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傾斜攝影測量高中低空解決方案研究

時間:2020-4-7 17:06:38欄目:傾斜攝影點擊數(0)已有0人評論 加入收藏

  傾斜攝影測量技術是在飛行載具上搭載多角度、多拼相機,對地面全要素信息進行數據采集、三維建模及輸出真正射影像、大比例尺地形圖等產品的綜合技術手段。作為新型測繪手段,傾斜攝影技術已經在城市管理、國土規劃、土地確權、宅基地管理等領域得到廣泛應用。隨著技術不斷進步,飛行載具與傾斜航攝儀也向著輕型、微型化發展,不但使實景三維模型適用的領域更為廣泛,也更能夠滿足用戶對實景三維模型的高分辨率、高顏色還原度等要求。本文對傾斜攝影數據獲取及處理的分類方法進行探討,為各行業應用提供技術支持。

  1 傾斜攝影測量技術構成

  傾斜攝影技術發展至今,核心三部分是:飛行載具、傾斜相機、POS 系統。飛行載具可攜帶傾斜航攝儀進行航拍作業,沿航線、重疊率設計飛行路線;傾斜相機可分為三拼、五拼、十拼等,采用同步曝光方式采集地面影像信息;POS 系統在航攝儀內與每組曝光影像相對應,采用X、Y、Z、O、P、K等外方位元素信息對拍攝時的飛行姿態進行實時描述。無論是實景三維建模還是大比例尺測圖應用,傾斜影像的后期處理質量取決于POS 系統的精度。根據項目的設計需求,對不同飛行載具、傾斜相機以及POS 系統進行搭配,形成有針對性的數據獲取解決方案很有必要。

  2 傾斜攝影測量解決方案細分

  隨著飛行儀器與材料行業的技術進步,以運輸機搭載大型航攝儀為主的數據獲取方式逐漸被打破。尤其在許多中小型項目實施中,大型運輸機的限制太多,不利于成本控制??沼蛞幎ǖ姆艑?、中低空輕型飛行器價格下降均為傾斜攝影提供更多可能。引入模糊控制和大容量電池技術后,無人機的飛行穩定性更高、續航時間更長,成為超低空精細化建模的最優選擇。表1 從飛行高度、建模特點及精度等多個方面對傾斜攝影測量的解決方案進行細分。飛行載具與傾斜相機如圖1 所示。

  圖1 典型飛行載具與傾斜相機

  2.1 高空飛行載具與相機

  運-12 等大型運輸機適用于600 m 以上高度層的航空攝影飛行任務,可攜帶60 kg 以上的大型傾斜航攝儀拍攝作業,如徠卡RCD30、TOPDC、SWDC -5 等。運輸機飛行姿態穩定,飛行時間長(7 h以上),在100 km2 以上的大面積航空作業中具有顯著優勢。高空數據獲取的優點是:傾斜航攝儀的POS 信息精確,對控制點需求少,經過空三匹配后能構建滿足測繪級精度的實景三維模型,且單位面積的模型容量小,應用方便。高空數據獲取的缺點是:對天氣要求高,機場與飛行員拉升作業成本;由于飛行高度原因,拍攝需穿越霧霾層,導致影像顏色失真、單位面積的模型分辨率低。因此,高空飛行方案適用于數字城市、智慧城市建設中的市域建成區三維本底數據獲取。

  表1 傾斜攝影測量解決方案細分

  2.2  中空飛行載具與相機

  出于對模型顏色、分辨率和飛行成本的考慮,采用輕型飛行器的中空飛行方案應運而生。飛行載具采用直升機、動力三角翼等,在300 ~600 m 中空作業。所攜帶傾斜相機由去掉背板的多臺單反相機組成,設置有固定傾角云臺與同步曝光系統,單日作業15 ~30 km2。中空數據獲取優點:場地限制條件少,起降方便,轉場快捷,作業高度對軍民空域影響小。所構建模型顏色真實,分辨率較高。中空數據獲取缺點:動力三角翼飛行受氣流影響大、姿態不穩定,所攜帶的傾斜相機尚無精確的POS 解決方案,無POS 影像處理會降低實景三維模型精度。因此,中空方案適用于二、三級城市,以及山區、景區等低于70km2 的三維本底數據獲取。

  2.3 低空飛行載具與相機

  為進一步提高分辨率、顏色信息及降低飛行成本,已研制出無人機掛載微型傾斜相機的數據獲取方案。由于無人機滯空時間短、載重有限,因此傾斜相機多采用鏡頭式相機嵌入鈦金云臺制成,在300 m 以下的低空作業,多應用于5 ~10 km2的廠區、高校、景點、建筑群的精細化建模。低空數據獲取優點:起降方便、人員少、成本低;飛行姿態穩定,POS 數據較準確;構建模型顏色逼真,分辨率高,數據精度較好。低空數據獲取缺點:作業效率低,平均每天0.5 ~1 km2,導致大區域建模時的顏色連續性差。

  3 傾斜攝影數據處理方案

  3.1 攜帶高精度POS信息的數據處理

  在市面較常見的傾斜航攝解決方案中,傾斜航攝儀與無人機攜帶的微型航攝系統均具有較高精度的POS 數據,有利于精確還原空三網,在無控情況下亦可保證較高的相對精度。該數據適合用街景工廠進行處理,街景工廠的處理原則是滿足空三網精度要求后方可進行建模工作,意味著建模前即對模型精度有很好的控制。而Smart3D 軟件以開源sift 算法為建模核心的全程無干預處理,在POS 信息薄弱的部分,自動以影像拼接為建模與貼圖方案。雖然會取得較好的視覺效果,但會降低模型精度。因此,在POS 數據較好的情況下,應以測繪級精度作為三維數據處理目標。

  3.2 攜帶弱/無POS 信息的數據處理

  對于動力三角翼等受氣流影響較大的飛行載具,所獲取的傾斜影像存在旋偏角大于6°,無準確POS 數據的情況。街景工廠不支持弱/無POS 傾斜數據的直接導入,需要在無人機模塊(EOless)中粗略恢復初始POS 信息,方可進行空三匹配與建模,但效果不甚理想,效率也較低。Smart 3D 軟件可直接處理無POS 傾斜影像數據,僅需添加若干控制點進行絕對定位即可,雖然無法保障實景三維精度,但可快速建模,為警務、城管等弱精度應用提供快速解決方案。

  4 結束語

  傾斜攝影測量的多種解決方案各有優缺點,應用前要充分考慮到項目工期、成本及成果精度優先還是效果優先等要求,適配最優解決方案。一些應用細節要充分考慮,例如,相機分辨率不能完全代表成像質量,POS 系統在多次使用后需要重新校正等。因此,在確定方案后,還應獲取小塊示范影像數據進行成像質量、模型制作評估,綜合考慮后進行項目實施。

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