大落差稀疏像控點(diǎn)傾斜攝影建模及精度評(píng)價(jià)

賀春林，何領(lǐng)軍，薛凱凱，張 釗，胡曉寶，李賈亮

(1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065；2.國(guó)家能源集團(tuán)西藏電力有限公司，拉薩 860019)

0 前 言

隨著中國(guó)水電開(kāi)發(fā)逐漸向西部推進(jìn)，待建類、規(guī)劃類水電工程地理位置偏遠(yuǎn)，自然條件惡劣，基礎(chǔ)設(shè)施落后，交通條件困難，加大了工程測(cè)繪的難度。目前，根據(jù)水利工程建設(shè)選址特點(diǎn)，峽谷地形三維測(cè)繪中，最優(yōu)解決方案為無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)。然而，由于峽谷地形條件的限制，測(cè)繪像控點(diǎn)的布設(shè)具有很多實(shí)質(zhì)性困難，例如：像控點(diǎn)高差和平面分布不均、陡峭區(qū)域無(wú)法布設(shè)等，這些不利因素對(duì)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)提出了新的考驗(yàn)。在基于傾斜攝影測(cè)繪技術(shù)生產(chǎn)三維測(cè)繪產(chǎn)品[3]過(guò)程中，像控點(diǎn)點(diǎn)位分布決定著測(cè)繪產(chǎn)品的精度。鑒于此，本文以中國(guó)新疆地區(qū)某水電站三維測(cè)繪為工程依托，針對(duì)大落差峽谷坡面大面積像控點(diǎn)無(wú)法布設(shè)的情況，采用國(guó)內(nèi)目前較為熱門的傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，通過(guò)邊緣式布點(diǎn)進(jìn)行實(shí)景三維模型構(gòu)建，探索了適合大落差陡峭峽谷區(qū)域三維測(cè)繪的作業(yè)方式，并對(duì)其產(chǎn)品精度進(jìn)行了評(píng)估，驗(yàn)證了方案的可行性。

1 傾斜攝影實(shí)景三維建模

傾斜攝影技術(shù)是21世紀(jì)初發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，它改變了傳統(tǒng)航攝思路，打破了正射影像只能從俯視角度拍攝的局限性。傾斜攝影技術(shù)是通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從1個(gè)垂直、4個(gè)傾斜等5個(gè)不同的角度采集影像，并根據(jù)GPS/IMU系統(tǒng)獲取的POS數(shù)據(jù)及外業(yè)像控點(diǎn)，運(yùn)用相關(guān)軟件平臺(tái)生成4D產(chǎn)品及三維實(shí)景模型等數(shù)據(jù)。實(shí)景三維模型不僅能夠貼合實(shí)際反應(yīng)地物情況和最大程度還原實(shí)地場(chǎng)景，而且還通過(guò)采用先進(jìn)的定位技術(shù)，嵌入精確的地理信息、更豐富的影像信息、更高級(jí)的用戶體驗(yàn)[4-5]。傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展，快速推進(jìn)了三維測(cè)繪產(chǎn)品品質(zhì)的提升，大大降低了實(shí)景三維建模成本。

傾斜攝影實(shí)景三維建模步驟：① 對(duì)傾斜攝影區(qū)域相關(guān)資料搜集和準(zhǔn)備；② 制定傾斜攝影航飛方案并審批；③ 對(duì)傾斜攝影區(qū)域進(jìn)行影像數(shù)據(jù)和地面數(shù)據(jù)采集；④ 運(yùn)用專業(yè)軟件對(duì)影像數(shù)據(jù)做空三加密；⑤ 自動(dòng)化重建三維模型；⑥ 利用外業(yè)控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)對(duì)三維模型成果進(jìn)行精度檢查。傾斜攝影實(shí)景三維建模流程見(jiàn)圖1。

圖1 傾斜攝影實(shí)景三維建模流程

2 案例區(qū)域及數(shù)據(jù)采集

2.1 案例簡(jiǎn)介

本案例為國(guó)內(nèi)某大型水電站開(kāi)發(fā)三維測(cè)繪項(xiàng)目，大壩修建在峽口咽喉位置，谷底海拔1 500.00 m，水利樞紐區(qū)右岸邊坡高度1 200.00 m，峽谷長(zhǎng)度2 km，其中坡面面積3 km2，地勢(shì)崎嶇陡峭，從業(yè)人員根本無(wú)法抵達(dá)指定區(qū)域。本次作業(yè)采用多旋翼無(wú)人機(jī)搭載5鏡頭相機(jī)進(jìn)行傾斜攝影。由于地形條件的限制，像控點(diǎn)只布設(shè)在了高邊坡的頂部和峽谷低高程區(qū)域，其中1 800.00 m至2 700.00 m高程屬于像控點(diǎn)空白區(qū)。外業(yè)完成數(shù)據(jù)采集后,內(nèi)業(yè)利用專業(yè)軟件進(jìn)行實(shí)景三維建模，獲取OSGB、DOM、LAS等格式數(shù)據(jù)，最后利用全站儀采集高邊坡檢查點(diǎn)數(shù)據(jù),對(duì)模型成果精度進(jìn)行檢驗(yàn)。水電站三維效果見(jiàn)圖2。

圖2 水電站三維效果

2.2 設(shè)備選用

在傾斜攝影測(cè)量方面，為了真實(shí)獲取峽谷坡面地形地貌數(shù)據(jù)，首先要保證影像分辨率滿足相關(guān)要求，其次要保證建模的精細(xì)化程度。這樣對(duì)飛行平臺(tái)就有一定的要求，往往需要低空、低速飛行器，而旋翼無(wú)人機(jī)具有操控性強(qiáng)、安全性高、可垂直起降和懸停等優(yōu)勢(shì)，無(wú)疑是傾斜攝影測(cè)量的最佳載體。旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)對(duì)起飛著陸地點(diǎn)要求很低，可垂直起降，且高度智能化，可實(shí)現(xiàn)多姿態(tài)飛行。選用設(shè)備見(jiàn)圖3。

圖3 選用設(shè)備

由于案例區(qū)域落差為1 200 m，多數(shù)起飛平臺(tái)高度受限。經(jīng)調(diào)研，最后選用了KWT-X6L-15型專業(yè)級(jí)六旋翼無(wú)人機(jī)。該機(jī)型輕載下，可實(shí)現(xiàn)75 min續(xù)航時(shí)間，飛行距離大于38 km。相對(duì)爬升高度可達(dá)4 000 m，最大工作海拔高度5 000.00 m。升力充沛，飛控針對(duì)抗風(fēng)做了優(yōu)化，使得該機(jī)型抗風(fēng)能力表現(xiàn)即為優(yōu)越，常規(guī)飛行更加安全，生產(chǎn)力更高。

相機(jī)選用了睿鉑性能指標(biāo)最高的一款全畫幅傾斜攝影相機(jī)：DG4Pros，該機(jī)型體積小，外形僅155 mm×130 mm×98 mm(長(zhǎng)×寬×高)，重量輕至960 g。正射光學(xué)鏡頭焦距為40 mm，傾斜鏡頭焦距為60 mm，傾斜正射焦距比1∶1.5，其采集的影像通過(guò)建模軟件可自動(dòng)生產(chǎn)各種需求分辨率的真三維模型。

2.3 影像數(shù)據(jù)采集

(1) 航線設(shè)計(jì)：案例區(qū)域地勢(shì)陡峭，右岸坡高差1 200 m，按照傳統(tǒng)的航攝分區(qū)根本無(wú)法滿足要求。航高根據(jù)所航攝區(qū)地面分辨率和現(xiàn)場(chǎng)周邊情況綜合考慮進(jìn)行變高設(shè)計(jì)。航高示意見(jiàn)圖4及公式如下：

圖4 航高

(1)

公式(1)中：h為飛行高度,m；f為鏡頭主距，mm；a為像元尺寸,μm；GSD為地面分辨率,cm。

影響三維模型質(zhì)量最重要的因素之一是影像分辨率。由于案例區(qū)域地形變化復(fù)雜，為了解決這一問(wèn)題，結(jié)合地形起伏情況設(shè)計(jì)了變高航線，最大程度上做到測(cè)區(qū)內(nèi)航高相同，從而獲取GSD相對(duì)一致的傾斜數(shù)據(jù)。為了滿足三維建模對(duì)于高精度、高分辨率的需求，航線設(shè)計(jì)相對(duì)地面高度為200 m，設(shè)計(jì)分辨率為2～4 cm，設(shè)置航向重疊率為80%，旁向重疊率為70%，航線設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 單架次航線布設(shè)

(2) 像控點(diǎn)的布設(shè)及影像數(shù)據(jù)采集：在傾斜攝影航測(cè)作業(yè)中，為了保證模型精度，像控點(diǎn)布設(shè)是必不可少的。

由于地形條件的限制，右岸邊坡高程1 800.00～2 700.00 m施測(cè)人員很難抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，本次施測(cè)未布設(shè)像控點(diǎn)。為了控制整個(gè)區(qū)域精度，作業(yè)人員耗時(shí)15 h繞道攀爬至右岸坡頂區(qū)域均勻布設(shè)了4個(gè)永久像控標(biāo)靶。在谷底能夠到達(dá)的區(qū)域，根據(jù)地勢(shì)變化情況均勻地布設(shè)了21個(gè)像控點(diǎn)。點(diǎn)位分布如圖6所示。

圖6 像控點(diǎn)分布

本案例區(qū)域共計(jì)航拍9架次，共獲取影像25 500張。通過(guò)對(duì)定位、定姿數(shù)據(jù)分析可知，其飛行穩(wěn)定，航線彎曲度、行高保持良好，像片紋理清晰，層次豐富，色調(diào)均勻，可為后期構(gòu)建高質(zhì)量三維模型使用。

3 實(shí)景三維模型構(gòu)建及精度評(píng)價(jià)

3.1 空中三角測(cè)量

空中三角測(cè)量是根據(jù)少量的野外控制點(diǎn)，在室內(nèi)進(jìn)行控制點(diǎn)加密，求得加密點(diǎn)的高程和平面位置的測(cè)量方法，是傾斜攝影測(cè)量三維建模的關(guān)鍵步驟[6]。在做空中三角測(cè)量之前，首先要對(duì)采集到的原始影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)原始影像數(shù)據(jù)進(jìn)行色彩、亮度和對(duì)比度等方面的調(diào)整和勻色處理。由于五鏡頭相機(jī)攝影傾角大，采集的原始影像重疊多且分辨率無(wú)法統(tǒng)一，使其空中三角測(cè)量和傳統(tǒng)數(shù)字航空攝影測(cè)量中空中三角測(cè)量方式大不一樣。傳統(tǒng)空中三角測(cè)量加密方法無(wú)法實(shí)施，需要專業(yè)級(jí)多視角空中三角測(cè)量軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

本案例采用的空中三角測(cè)量軟件，操作步驟簡(jiǎn)便，支持計(jì)算機(jī)聯(lián)合運(yùn)算，是業(yè)內(nèi)知名的自動(dòng)化三維建模軟件，具體步驟如下：

(1) XML文件整理：采用新型文件整理格式，將PPK解算后的POS信息，替換飛行平臺(tái)自帶的POS文件，并將POS信息、相機(jī)參數(shù)、影像數(shù)據(jù)儲(chǔ)存位置信息及坐標(biāo)系統(tǒng)信息進(jìn)行整理，編輯成符合空中三角測(cè)量軟件識(shí)別的XML格式；

(2) 相對(duì)定向：應(yīng)用空中三角測(cè)量軟件加載XML進(jìn)行多視角影像特征點(diǎn)密集匹配，并以此進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)的自由網(wǎng)多視影像聯(lián)合約束平差解算，建立在空間尺度可以適度自由變形的立體模型，完成相對(duì)定向；

(3) 絕對(duì)定向：在空中三角測(cè)量軟件中進(jìn)行像控刺點(diǎn)，利用點(diǎn)位信息對(duì)已有區(qū)域網(wǎng)模型進(jìn)行約束平差解算，提高空中三角測(cè)量加密過(guò)程中影像匹配的速度和精度，對(duì)空中三角測(cè)量成果進(jìn)行控制加密，轉(zhuǎn)換建模成果的坐標(biāo)系，完成絕對(duì)定向[7]。

具體步驟如圖7：

圖7 空中三角測(cè)量流程

3.1 實(shí)景三維模型建立

空中三角測(cè)量加密通過(guò)后，基于最終優(yōu)化的空中三角測(cè)量加密成果進(jìn)行實(shí)景三維模型構(gòu)建。根據(jù)高密度匹配點(diǎn)云，軟件自動(dòng)進(jìn)行影像金字塔構(gòu)建、不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)構(gòu)建，優(yōu)化TIN網(wǎng)后生成白模，再通過(guò)對(duì)白模進(jìn)行自動(dòng)紋理映射(自動(dòng)選擇最佳影像紋理進(jìn)行貼圖)生成基于真實(shí)影像紋理的三維實(shí)景模型，模型效果如圖8所示。

圖8 三維模型效果

根據(jù)模型生產(chǎn)范圍大小和計(jì)算機(jī)運(yùn)行內(nèi)存情況, 一般選擇規(guī)則平面網(wǎng)格分割方式。由于此案例主要為大比例尺三維測(cè)繪產(chǎn)品生產(chǎn),因此選擇生成產(chǎn)品為三維模型,數(shù)據(jù)格式為通用格式.OSGB。

3.3 三維模型精度評(píng)定

三維建模完成后，基于實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)，應(yīng)用專業(yè)的模型瀏覽器，可以輕松測(cè)量坐標(biāo)、距離、面積等信息。目前，實(shí)景三維模型精度評(píng)價(jià)指標(biāo)中，最重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)為數(shù)學(xué)精度，其次為模型影像分辨率。本案例為了檢查右岸邊坡無(wú)像控控制區(qū)域模型精度，主要按照數(shù)學(xué)精度檢測(cè)方法，對(duì)三維模型的絕對(duì)精度進(jìn)行驗(yàn)證。首先，利用RTK配合全站儀在像控盲區(qū)采集特征點(diǎn)52個(gè)，假設(shè)野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為真值，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與三維模型上讀取的坐標(biāo)值進(jìn)行比較，對(duì)比結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 實(shí)測(cè)點(diǎn)與模型點(diǎn)對(duì)比統(tǒng)計(jì)表 /m

利用中誤差計(jì)算公式計(jì)算模型點(diǎn)的坐標(biāo)偏差：

(2)

(3)

(4)

(5)

公式(2)～(5)中：Mx代表X方向中誤差，m；My代表Y方向中誤差，m；Mz代表Z方向中誤差，m；M代表平面距離中誤差，m；Δx、Δy、Δz分別代表x、y、z方向真誤差，m；n為檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)。

通過(guò)上述統(tǒng)計(jì)表格和公式計(jì)算可知，X方向的最大誤差為0.09 m，中誤差為0.045 m；Y方向的最大誤差為0.13 m,中誤差為0.40 m；Z方向的最大誤差為0.15 m,中誤差為0.085 m；平面的最大誤差為0.14 m，最小誤差為0.01 m,中誤差為0.133 m。結(jié)果表明，該區(qū)域三維模型精度滿足《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》中Ⅰ級(jí)成果平面精度中誤差不超過(guò)0.3 m、高程精度中誤差不超過(guò)0.5 m的要求，滿足1∶1000比例尺4D測(cè)繪產(chǎn)品生產(chǎn)精度要求。

4 結(jié) 論

本文以新疆某水電站為工程依托，采用大落差稀疏像控點(diǎn)傾斜攝影建模技術(shù)，建立了水電站工程區(qū)域高精度三維實(shí)景模型，并對(duì)其精度進(jìn)行了驗(yàn)證，主要結(jié)論如下：

(1) 選用多旋翼無(wú)人機(jī)搭載五鏡頭相機(jī)進(jìn)行傾斜攝影作業(yè)，操作簡(jiǎn)單，起降靈活，精度可靠，可有效降低大落差坡面影像數(shù)據(jù)采集難度。

(2) 基于傾斜攝影技術(shù)生產(chǎn)的三維模型精度較高，能夠從多角度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，充分展現(xiàn)項(xiàng)目區(qū)域的地形地物信息。

(3) 航線通過(guò)變高設(shè)計(jì)，保證了地面分辨率的統(tǒng)一，進(jìn)而確保了影像拼接質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了測(cè)區(qū)敏感區(qū)域的“特殊照顧”。

(4) 邊緣式布點(diǎn)方案可顯著降低外業(yè)作業(yè)成本，保障從業(yè)人員的安全，使工程作業(yè)實(shí)現(xiàn)“安全進(jìn)度兩不誤”，在非峽谷區(qū)域也有一定的推廣價(jià)值。

本文以西北植被稀少區(qū)為案例，實(shí)驗(yàn)區(qū)域較為理想，對(duì)于西北植被茂密區(qū)域的三維測(cè)繪工作具有一定的局限性，宜優(yōu)先考慮機(jī)載激光雷達(dá)作業(yè)。