倾斜摄影点云数据在裸露地形图测绘中的应用_刘力.pdf

DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 053倾斜摄影点云数据在裸露地形图测绘中的应用刘力1，薛慈恩1，杨昆仑2(1 渭南市水利水电勘测设计院，陕西 渭南 714000;2 陕西省水利电力勘测设计研究院测绘分院，陕西 西安710002)摘要利用实景三维模型实现的“裸眼”测图技术需要人工在三维模型中采集地形高程点，针对这一过程较为费时，再有倾斜摄影点云数据的闲置等问题，文中在某引水项目穿越沙漠段地形图测绘项目中选取了一块作为实验区，采用了无人机倾斜摄影方法获取到点云数据，直接绘制了地形图，并利用三维模型中采集的高程点对地形图高程精度进行了检校，结果表明，在裸露区使用倾斜摄影点云数据绘制的地形图与基于实景三维模型测绘的地形图精度无异。关键词倾斜摄影;三维模型;点云数据;地形图;图幅等高线高程中误差中图分类号P231 2文献标识码B文章编号1004 1184(2023)03 0154 03收稿日期2022 12 12作者简介刘力(1981 )，男，陕西华州人，工程师，主要从事水利工程测量工作。通讯作者杨昆仑(1987 )，男，陕西乾县人，高级工程师，主要从事水利水电工程测量工作。0引言无人机航测技术具有机动灵活、作业高效迅速、成本低廉等特点，在小区域地形图测绘领域具有明显的优势。倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术，倾斜摄影三维高精度测图解决方案是基于倾斜摄影技术、实景三维模型技术对地形、地貌数据进行采集，是利用实景三维模型进行的“裸眼”测图。“裸眼”测图技术，减少了大量的外业工作时间，且精度可以得到保证，目前已经广泛应用。三维激光扫描仪、激光雷达等设备均可以直接获取三维点云数据，多视角影像可间接获取点云数据，高密度的三维点云可以细致的表述地形或其它被摄物体。目前，基于机载激光雷达技术的地形测绘已逐渐成熟，但成本仍然较高。多视角影像(倾斜影像)通过三维重建软件可以较为方便的获取三维点云数据。倾斜摄影项目作业过程中人工在三维模型中采集地形高程点占据了大量的时间，但是在裸露区域，可直接获得三维点云数据，节省了在三维模型中采集高程点的时间，点云数据密度可根据地形复杂程度及成图比例尺选择。文中以某裸露区域作为实验区，利用无人机倾斜摄影测量方法获得了实景三维模型，同时获取到了三维点云数据，利用点云数据绘制了 1:1 000 比例尺地形图，采用三维模型中采集的地形点对地形图高程精度进行了检查。1倾斜摄影点云数据在裸露地形测绘中应用流程主要流程包括:项目踏勘与策划、航线布设与地面控制测量(像控测量)、外业航摄、GNSS 与 IMU 联合平差计算(空三计算)、三维点云生产、DOM 生产、地物要素采集和地貌等高线数据生成、地形图编绘等步骤。具体流程见图 1。2研究区应用实例分析榆林市王圪堵水库至靖边引水项目的引水管线多数分布在毛乌素沙漠内，文中选取了一区块植被稀少的裸露沙漠区域作为实验区，区域内地形连绵起伏，在实验区内进行了无人机倾斜摄影，利用倾斜影像获得了地形点的三维点云数据，使用南方 CASS 软件，加载正射影像图，完成地物采集，并编绘完成了 1:1 000 地形图。使用 EPS 软件加载实景三维模型采集到了少量的地形检查点，用来检查地形图的高程精度，并统计了基于三维模型高程点的地形图图幅等高线高程中误差。图 1倾斜摄影点云数据地形测绘流程2 1航摄及实景三维模型、点云数据及数字正射影像生产2 1 1航摄实验区采用大疆精灵 4 PO 无人机(搭载自带相机)获取航摄影像，通过飞行五个方向(下视、左视、右视、前视、后视)来获取倾斜影像和正射影像，采用 DJI Pilot 软件进行航摄任务规划设计及飞行控制，DJI Pilot 软件可根据现场绘制或者导入的航摄范围自动生成倾斜摄影航线，低电量自动返航，航线断点续飞功能(当航线执行中断后，能够再次续飞)。大疆精灵 4 PO 无人机为四旋翼无人机，性能参数见表 1;自4512023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay，2023Vol.45NO.3带相机为非量测型高分辨率数码相机，参数见表 2。表 1无人机性能参数无人机类型四轴飞行器轴距/m0 35重量/kg1 4最大速度/km/h72定位模式速度/km/h50最大续航时间/h0 5垂直悬停精度 0 1m(视觉定位);0 5 m(GNSS 定位)水平悬停精度 0 3m(视觉定位);1 5 m(GNSS 定位)表 2航摄相机性能参数像素2 000 万像素影像传感器1 英寸 CMOS影像尺寸5742 3 648 像素传感器尺寸13 2 8 8 mm镜头焦距8 8 mm曝光延迟 10 ms实验区航摄时无人机飞行相对航高为 150 m(地面分辨率为 0 04 m，GSD=H P/f，H 为航高，单位为 m;f 为镜头焦距，单位为 mm;GSD 为地面分辨率，单位为 m;P 为像元尺寸，单位为 mm)。根据相对航高、重叠率及地面分辨率进行航摄，实验区内航线总数为 20 条，像片总数为 347 张(正射103 张、倾斜 244 张)。航向重叠率最小为 70%、旁向重叠率最小为 60%;像片倾角均小于 5;像片旋偏角均小于 15。实验区内航摄影像清晰，层次丰富，反差适中，色调柔和，能辨认出与地面分辨率相适应的细小地物影像，能够建立清晰的立体模型。飞行质量及影像质量均满足要求。2 1 2像控点测量按照航向及旁向 300 m 间距布设像控点，实验区为矩形区域(600 m 700 m)，布设了三排，共 9 个平高像控点。采用基于 SHX BDCOS 系统的网络 TK 按照图根级精度测量像控点，坐标系统为 2000 国家大地坐标系，高程采用 TK 拟合高程数据，为 1985 国家高程基准。图 2空三计算 3D 视图2 1 3空三计算使用 ContextCapture Master 软件(下文中称 CC 软件)采用光束法区域网平差法进行空三计算。CC 软件 AT 模块经过 Extracting Keypoints(提取特征点)、Selecting Pairs(提取同名像对)、Initialization Orientation(相对定向)、Matching Points(匹配连接点)、Bundle Adjustment(区域网平差)等步骤的运算处理，得到摄区空中三角测量成果。主要流程包括:打开软件新建工程、添加影像、导入影像POS 数据、提交空三计算、3D 视图检查及查看质量报告、通过后添加像控点并在影像上刺点、再次提交空三、直到空三计算精度满足规范1要求。实验区航摄空三计算通过后基本定向点水平残差最大为(MS of horizontal errors m)0 013m;垂直残差最大为(MS of vertical errors)0 007 m，符合规范要求。图 2 为空三计算 3D 视图。2 1 4实景三维模型、点云及正射影像生产空三计算通过，进行航摄产品的生产，主要流程包括:新建重建项目、设置空间框架(选择坐标系，选择切块方式等)、提交三维网格(3MX 格式，原始格式;OSGB 格式，可用于采集地形点的实景三维模型格式);提交三维点云(LAS 格式)、提交正射影像(TIFF 格式)。图 3a 数字正射影像，图 3b 为实景三维模型，图 3c 为点云数据。图 3CC 软件生产的三维模型、正射影像和点云数据2 2基于点云数据和 DOM 数据的地形图编绘2 2 1点云数据格式转换使用 CloudCompare 软件进行点云数据处理，CloudCom-pare 是一个点云可视化软件，可编辑与处理三维点云数据。由于试验区为地表裸露区，点云数据粗差较少，仅需要软件根据特定算法简单处理即可，具体流程包括:打开 CloudCom-pare 软件并加载 LAS 格式点云数据、选中点云数据选择“plu-gins(插件)”中的“CSF Filter(过滤器)”功能、选择为缓坡地形并设置参数、点击 OK 一键处理、处理完的点云数据另存为dxf 格式并导出。2 2 2地形图编绘使用 CASS 软件打开点云数据(dxf 格式)，将点云高程点转换为具有高程属性的高程点数据，使用高程点建立三角网，生成等高线。然后加载 CC 软件生产的 DOM，进行地物数据编辑和等高线修改，最终完成地形图绘制。2 3地形图精度检验2 3 1检查点获取使用清华三维 EPS 软件的三维测图模块，加载实验区的实景三维模型(OSGB 格式)，在三维模型中共采集到均匀分布的 75 个地形检查点。用于检查基于点云数据生成的地形图高程精度。2 3 2地形图精度检验将地形检查点展绘在编辑完成的地形图内，根据等高线内插出检查点对应位置的地形图高程值，计算出三维模型与地形图中检查点的高程差值。利用高程差值按照公式 m=n(式中:m 为高程中误差;为地形点高程与地形图上对应位置等高线内插高程值的差值;n 为参与计算的点数)计算图幅等高线高程中误差。551第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月表 3基于检查点的地形图高程精度统计表三维模型采集地形点高程值/m等高线内插高程值/m差值/m备注1 186 51 186 50Min 差值1 192 71 192 90 2Max 差值0 08Avs 差值 0 07中误差表 3 说明三维模型地形点高程值与点云地形图内插高程值最大差值为 0 2 m，仅为允许值 1 m(2 倍中误差)的1/5，中误差为 0 07 m，小于限差 0 5 m(按照 1 m 等高距的丘陵地计算)2。可见，在本试验区利用无人机倾斜摄影点云数据测绘的地形图达到了预期精度。3结语文中对倾斜摄影点云数据绘制地形图的思路与流程进行了阐述，对与之相关软件的操作也进行了概要说明，并通过实验区对其进行了验证。文章的主旨是对无人机倾斜摄影测量方法测绘地形图技术的在裸露区域中的一种实践与尝试，其目的是节约大量人工采集地形点的时间，并且保持较高的地形高程精度。文中试验区点云数据绘制的地形图等高线内插高程点与三维模型采集的高程点平均差值为 008 m，中误差仅为 0 07 m，可见实验区利用点云数据绘制的地形图与常规的倾斜摄影技术测绘的地形图精度差异不大，裸露区域可以直接利用倾斜摄影点云数据绘制地形图。参考文献 1GB/T 23236 2009 数字航空摄影测量 空中三角测量规范S2009 2SL 197 2013 水利水电工程测量规范S 2013(上接第 113 页)474 00 m，防浪墙高 1 2 m，最大坝高 48 0 m，坝顶宽度 10 0m。正常蓄水位 472 00 m，设计洪水位 472 43 m，校核洪水位 472 71 m。放空洞建筑物位于大坝右岸，由进口明渠段、岸塔式进水口、放空隧洞、洞内消力池，出口明渠组成，进口底板高程 437 00 m，隧洞全长 242 98 m。放空洞闸室侧墙内设置生态流量管，通过放空洞将生态流量下放于下游河道。灌区取水建筑物位于大坝右岸，由塔式进水口、洞内消力池和无压隧洞组成，进水口底板高程 445 0 m，隧洞全长174 m。设计取水流量 1 80 m3/s，加大取水流量 2 48 m3/s。取水隧洞建筑物位于大坝右岸，放空洞右侧，为保证取水建筑物长期稳定运行，选用岸塔式进水口作为渠首建筑物。由岸塔式进水口、洞内消力池、取水隧洞、全长 158 38 m。岸塔式进水口布置在取 0 015 00 取 0+000 00，顺水流方向长 15 00 m，横向宽度为 6 5 m，塔顶高程 474 00m，高 32 0 m，塔顶设置启闭机房。进水口闸室设置拦污栅 1扇，拦污栅后接事故检修闸门 1 扇，尺寸为 2 5 4 35 m，事故检修门后设置工作闸门 1 扇，尺寸为 2 50 2 50 m。取水口闸室采用长 20 0 m 的工作桥与岸边公路连接。取水口后设 12 2 m 长的渐变段与洞内消力池相接。闸室结构为 C25钢筋砼。进水塔侧墙厚度 2 0 m。洞内消力池(取 0+012 20 取 0+029 70)为城门洞型，