傾斜攝影測量技術(shù)在港口條帶狀地形中的應(yīng)用研究

王 頔，王 朝，亢保軍

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300220）

引言

近年來，傾斜攝影測量技術(shù)逐漸發(fā)展成為了地形測量的主流技術(shù)，該技術(shù)通過無人機搭載多個鏡頭相機，采集多個視角的地物影像數(shù)據(jù)，獲取地物頂部及側(cè)面高分辨率紋理信息，通過空三解算和建模方法，構(gòu)建實景三維模型。朱征等[1]以傾斜攝影測量技術(shù)對白格堰塞區(qū)復(fù)雜環(huán)境進行了三維數(shù)字模型重建，講解了無人機數(shù)據(jù)采集的步驟要點。毛清政[2]對傾斜攝影測量中影響模型精度的像控點數(shù)量展開探討。曲林等[3]在數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上講解了實景三維建模的方法，并對其應(yīng)用領(lǐng)域進行了探討。羅萬波[4]通過對泉州地區(qū)進行三維建模，提出了生產(chǎn)三維實景模型的方案，并探討了大規(guī)模實景三維模型的數(shù)據(jù)管理方法和基于表面約束水面重建的解決方案。隨著該技術(shù)的發(fā)展，傾斜攝影測量技術(shù)也逐漸應(yīng)用于水運行業(yè)，但由于港區(qū)地形多為涉水區(qū)域，尤其是條帶狀的地形如延伸出去的防波堤，LNG 碼頭等紋理信息較弱，難以通過空三解算形成三維實景模型，因此本文針對港口地區(qū)條帶狀地形進行對比研究。

1 研究內(nèi)容與流程

本次研究共分為四個方面的內(nèi)容，通過選取已有項目中條帶狀地物，對比分析其技術(shù)方案的設(shè)計，像控點的布設(shè)方案、空三解算精度及模型精細程度四個方面，尋找適用于港口地區(qū)條帶狀地物的傾斜攝影測量采集方法，技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 技術(shù)路線

2 研究區(qū)域概況

本次研究共選取已有項目具有代表性的三個常見的港區(qū)條帶狀區(qū)域開展本次研究工作，三個研究區(qū)均大面積涉水，且存在大面積弱紋理信息特征地形，以此開展傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用研究十分具有代表性，如圖2 所示。研究區(qū)1 為常見延伸入海的碼頭類型，長約1 000 m，寬約20 m 的弱紋理道路，兩側(cè)均為海水，延伸區(qū)域長約220 m，寬約70 m，四面環(huán)水；研究區(qū)2 為港區(qū)常見的防波堤類型，該區(qū)域長約1 400 m，寬約17 m，為扭王字塊堆積而成，兩側(cè)隨海水漲落潮顯現(xiàn)，人員行走困難且難以尋找平面位置進行像控點布設(shè)。研究區(qū)3 為近港口的倒L 型碼頭，四面環(huán)水，且有架空管道及各種附屬設(shè)施，離岸長約140 m，寬約30 m，南北向長約340 m，寬約20 m。

圖2 研究區(qū)域示意

3 對比分析

3.1 技術(shù)方案的設(shè)計

本次開展的相關(guān)研究均使用大疆M600pro 六旋翼無人機搭載睿鉑RIY-D2Pros 五鏡頭相機進行數(shù)據(jù)采集工作。研究區(qū)1 設(shè)置南北向沿長邊飛行，飛行高度90 m，飛行范圍由于大橋為路面無高大建筑未外擴航高，東西向延伸區(qū)域由于存在高達建筑單獨外擴航高90 m，地面分辨率1.6 cm，航向重疊率80 %，旁向重疊率83 %，共飛行2 個架次。研究區(qū)2 設(shè)置垂直于長邊飛行，飛行高度120 m，為保證地面高大建筑物的側(cè)面紋理，飛行范圍外擴航高120 m，地面分辨率2.1 cm，航向重疊率80 %，旁向重疊率83 %，共飛行1 個架次。研究區(qū)3 設(shè)置沿防波堤長邊方向飛行，飛行高度60 m，由于防波堤地面起伏不大，所以未外擴航高，地面分辨率1.1 cm，航向重疊率80 %，旁向重疊率83 %，共飛行3 個架次。

3.2 像控點的布設(shè)方案

研究區(qū)1 考慮到該區(qū)域長度達到了1 000 m，且橋面均為路面，紋理較少難以識別，為確保模型精度，采用成對布設(shè)的方式布設(shè)像控點，每間隔約250 m 布設(shè)一對像控點，共計布設(shè)像控點13 個，像控點分布如圖3（a）所示。研究區(qū)2 由于防波堤區(qū)域較難找到平面位置，且防波堤中間高兩邊低的形態(tài)分布，采用單點布設(shè)的方式布設(shè)像控點，每間隔約260 m 布設(shè)一個像控點，共計布設(shè)像控點6 個，像控點分布如圖3（b）所示。研究區(qū)3 由于測區(qū)面積較小，采用四個角點的方式布設(shè)像控點，共計布設(shè)像控點4 個，像控點分布如圖3（c）所示。

圖3 像控點分布

3.3 空三解算精度

將采集數(shù)據(jù)導(dǎo)入Smart3D 軟件進行空中三角測量，通過使用原始POS 數(shù)據(jù)做剛體變換進行初步空三計算，提取特征點，進行同名點匹配、迭代平差、畸變矯正獲取外方位元素，然后根據(jù)初步空三成果進行控制點刺點，使用控制點進行平差計算，直至空三結(jié)果正確且精度滿足規(guī)范要求，通過空三解算結(jié)果生成實景三維模型。為實際檢驗實景三維模型建模精度，通過研究區(qū)采集的均勻分布的檢核點進行精度檢核，在三維模型中刺出檢核點位置，最后將檢核點影像刺點坐標與實測坐標進行對比。經(jīng)統(tǒng)計研究區(qū)1，平面中誤差0.018 m，高程0.020 m；研究區(qū)2，平面中誤差0.034 m，高程0.018 m；研究區(qū)3，平面中誤差0.066 m，高程0.010 m。

3.4 模型精細程度

綜合對比三個研究區(qū)的實景三維模型，通過觀察模型是否有扭曲變形、漏洞、飛點等問題判斷模型的精細程度，經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)研究區(qū)2 實景三維模型精細度最好，防波堤無任何扭曲變形及破洞現(xiàn)象。研究區(qū)1 及研究區(qū)3 的三維實景模型效果均完整較好，但存在局部輕微扭曲變形，如鏤空的設(shè)施（如鏤空鐵門、信號塔、輸油臂等）存在局部空洞使用單一顏色補充現(xiàn)象。

1）研究區(qū)1 的整體實景三維模型完好，大橋橋面連接真實平整，但由于橋面區(qū)域未外擴航高，底部橋墩區(qū)域未露出，需后期單體化修模進行補充；模型中的高大建筑完整真實，房角線平直無錯位，但鏤空的設(shè)施如房頂?shù)男盘査?、柵欄型鐵門則顯示存在部分缺失，可移動的龍門吊考慮移動作業(yè)的原因存在小型局部破洞（已進行單一顏色補充），如圖4 所示。

圖4 研究區(qū)1 三維實景模型局部放大

2）研究區(qū)2 的整體實景三維模型完好，整條防波堤顯示完整，連接無扭曲變形、破洞現(xiàn)象，各個扭王字塊顯示真實，無扭曲變形現(xiàn)象，如圖5 所示。

3）研究區(qū)3 的整體實景三維模型完好，長條形路面及管線架顯示真實完整，路面平整、標線完整，管線架顯示完好，各管道線路清晰，連接無扭曲錯位。高大鏤空的設(shè)施設(shè)備如輸油臂存在小型局部破洞（以進行單一顏色補充），如圖6 所示。

圖6 研究區(qū)3 三維實景模型局部放大

4 小結(jié)

本次研究選取了港口具有代表性的三塊條帶狀區(qū)域作為研究區(qū)開展本次對比研究工作，分別從技術(shù)方案的設(shè)計，像控點的布設(shè)方案、空三解算精度及模型精細程度四個方面進行對比分析，尋求適用于港口條帶狀區(qū)域數(shù)據(jù)采集方法。通過上文四個部分的對比分析，發(fā)現(xiàn)以下幾點操作可顯著提高空中三角測量通過度及模型精度：

1）飛行條帶狀區(qū)域時應(yīng)適當降低飛行高度，保證每張圖片中的地形數(shù)據(jù)占據(jù)1/3 以上，避免水體過多。

2）若沿長邊飛行，適當提高旁向重疊度，保證測繪區(qū)域覆蓋多條航線，若條件允許的情況下垂直于長邊飛行效果更好。

3）像控點布設(shè)時成對布設(shè)模式可提高空中三角測量通過度，且模型精度更高。

5 結(jié)語

通過傾斜攝影測量技術(shù)對港區(qū)條帶狀特征的三塊研究區(qū)域進行了對比研究，總結(jié)出適用于大范圍水域中條帶狀地形的數(shù)據(jù)采集方法，具備較強的實操性，可得到高精度的實景三維模型，為類似的傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用場景提供新的解決思路和參考借鑒。

本文的研究數(shù)據(jù)均為具體項目實施過程中所采集和處理的實景三維模型，所采用的技術(shù)方法也以滿足工程要求為主要目的，未進行針對性的固定航高、固定航線方向、固定像控點數(shù)量或間隔等單一因子的分析研究，故所得結(jié)論僅為針對已有研究成果做出的總結(jié)，在今后的工程應(yīng)用中還需經(jīng)過進一步的實踐檢驗。