEM來糾正；②傾斜且有側(cè)面影像的建筑物；③高層建筑物引起的遮蔽現(xiàn)象；④鑲嵌拼接引起的地物錯位、變形等。

真正射TDOM特點(diǎn)如下：①基于DSM來糾正；②建筑物完全垂直，圖片上的任一物體都是垂直其方向往下看的效果；③無遮蔽、錯位等現(xiàn)象。

傳統(tǒng)正射影像由于走拼接線的影響，如果拼接線在某些建筑物上穿過、交匯等就會出現(xiàn)建筑物的錯位和變形，所以傳統(tǒng)的生產(chǎn)一般都會經(jīng)過后期拼接線處理繞開建筑物，但是仍然會出現(xiàn)建筑物壓蓋其它地物的現(xiàn)象，顯示的是建筑物側(cè)面的影像。而真正射影像圖能確保影像處處均為垂直的正射投影圖，能完全糾正地物的位置，見圖2～圖3。

圖2 傳統(tǒng)正射影像圖及拼接線

圖3 真正射影像圖

2.3 影像重疊度

原始影像數(shù)據(jù)的重疊度是影響真正射影像質(zhì)量的重要因素。真正射影像的生產(chǎn)必須以高精度的DSM為基礎(chǔ)，減少角度因素對DSM精度的影響，航向重疊度和旁向重疊度要求分別至少達(dá)到68%和75%，原則上要求基高比(B/H)小于0.3外，還要保證在航向和旁向分別至少有3度重疊，符合這些條件才能夠生產(chǎn)出符合質(zhì)量要求的真正射影像。

更多的立體模型無疑是軟件匹配獲取高質(zhì)量DSM的前提條件，更多角度的模型可以有助于細(xì)節(jié)的判讀，尤其是要保證建筑物頂部輪廓的重疊度，但是當(dāng)影像的重疊度達(dá)到了一定的時(shí)候，再增加重疊度對于影像質(zhì)量的提高沒有明顯的效果，所以保證75%左右的重疊度是必要的，也是相對比較有效的。

2.4 點(diǎn)云質(zhì)量

點(diǎn)云質(zhì)量的高低直觀體現(xiàn)了真正射影像的優(yōu)劣，影像的重疊度也是為了保證內(nèi)業(yè)處理時(shí)能保證點(diǎn)云提取的質(zhì)量，因?yàn)樗腔贒SM的糾正，點(diǎn)云的密度越高，產(chǎn)生的點(diǎn)越多，那么得到的細(xì)節(jié)也就越多。

例如一個(gè)房屋的屋頂?shù)狞c(diǎn)云能完全符合其實(shí)際輪廓，點(diǎn)云在屋面上平整，邊緣清晰，那么真正射影像就能保證清晰無變形；若房屋輪廓點(diǎn)云有錯位、拉花、褶皺等，那么最終的真正射影像也會出現(xiàn)相應(yīng)的錯位、拉花、褶皺等。所以內(nèi)業(yè)處理不能只追求處理最快的參數(shù)設(shè)置，而是要采用保證點(diǎn)云提取質(zhì)量的參數(shù)設(shè)置，當(dāng)然也沒必要所有的選項(xiàng)都是按照最高的標(biāo)準(zhǔn)，這樣也會嚴(yán)重影響處理的速度。

2.5 真正射影像的制作流程

目前無人機(jī)航測處理軟件有很多，技術(shù)也趨于成熟，可選擇性很高。常用的生產(chǎn)真正射影像的無人機(jī)軟件有Inpho、Pix4D等，以下是結(jié)合軟件生產(chǎn)給出的制作流程見圖4。

圖4 真正射影像制作流程圖

3 水庫真正射影像成果展示與關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 水庫真正射影像成果展示

水庫真正射影像圖成果要求滿足1∶1000用途需求，影像分辨率10 cm。經(jīng)檢查地物沒有出現(xiàn)地物錯位、遮擋、扭曲、變形等問題，與地形矢量圖套完全套合，完全滿足規(guī)劃設(shè)計(jì)用圖要求，見圖5。

圖5 水庫真正射影像成果圖

3.2 水庫傳統(tǒng)正射影像與真正射影像細(xì)節(jié)對比

水庫庫區(qū)高鐵高架橋由于和地面存在較高落差，導(dǎo)致傳統(tǒng)正射影像高架橋出現(xiàn)錯位現(xiàn)象，與實(shí)際地物存在較大偏移誤差，嚴(yán)重影響影像圖正常使用與判讀。然而真正射影像圖則沒有出現(xiàn)該現(xiàn)象，成果質(zhì)量符合實(shí)際情況，見圖6～圖7。

圖6 傳統(tǒng)正射影像水庫庫區(qū)高架橋出現(xiàn)錯位

3.3 不同重疊度的試驗(yàn)分析

這次水庫生產(chǎn)任務(wù)同時(shí)進(jìn)行不同重疊度的試驗(yàn)分析，航測成果質(zhì)量關(guān)鍵的因素仍是外業(yè)獲取的影像數(shù)據(jù)的質(zhì)量，高質(zhì)量的影像數(shù)據(jù)即對應(yīng)高精度的內(nèi)業(yè)成果。因?yàn)楫?dāng)前高智能化的軟件處理方式和先進(jìn)的計(jì)算算法，根本不需要太多的人機(jī)交互操作，所以關(guān)鍵仍在于外業(yè)數(shù)據(jù)。在真正射影像制作中，影像的重疊度無疑是首要控制的因素，接下來我們就針對不同的重疊度，旁向重疊和航向重疊分別在6060,7080,8080三種不同情況下真正射影像的對比情況，見圖8～圖11，很明顯傳統(tǒng)正射影像和重疊度6060真正射影像屋頂邊緣有拉花、變形的現(xiàn)象，重疊度7080,8080則質(zhì)量良好。

圖8 傳統(tǒng)正射影像

圖10 真正射影像(7080)

3.4 內(nèi)業(yè)點(diǎn)云精度的對比分析

由于該水庫地形地物較為單一，沒有超高層建筑物，所以點(diǎn)云質(zhì)量對真正射影像的影響無法在高架橋上明顯的體現(xiàn)。其實(shí)在真正射影像制作生產(chǎn)過程中，影像數(shù)據(jù)的重疊度保證了內(nèi)業(yè)點(diǎn)云提取的質(zhì)量，減少了角度因素對DSM的影響。下面以某高層數(shù)據(jù)進(jìn)行更深一步的分析，對以后在水利建設(shè)區(qū)域可能出現(xiàn)的高落差建筑物時(shí)的一種生產(chǎn)方式。圖12中30層的高樓頂邊緣仍有鋸齒、拉花現(xiàn)象出現(xiàn)，圖13和圖14就是其對應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)及模型，可以明顯看到建筑物側(cè)面有大量飛點(diǎn)，產(chǎn)生的模型邊緣就不規(guī)整；圖15中的房屋邊緣很規(guī)整，成果質(zhì)量良好，圖16和圖17則是對應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)及模型，可以直觀的看到房屋側(cè)面基本沒有飛點(diǎn)，模型邊緣規(guī)整。對比結(jié)果是：高質(zhì)量的點(diǎn)云決定了高質(zhì)量的真正射影像，然而變形、拉花的點(diǎn)云則對應(yīng)低質(zhì)量的影像。

圖12 樓頂邊緣有拉花重影

圖14 邊緣輪廓線有褶皺

圖16 建筑物側(cè)面無飛點(diǎn)

4 結(jié)語

本文旨在探討分析影響真正射影像制作的關(guān)鍵因素并結(jié)合軟件實(shí)現(xiàn)擁有特殊地物高鐵高架橋的水庫項(xiàng)目真正射影像的生產(chǎn)，通過該試驗(yàn)得到如下結(jié)論：

(1)真正射影像相對于傳統(tǒng)正射有著明顯的優(yōu)勢，能有效解決地面地物的錯位、拉花等現(xiàn)象，更有助于實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)用；一般的水利建設(shè)項(xiàng)目均能快速有效的生產(chǎn)真正射影響成果圖。

(2)外業(yè)航飛質(zhì)量是保證真正射影像生產(chǎn)的首要條件，直接決定了點(diǎn)云提取的質(zhì)量。

(3)高密度、高質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是獲取高質(zhì)量真正射影像的關(guān)鍵，是成果最直觀的體現(xiàn)。

但是在本次試驗(yàn)中也存在不足：

(1)本文側(cè)重在于真正射影像生產(chǎn)因素的探討，沒有結(jié)合控制點(diǎn)、免像控后差分?jǐn)?shù)據(jù)等多方式的相關(guān)實(shí)測數(shù)據(jù)對真正射影像進(jìn)行精度評定。

(2)目前某些河道項(xiàng)目位于城區(qū)，為避免地物壓蓋河道、道路的情況，對于城區(qū)超高層建筑物的屋頂在相應(yīng)的地面重疊度下會有所降低，若地面75左右的重疊度，樓頂會低于這個(gè)重疊度，是否有必要對超高建筑物進(jìn)行補(bǔ)拍，補(bǔ)拍效果如何沒有進(jìn)行試驗(yàn)；并且對于復(fù)雜輪廓的超高層建筑物自動化提取的點(diǎn)云很難達(dá)到規(guī)整的水平，邊緣都有細(xì)微的拉花，還有待試驗(yàn)解決。