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【摘要】倾斜摄影作为在传统航空摄影之上发展起来的新技术,由于其增加了不同角度的相机拍摄,使得采集的信息更全面,并在自动化建模软件的支撑下能快速、低成本的构建出逼真的三维模型;从而使得倾斜摄影技术得到蓬勃发展,并具备广泛的应用前景。
【关键词】倾斜摄影测量技术;土地调查;应用
【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.
16.113
在无人机倾斜摄影测量兴起之前,大比例尺地图数据采集基本上采用传统全站仪结合RTK的形式,这种形式数据精度高,缺点是内外业协同程度不高。同时,传统测绘采集数据形式单一。但是随着技术不断发展,无人机倾斜摄影测量、三维激光扫描以及激光雷达技术不断成熟,测绘的相关行业以及地理信息数据应用行业,对测绘数据的多元化有越来越多的要求,实景三维模型和点云数据应用领域越来越广。既提高了数据多元化水平,也加快了地理信息数据更新的速度,还拓展了测绘数据应用领域。
1、倾斜摄影应用的关键技术
倾斜摄影产业链中涉及诸多技术环节,除了硬件设备的研发,软件方面的关键技术集中于自动化建模技术和平台应用技术。目前自动化建模技术主要掌握在国外,国内有企业和科研院所正在攻关中,但尚未达到国产替代的程度。平台应用技术上国产软件则已经走到世界的前列。具体包括:海量数据加载技术、单体化技术、效果修补技术等。
(1)海量数据加载技术指的是倾斜摄影模型数据量往往非常庞大,1km2的数据量在0.5~2GB,这样中小城市的建成区就能达到几十乃至上百GB。不过好在倾斜摄影自动化建模软件可以输出标准的OSGB格式,且数据本身就自导了的LOD(金字塔层级结构)。利用数据自带的LOD,超图软件通过直接读取OSGB,并match运用LOD来优化调度,做到再大的数据量也可以实现瞬间加载,性能非常流畅。
(2)傾斜摄影的单体化技术就是利用三角面片的可分割性质,解决倾斜摄影数据的三维模型可分离单体化问题。该方法首先绘制切割多边形,确定单体化模型边界,然后使用包围盒方法进行求交检测,获得需要切割的三角面片(点云构建的DTM三角网)。之后计算求交检测所得三角面片与切割多边形的交点,然后详细分析切割多边形与三角面片相交时的不同相交情形,并针对不同的相交情形采用不同的切割方法。最后,对相交区域三角面片进行裁切并重构,再纹理重构并实现多细节分层后得到分离的单体化模型。该技术方法可有效实现倾斜摄影三维模型的分离单体化。
(3)关键技术是效果修补。效果修补技术是指倾斜摄影生成的实景三维模型数据,通过空洞区模型导出,边界自动提取,三角网重构等方法来实现空洞修补。倾斜摄影模型是软件算法自动生成,由于算法限制和拍摄角度等原因造成表面不够平整、底商效果不佳等问题,和人工建模存在明显差距。天际航软件可人工干预休整倾斜模型表面,以及参照街景影像修缮底商效果。超图软件则可通过自带水面符号弥补倾斜模型的水面空洞,还原波光粼粼的水面效果;以及通过配置点和三维符号来提供更好的树木等小品效果。
2、项目区概况
测区位于云南省昆明市呈贡区西北部,处于东经102°47′24″至102°48′23″、北纬24°52′56″至24°54′12″。项目区总面积2.22km2。地势东北高西南低,海拔在1800m以上。
3、数据获取
本次实验在进行影像数据采集之前,首先到测区范围内进行实地踏勘,综合测区地理位置条件以及起飞场地限制,采用大疆M600无人机,搭载SONYILCE-7RM2五镜头相机,分为8个区域进行航线划分,采集到53,000余张照片,影像数据500G,一共布设了40个像控点。
4、三维建模
外业采集到的数据应尽快送达内页作业员处,首先进行快拼,检查影像数据的完整性以及是否拉花,然后将影像数据导入Smart3D软件中,通过人机交互的形式进行解算,主要包括空三解算、影像匹配、点云生成并构网及纹理映射等,为了提高作业效率,采用多节点联合运算。
5、精度分析
为了验证倾斜三维模型精度和质量满足土地开发项目需求,在布设像控点过程中随机且均匀地选取了48个检查点,对模型精度进行全面验证。在模型量取对应点坐标,与实际测量数据对比,为方便比较,将模型与实际采集数据差值取绝对值。可以看出:三维模型中的检查点高程方向的误差普遍大于方向和方向;方向和方向的误差绝对值分布较为均匀,且基本小于0.2m;高程方向的误差绝对值分布较为离散,最大误差接近0.3m。说明本次实验构建的真三维模型的平面精度要高于高程精度。
根据模型坐标与实际坐标相比较,通过中误差计算公式,计算出整个模型坐标的中误差为:
Δx=0.05m;
Δy=0.05m;
Δz=0.06m。
查询《地籍测量规范》和《三维地理信息模型数据产品规范》。我们可以得知,无人机倾斜摄影测量生产的倾斜三维模型,在精度上既符合《三维地理信息模型数据产品规范》的要求,同时也符合《地籍测量规范》中的精度规定,在精度上完全能够满足一级土地开发项目的需要。
6、土地开发项目应用
基于无人机倾斜模型进行土地开发,首先能够在较短的时间内,将开发范围内的现状以三维模型的形式固定下来,防止因加盖扩建而导致的补偿费用上的矛盾;其次,倾斜三维模型能够将地物纹理很精细地表现出来,在内业仅需少量的作业人员就能够将项目区范围内的地形图和房屋矢量数据绘制出来,同时基于三维模型还能够将房屋材质和楼层信息采集到。大大节约了外业数据采集的工作量,同时节省了大量的人力、物力和时间成本。将倾斜三维模型导入EPS软件中,对地面附着物进行矢量化,同时基于精细三维模型进行房屋结构、楼层和行政区划等属性判读,并在SuperMapiDesktop软件中,将相关属性添加到房屋矢量面的属性表中,建立数据库。对于少量遮挡、漏测部分,通过外业调绘进行补测。按照本次项目工作量,使用全站仪与RTK结合的方法,进行碎部数据采集,并内业绘制成图,需要20名作业人员花费一个月采集数据并绘制成图,同时对于属性调查工作仍需花费一个月时间。基于无人机倾斜摄影测量采集房屋信息,本次项目总共动用5名作业人员,1名内业建模,4名外业获取影像数据,待模型生成完成,5名作业人员共同采集矢量和属性数据,总共花费15d的时间。后期少量调绘、补测以及房屋权属调查等工作花费一个月,总工期在50d左右。
结语:
本文提出了土地一级开发项目新的数据采集方式,通过无人机影像生产的实景三维模型,并且经精度检验完全满足数据采集的需求,基于此模型进行房屋相关属性采集,相较于传统测量技术,基于三维模型进行数据采集需要较少的作业人员,花费了更少的作业时间,节省了大量的成本。
参考文献:
[1]三维地理信息模型数据产品规范[M].北京:测绘出版社,2012.
[2]王宏新.土地一级开发实务指南[M].北京:化学工业出版社,2007.
【关键词】倾斜摄影测量技术;土地调查;应用
【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.
16.113
在无人机倾斜摄影测量兴起之前,大比例尺地图数据采集基本上采用传统全站仪结合RTK的形式,这种形式数据精度高,缺点是内外业协同程度不高。同时,传统测绘采集数据形式单一。但是随着技术不断发展,无人机倾斜摄影测量、三维激光扫描以及激光雷达技术不断成熟,测绘的相关行业以及地理信息数据应用行业,对测绘数据的多元化有越来越多的要求,实景三维模型和点云数据应用领域越来越广。既提高了数据多元化水平,也加快了地理信息数据更新的速度,还拓展了测绘数据应用领域。
1、倾斜摄影应用的关键技术
倾斜摄影产业链中涉及诸多技术环节,除了硬件设备的研发,软件方面的关键技术集中于自动化建模技术和平台应用技术。目前自动化建模技术主要掌握在国外,国内有企业和科研院所正在攻关中,但尚未达到国产替代的程度。平台应用技术上国产软件则已经走到世界的前列。具体包括:海量数据加载技术、单体化技术、效果修补技术等。
(1)海量数据加载技术指的是倾斜摄影模型数据量往往非常庞大,1km2的数据量在0.5~2GB,这样中小城市的建成区就能达到几十乃至上百GB。不过好在倾斜摄影自动化建模软件可以输出标准的OSGB格式,且数据本身就自导了的LOD(金字塔层级结构)。利用数据自带的LOD,超图软件通过直接读取OSGB,并match运用LOD来优化调度,做到再大的数据量也可以实现瞬间加载,性能非常流畅。
(2)傾斜摄影的单体化技术就是利用三角面片的可分割性质,解决倾斜摄影数据的三维模型可分离单体化问题。该方法首先绘制切割多边形,确定单体化模型边界,然后使用包围盒方法进行求交检测,获得需要切割的三角面片(点云构建的DTM三角网)。之后计算求交检测所得三角面片与切割多边形的交点,然后详细分析切割多边形与三角面片相交时的不同相交情形,并针对不同的相交情形采用不同的切割方法。最后,对相交区域三角面片进行裁切并重构,再纹理重构并实现多细节分层后得到分离的单体化模型。该技术方法可有效实现倾斜摄影三维模型的分离单体化。
(3)关键技术是效果修补。效果修补技术是指倾斜摄影生成的实景三维模型数据,通过空洞区模型导出,边界自动提取,三角网重构等方法来实现空洞修补。倾斜摄影模型是软件算法自动生成,由于算法限制和拍摄角度等原因造成表面不够平整、底商效果不佳等问题,和人工建模存在明显差距。天际航软件可人工干预休整倾斜模型表面,以及参照街景影像修缮底商效果。超图软件则可通过自带水面符号弥补倾斜模型的水面空洞,还原波光粼粼的水面效果;以及通过配置点和三维符号来提供更好的树木等小品效果。
2、项目区概况
测区位于云南省昆明市呈贡区西北部,处于东经102°47′24″至102°48′23″、北纬24°52′56″至24°54′12″。项目区总面积2.22km2。地势东北高西南低,海拔在1800m以上。
3、数据获取
本次实验在进行影像数据采集之前,首先到测区范围内进行实地踏勘,综合测区地理位置条件以及起飞场地限制,采用大疆M600无人机,搭载SONYILCE-7RM2五镜头相机,分为8个区域进行航线划分,采集到53,000余张照片,影像数据500G,一共布设了40个像控点。
4、三维建模
外业采集到的数据应尽快送达内页作业员处,首先进行快拼,检查影像数据的完整性以及是否拉花,然后将影像数据导入Smart3D软件中,通过人机交互的形式进行解算,主要包括空三解算、影像匹配、点云生成并构网及纹理映射等,为了提高作业效率,采用多节点联合运算。
5、精度分析
为了验证倾斜三维模型精度和质量满足土地开发项目需求,在布设像控点过程中随机且均匀地选取了48个检查点,对模型精度进行全面验证。在模型量取对应点坐标,与实际测量数据对比,为方便比较,将模型与实际采集数据差值取绝对值。可以看出:三维模型中的检查点高程方向的误差普遍大于方向和方向;方向和方向的误差绝对值分布较为均匀,且基本小于0.2m;高程方向的误差绝对值分布较为离散,最大误差接近0.3m。说明本次实验构建的真三维模型的平面精度要高于高程精度。
根据模型坐标与实际坐标相比较,通过中误差计算公式,计算出整个模型坐标的中误差为:
Δx=0.05m;
Δy=0.05m;
Δz=0.06m。
查询《地籍测量规范》和《三维地理信息模型数据产品规范》。我们可以得知,无人机倾斜摄影测量生产的倾斜三维模型,在精度上既符合《三维地理信息模型数据产品规范》的要求,同时也符合《地籍测量规范》中的精度规定,在精度上完全能够满足一级土地开发项目的需要。
6、土地开发项目应用
基于无人机倾斜模型进行土地开发,首先能够在较短的时间内,将开发范围内的现状以三维模型的形式固定下来,防止因加盖扩建而导致的补偿费用上的矛盾;其次,倾斜三维模型能够将地物纹理很精细地表现出来,在内业仅需少量的作业人员就能够将项目区范围内的地形图和房屋矢量数据绘制出来,同时基于三维模型还能够将房屋材质和楼层信息采集到。大大节约了外业数据采集的工作量,同时节省了大量的人力、物力和时间成本。将倾斜三维模型导入EPS软件中,对地面附着物进行矢量化,同时基于精细三维模型进行房屋结构、楼层和行政区划等属性判读,并在SuperMapiDesktop软件中,将相关属性添加到房屋矢量面的属性表中,建立数据库。对于少量遮挡、漏测部分,通过外业调绘进行补测。按照本次项目工作量,使用全站仪与RTK结合的方法,进行碎部数据采集,并内业绘制成图,需要20名作业人员花费一个月采集数据并绘制成图,同时对于属性调查工作仍需花费一个月时间。基于无人机倾斜摄影测量采集房屋信息,本次项目总共动用5名作业人员,1名内业建模,4名外业获取影像数据,待模型生成完成,5名作业人员共同采集矢量和属性数据,总共花费15d的时间。后期少量调绘、补测以及房屋权属调查等工作花费一个月,总工期在50d左右。
结语:
本文提出了土地一级开发项目新的数据采集方式,通过无人机影像生产的实景三维模型,并且经精度检验完全满足数据采集的需求,基于此模型进行房屋相关属性采集,相较于传统测量技术,基于三维模型进行数据采集需要较少的作业人员,花费了更少的作业时间,节省了大量的成本。
参考文献:
[1]三维地理信息模型数据产品规范[M].北京:测绘出版社,2012.
[2]王宏新.土地一级开发实务指南[M].北京:化学工业出版社,2007.