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傾斜攝影測(cè)量法在“房地一體”項(xiàng)目中的技術(shù)研究

2021-08-31 08:04:40
經(jīng)緯天地 2021年3期
關(guān)鍵詞:三角測(cè)量實(shí)景立體

劉 東

(廣東省地圖院,廣東 廣州 510075)

0.引言

在測(cè)繪領(lǐng)域,傾斜攝影技術(shù)是一項(xiàng)正在快速發(fā)展的新型信息采集技術(shù)[1]。隨著傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展,實(shí)景三維模型重建的精度也隨之提高,逐漸具備了內(nèi)業(yè)高精度測(cè)圖的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),能支持實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)的測(cè)圖軟件也日益成熟起來(lái),基于傾斜攝影測(cè)量實(shí)景三維模型進(jìn)行裸眼采集的技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)已成為現(xiàn)實(shí)。本文基于以上技術(shù),根據(jù)《廣東省“房地一體”農(nóng)村宅基地和集體建設(shè)用地權(quán)籍調(diào)查技術(shù)指南》對(duì)傾斜攝影測(cè)量法的精度要求,提出了總體的技術(shù)方案并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。

1.總體技術(shù)方案

傾斜攝影測(cè)量法在“房地一體”工作中應(yīng)用的總體流程主要包括為傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取、實(shí)景三維模型重建和三維立體測(cè)圖三個(gè)重要部分(如圖1所示)。傾斜攝影部分主要包括航區(qū)規(guī)劃、像控點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量和無(wú)人機(jī)傾斜航拍;實(shí)景三維模型重建主要包括空中三角測(cè)量和模型重建;測(cè)圖部分包括基于構(gòu)建的實(shí)景三維模型進(jìn)行利用相應(yīng)軟件進(jìn)行三維立體測(cè)圖和利用傳統(tǒng)測(cè)量方法[2]進(jìn)行外業(yè)補(bǔ)測(cè)及成果更新。

圖1 總體流程圖

2.關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 傾斜數(shù)據(jù)獲取

實(shí)景三維模型的質(zhì)量和精度取決于多方面因素。為保證高質(zhì)量、逼真的三維建模效果[3],需要從攝影設(shè)備選型、影像獲取、數(shù)據(jù)處理各方面進(jìn)行質(zhì)量控制。

(1)傾斜攝影平臺(tái)選擇。傾斜攝影平臺(tái)由無(wú)人機(jī)和傾斜攝影鏡頭組成。無(wú)人機(jī)的選擇要注意選擇飛行姿態(tài)穩(wěn)定、帶RTK定位、且飛行時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)的品牌及型號(hào);傾斜攝影鏡頭可選擇當(dāng)前流行的五鏡頭攝影儀,傾斜攝影鏡頭要具備高像素、成像良好、拍攝穩(wěn)定不丟片和數(shù)據(jù)便于導(dǎo)出等特性;

(2)分辨率與航高設(shè)計(jì)。設(shè)置恰當(dāng)分辨率精度和飛行高度是確保實(shí)景三維模型精度的關(guān)鍵。航攝分辨率精度設(shè)置過高、飛行高度太低均會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)量過大,造成不必要的資源浪費(fèi);分辨率精度設(shè)置過低、飛行高度太高又會(huì)導(dǎo)致精度不夠,因此要根據(jù)應(yīng)用需求和鏡頭參數(shù)推算合理的分辨率與航高,計(jì)算公式如式(1)所示:

式中,H為攝影航高,單位為米(m);f為鏡頭焦距,單位為毫米(mm);a為像元尺寸,單位為毫米(mm);GSD為地面分辨率,單位為米(m)。

(3)航攝時(shí)間選擇。航攝影像的成圖質(zhì)量與航攝時(shí)間有直接關(guān)系。不同航攝時(shí)段生產(chǎn)的實(shí)景三維模型,陰影下和非陰影下的同名點(diǎn)精度誤差較大。因此,航攝最好在晴天進(jìn)行,盡量避開建筑物陰影較大的時(shí)段,航攝完成后應(yīng)及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份整理并進(jìn)行初檢,有質(zhì)量問題的區(qū)域要及時(shí)補(bǔ)攝。

2.2 像控點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量

像控點(diǎn)布設(shè)是空中三角測(cè)量的基礎(chǔ),其測(cè)量精度、布設(shè)密度和分布直接影響成果精度。雖然有傾斜攝影平臺(tái)廠商宣稱可以實(shí)現(xiàn)免像控實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)精度。實(shí)踐結(jié)果表明,在特定條件下局部區(qū)域可以達(dá)到此精度,但無(wú)法保證整個(gè)測(cè)區(qū)的精度要求。

像控點(diǎn)布設(shè)時(shí)可參考《數(shù)字航空攝影測(cè)量 空中三角測(cè)量規(guī)范》(GBT 23236-2009)[4],如,受測(cè)區(qū)地形等條件限制,可采用不規(guī)則區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)。利用目前主流的測(cè)繪級(jí)無(wú)人機(jī)和億級(jí)像素五鏡頭相機(jī)組成的傾斜攝影平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),像控點(diǎn)參照100m-150m間進(jìn)行布設(shè),可基本保障厘米級(jí)的測(cè)繪精度。由于空中三角測(cè)量的精度最弱點(diǎn)主要位于測(cè)區(qū)邊緣,因此要特別加強(qiáng)測(cè)區(qū)邊角的控制,測(cè)區(qū)范圍的凹角轉(zhuǎn)折處或凸角轉(zhuǎn)折處應(yīng)加設(shè)像控點(diǎn)以改善測(cè)區(qū)四周的精度。

像控點(diǎn)實(shí)測(cè)時(shí),先利用網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)定了像控點(diǎn)的三維坐標(biāo),統(tǒng)一按照內(nèi)角測(cè)量,像控點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程精度要精確到0.01m,測(cè)量時(shí)進(jìn)行了兩次初始化。每次觀測(cè)歷元數(shù)不少于100個(gè),采樣間隔1s;數(shù)據(jù)采集設(shè)置單次觀測(cè)的平面收斂精度不大于0.02m,高程收斂精度不大于0.03m。為了便于內(nèi)業(yè)空三測(cè)量中順利找到并能準(zhǔn)確刺入像控點(diǎn)和檢查點(diǎn),做像控時(shí),地面標(biāo)志應(yīng)使用與地面有明顯色差的噴漆按L形噴涂,標(biāo)志大小可按寬約0.3m、邊長(zhǎng)約0.8m,拐角須清晰可見。像控點(diǎn)測(cè)量完成要做好點(diǎn)之記。

2.3 空中三角測(cè)量與實(shí)景三維重建

空中三角測(cè)量以優(yōu)化影像相對(duì)位置和絕對(duì)位置為目的,是實(shí)景三維模型重建的重要前置過程,主要包括影像匹配和平差兩個(gè)步驟??罩腥菧y(cè)量平差前要把每個(gè)像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)準(zhǔn)確刺入一定數(shù)量的影像中,數(shù)量一般不低于20張??杖讲钸^程采用光束法區(qū)域網(wǎng)平差法,區(qū)域網(wǎng)平差結(jié)束后,可在3D視圖窗口中查看匹配點(diǎn)分布情況,空中三角測(cè)量處理完后即可進(jìn)行實(shí)景三維重建,重建的過程包含自動(dòng)影像密集匹配和紋理自動(dòng)映射兩個(gè)過程。影像密集匹配是攝影測(cè)量的重要問題之一,軟件根據(jù)空三加密成果,通過多視影像密集匹配自動(dòng)獲取影像上同名點(diǎn)坐標(biāo),從而獲得地物三維信息[5]。紋理自動(dòng)映射由通過自動(dòng)影像密集匹配獲取的大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN),TIN構(gòu)成白模,軟件自動(dòng)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的紋理,并將紋理映射到對(duì)應(yīng)的白膜上,由此生成基于傾斜影像紋理的“全要素、全紋理”的真實(shí)三維場(chǎng)景。

2.4 計(jì)算集群的應(yīng)用

因?qū)嵕叭S模型生產(chǎn)數(shù)據(jù)和計(jì)算量龐大,為降低時(shí)間消耗,可采用計(jì)算集群解決方案,將同一個(gè)工程分配到多臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行并行處理。計(jì)算集群的關(guān)鍵部件為高性能計(jì)算機(jī)、交換機(jī)和磁盤存儲(chǔ)器。因計(jì)算機(jī)CPU性能對(duì)“空三”計(jì)算速度影響極大,電腦顯卡性能對(duì)建模速度影響極大,因此要選用CPU和顯卡性能均高的計(jì)算機(jī)。集群內(nèi)的計(jì)算機(jī)要通過網(wǎng)絡(luò)訪問集中在磁盤存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù),因此可選擇性能穩(wěn)定、高帶寬的NAS存儲(chǔ)器。如,計(jì)算機(jī)數(shù)量較多時(shí),應(yīng)使用萬(wàn)兆接口的NAS存儲(chǔ)器和交換機(jī),否則數(shù)據(jù)傳輸會(huì)造成瓶頸。

2.5 三維立體測(cè)圖

基于實(shí)景三維模型進(jìn)行三維立體測(cè)圖是一種新型的作業(yè)方式,為確保成果質(zhì)量,應(yīng)建立統(tǒng)一的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)后才可進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。

(1)確定三維立體測(cè)圖工作范圍。實(shí)景三維模型質(zhì)量過關(guān)、符合采集標(biāo)準(zhǔn)的房屋才可通過立體測(cè)圖完成。房屋實(shí)景三維模型應(yīng)整體完整且紋理清晰,如,房屋超過一面墻體扭曲或不清晰,則該房屋應(yīng)判為不符合采集標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)交由外業(yè)補(bǔ)充測(cè)量完成;

(2)統(tǒng)一采集標(biāo)準(zhǔn)。三維立體測(cè)圖時(shí),應(yīng)基于恰當(dāng)?shù)谋壤哌M(jìn)行采集,為避免因比例尺過小采集產(chǎn)生的誤差,應(yīng)將實(shí)景三維模型放大到較大的比例尺,如1∶100以上比例尺。采集時(shí)應(yīng)盡量統(tǒng)一高度同一位置,如,由底部算起1.1m高處貼合房屋墻面或墻體拐角處進(jìn)行采集。

對(duì)于墻體較為平整的有四個(gè)外立面的房屋,可采用8點(diǎn)4組交匯方法進(jìn)行采集,即對(duì)每一面墻體取2個(gè)點(diǎn)構(gòu)成平面,然后兩兩交匯出圖形,每多一個(gè)外立面多2點(diǎn)1組與鄰接面進(jìn)行交匯,依次類推;對(duì)于外立面不平整的房屋,采用房屋拐角點(diǎn)連線法進(jìn)行采集,即在房屋外墻的拐點(diǎn)上準(zhǔn)確刺點(diǎn)并依次連線。

利用軟件自動(dòng)擬合墻面時(shí),會(huì)生成白膜,采集過程中要觀察立面白膜是否合理地分布在墻體上,立面白膜多說(shuō)明墻體凹陷,未出現(xiàn)立面白膜地方則說(shuō)明墻面與白膜重合或墻面凸起。

為避免拓?fù)溴e(cuò)誤,房屋主體和房屋附屬應(yīng)單獨(dú)測(cè)量,結(jié)構(gòu)相同的多層房屋,上層房屋和下層房屋應(yīng)共線進(jìn)行,共墻或共線房屋要注意拓?fù)鋯栴};

(3)質(zhì)量檢查。完成采集工作后,重點(diǎn)檢查房屋及其附屬結(jié)構(gòu)的屬性是否準(zhǔn)確、精度是否滿足要求,可抽取30%的房屋檢查邊長(zhǎng)測(cè)量成果,即再次測(cè)量抽取樣本的邊長(zhǎng),與采集邊長(zhǎng)進(jìn)行對(duì)比,精度超限的房屋,需重新采集;除精度外還需檢查二維測(cè)圖成果的拓?fù)潢P(guān)系,避免出現(xiàn)拓?fù)溴e(cuò)誤。

3.應(yīng)用實(shí)例

3.1 方案設(shè)計(jì)

本文以江門市新會(huì)區(qū)“房地一體”農(nóng)村宅基地和集體建設(shè)用地確權(quán)登記發(fā)證工作項(xiàng)目(包組A)為實(shí)列。本項(xiàng)目采用傾斜攝影平臺(tái)為大疆M300 RTK多旋翼無(wú)人機(jī)、賽爾102S傾斜攝影鏡頭。

項(xiàng)目按照優(yōu)于廣東省“房地一體”項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)、參照1∶500地籍測(cè)繪精度要求設(shè)計(jì)[6]了無(wú)人機(jī)傾斜攝影的相關(guān)參數(shù)。地面分辨率根據(jù)地籍測(cè)繪5cm的中誤差要求,兼顧后期采集誤差,按優(yōu)于1/3中誤差設(shè)置為1.5cm;航高設(shè)計(jì)根據(jù)航高公式(1)計(jì)算,按已知地面分辨率、航攝儀的像元大小和鏡頭焦距計(jì)算出滿足最低要求的攝影航高為134m,確定項(xiàng)目按優(yōu)于100m進(jìn)行航測(cè)。

空中三角測(cè)量和實(shí)景三維模型重建利用了配置為CPU i9、顯卡2080Ti、內(nèi)存64G的多臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)組成的計(jì)算集群,采用了支持計(jì)算集群的重建大師和ContextCaptureCenter軟件進(jìn)行生產(chǎn)。輸出成果瓦片大小為100m×100m,塊間的重疊為0.15m,高質(zhì)量紋理的OSGB格式數(shù)據(jù)。

三維立體測(cè)圖采用南方Cass3D軟件進(jìn)行,該軟件可同時(shí)加載實(shí)景三維模型和二維矢量成果,實(shí)現(xiàn)二維和三維聯(lián)動(dòng)的繪圖模式(如圖2所示)。三維立體測(cè)圖按照《國(guó)家基本比例尺地圖圖式第1部分1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖圖式》(GB/T 20257.1-2017)[7]要求,即采集“房地一體”項(xiàng)目所需的房屋及附屬結(jié)構(gòu)(陽(yáng)臺(tái)、飄樓等),并賦予房屋結(jié)構(gòu)和層數(shù)等屬性信息。

圖2 二維和三維聯(lián)動(dòng)繪圖模式

3.2 精度分析

測(cè)圖成果精度根據(jù)《廣東省“房地一體”農(nóng)村宅基地和集體建設(shè)用地權(quán)籍調(diào)查技術(shù)指南》在農(nóng)村地區(qū)利用傾斜攝影測(cè)量法進(jìn)行測(cè)量的精度執(zhí)行(如表1所示):

表1 傾斜攝影精度要求

(1)實(shí)景三維模型精度。實(shí)景三維模型是三維立體測(cè)圖重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),實(shí)景三維模型的精度尤其是模型的平面精度會(huì)直接影響測(cè)圖成果精度。本文利用預(yù)先布設(shè)的檢查點(diǎn)進(jìn)行實(shí)景三維模型的平面精度檢查,通過空中三角測(cè)量報(bào)告可以看到所有檢查點(diǎn)均在限差范圍內(nèi)。

誤差全局均方根(Global RMS)水平方向?yàn)閤=0.01657、y=0.01835,垂直方向z=0.03842,誤差中值差(Median)水平方向x=0.01139、y=0.01835,垂直方向z=0.03842。

(2)邊長(zhǎng)和界址點(diǎn)精度情況。實(shí)地抽樣檢查,隨機(jī)選取了測(cè)區(qū)內(nèi)的300幢房屋進(jìn)行了邊長(zhǎng)驗(yàn)證,實(shí)際丈量了620邊,符合精度的邊長(zhǎng)有615條,符合率為99.2%;隨機(jī)選取了350幢房屋,每個(gè)房屋至少打了2個(gè)房角點(diǎn)坐標(biāo),共打點(diǎn)728個(gè),711個(gè)點(diǎn)符合精度要求,平面中誤差為0.08m,設(shè)計(jì)中誤差是0.2m。

根據(jù)《測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》(GB/T24356-2009)[8]對(duì)于測(cè)繪成果的界址點(diǎn)精度規(guī)定,當(dāng)平面絕對(duì)位置以及相對(duì)位置中誤差超限或粗差超過5%的均視不合格。本文測(cè)區(qū)中誤差滿足精度要求,粗差為2.3%<5%。成果精度能滿足《測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》(GB/T24356-2009)的規(guī)定和精度要求。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合江門市新會(huì)區(qū)“房地一體”項(xiàng)目,在總體技術(shù)方案、關(guān)鍵技術(shù)分析和應(yīng)用三個(gè)方面,對(duì)傾斜攝影測(cè)量法在“房地一體”項(xiàng)目的應(yīng)用進(jìn)行了論述,著重分析了傾斜攝影測(cè)量法的關(guān)鍵技術(shù),形成了從數(shù)據(jù)獲取、實(shí)景三維模型重建和三維立體測(cè)圖的一整套工作方案,實(shí)現(xiàn)了在滿足“房地一體”項(xiàng)目精度要求同時(shí)降低成本、提高效率的目標(biāo)。然而,該方法因受到數(shù)據(jù)獲取和生產(chǎn)中軟硬件的限制,在房屋密集區(qū)域使用該方法進(jìn)行測(cè)量仍需通過較多的外業(yè)補(bǔ)充測(cè)量完成,因此,如何克服這一短板提高該方法的適應(yīng)性是后續(xù)的研究工作。

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