南水北调三维实景建模中倾斜摄影的使用,摄影论文.docx

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1、南水北调三维实景建模中倾斜摄影的使用,摄影论文摘 要： 基于机载倾斜相机的真三维实景影像具有真实、快速的特点，可真实映射三维世界、表示出连续属性在空间上的变化情况。基于无人机倾斜摄影测量技术，通过倾斜影像数据的一体化采集与建模处理，生成高精度、高质量的数据产品。通过构建倾斜摄影真三维模型，为南水北调精细化管理以及管理质量提升提供了可精到准确量测分析、及时动态更新、集成各类信息的统一底版。 本文关键词语 : 无人机;倾斜摄影;三维实景;建模; Abstract： The 3 D real scene images based on the airborne oblique camera have

2、 the characteristics of reality and rapidity, which can reflect the 3 D world and express the changes of continuous attributes in space. In this paper, we used the UAV oblique photogrammetry technology to generate high-precision and high-quality data products. The construction of real 3 D model of o

3、blique photography can provide a unified base plate that can realize accurate measure and analysis, timely and dynamical update, and integrating all kinds of information for the fine management and management quality improvement of South-to-North Water Transfer Project. Keyword： UAV; oblique photogr

4、aphy; 3D real scene; modeling; 南水北调中线全线三维实景建模项目是一项重大的水利工程项目，跨越河南、河北、北京、天津，总干渠全长1 432 km。该项目是对中线工程的主干渠道、左排建筑物以及上游河流进行全线无人机倾斜摄影测量，全面真实地采集中线工程沿线地形地物现在状况；并利用无人机航测技术，结合三维实景建模技术，构建全线三维实景模型。该项目三维实景建模面积约为3 042.1 km2。本文选取河南省禹州市南水北调渠道部分段作为试飞区，试飞区内渠道长约为16 km，测区面积约为46 km2。 1 、三维实景建模数据成果要求 1.1 、空间精度 检查点平面位置误差不大于

5、0.1 m；高程中误差不大于0.2 m，丘陵或山地高程中误差不大于0.5 m。拍照死角、隐蔽、暗影等特殊困难地块的中误差可适当放宽0.5倍1。 1.2、 纹理精度 没有被掩藏的构筑物楼体应外形清楚明晰、轮廓光滑；立交桥不管侧面还是正面纹路都理当到达持续不拉花、外外表光滑清楚明晰的要求；道路应消除运动车辆对纹理的影响，使道路纹路、中线和边线能匀称、持续、合理的表示2。 1.3、 其他精度要求 在不影响整体三维实景建模数据使用的情况下，数据在一些细节表现方面稍有不敷，主要影响为：(1)水面为弱纹路区，其范围内允许出现为数不多的三维实景建模数据裂缝，但应采取一些技术措施在三维平台应用中进行增补；(2

6、)电杆、女儿墙、塔吊、高压线塔、展牌等支架细小的物体以及路灯等边沿地区的像素较少，无法正确匹配点云，允许有较少部分的三维实景建模数据表述不全3;(3)道路上运动的车辆以及构筑物立面大块玻璃区域反光等情况对TIN网的组成有一定影响，允许该类区域的大概情况模型有极少数的起伏现象。 2 、设计道路 固定翼旋翼+五镜头的作业方式首先需进行测区踏勘，一般是通过获取测量区域已有的图件资料了解测区的整体情况；再进行航线优化设计。航飞之前需布设像控点并进行有效测量，倾斜摄影测量完成后，利用POS数据、像控成果对原始倾斜影像进行精到准确的空中加密；再基于空三加密成果，生成倾斜模型成果。 3 航线规划 三维实景建

7、模数据采集的航飞线路采用专业航线设计软件来设计，地面分辨率、航高和物理像元尺寸知足三角比例关系。由于需自动化生产倾斜三维模型，其重叠度需高于规范要求，因而设置旁向重叠度不低于65%，航向重叠度不低于70%4。航线设计软件会生成一个飞行计划文件，包含飞机的航线坐标以及各个相机的曝光点坐标位置。实际飞行中，各相机根据对应的曝光点坐标会自动进行曝光拍摄。 1飞行区域绘制。确定航摄区域后接通飞行器电源，在飞控软件中连接飞行器，规划飞行任务，并绘制飞行区域。 2飞行安全分析。绘制飞行区域后，在Google地图上检查该区域内各部分的相对位置和高程差，分析计划飞行区域的安全性；然后进行现场勘踏调查，寻找合适

8、飞机起降的地点。确定飞行高度时，应注意航线区域能否有不安全因素，如高山、高楼、高压电塔等5。 3飞行参数设置。根据项目精度要求、飞行区域大小、飞行环境允许的飞行高度等来设置飞行高度、飞行速度、航向重叠度、旁向重叠度等参数。 4 、采集流程 真三维模型的制作采用Context Capture Center软件自动建模系统完成。根据摄影测量原理，该系统首先获取大重叠度的倾斜影像，再进行空三加密、多视影像密集匹配和纹理映射等处理，最后生成真三维模型6。建模经过完全无需人工干涉，由Context Capture Center软件自动建模系统自行处理，其能处理的数据类型广泛，输出格式多样，具有简单、快速

9、、全自动等特点。模型成果中所有建筑物的纹理和空间关系均采用分层显示技术，为了充分具体地表示出建筑物的细部特征，且在常规计算机上也能流畅显示，一般分层在20层以上。 将利用倾斜摄影技术获取的影像数据导入Context Capture Center软件自动建模系统进行批处理，只需人工介入三维模型编辑修饰、对模型的质量进行控制等工作即可。详细流程如此图1所示。 图1 三维建模数据生产作业流程图 4.1 、像控点布设与测量 项目共布设约60个像控点，可根据分块情况进行调整，根据航飞进度提早布设即可。 4.1.1 、像控点布设 由于倾斜摄影数据含有IMU/GPS资料，且航向、旁向重叠度均为65%以上，考

10、虑到测区地形因素，项目采用稀疏布点的方式。像控点布设位置如此图2所示。 图2 像控点布设点位略图 4.1.2 、像控点测量 1精度要求。像控点的平面和高程中误差均不超过5 cm。 2像控点选择。应选择影像能清楚明晰分辨体认、没有遮挡的明显特征地物，相交角度好的线状特征地物的交点以及明显特征地物的拐角顶点，如目的清楚明晰的硬化道路的交角、路上的实线和斑马线的角、大门顶盖角、平屋顶房子的房角、篮球场的实线角、门墩的顶角以及其他便于量高、测距的墩台、柱的顶部拐角等，或者硬化地面刷油漆、土地撒石灰等做出便于辨别的“十 字形或“L 字形测量标识。 3像控点测量。由于测区范围内河南省CORS和千寻基站信号

11、均可覆盖，且精度知足倾斜摄影测量的要求，因而像控点可基于河南省CORS和千寻基站根据甲方控制点求得参数后直接获取。每点采集3次取均值。 4像控点整饰。采用电子档整饰，全部在原始影像数据上进行。利用Photoshop软件在相片数据上添加整饰信息，整饰后的文件以像控点名为文件名保存。外业可拍现场照片，辅助内业快速判点。 5成果整理。像控点坐标成果表采用Excel软件制作，并按控制点点号的优先级进行排序。表格数据文件字段顺序和名称为：点号、N、E、H、备注。 4.2、 航飞倾斜数据采集 1外业航飞。外业航飞的环境条件为：天气晴朗、无风或微风，空气通透度良好，起飞场地周围空旷，尽量在9:0015:00

12、作业。可根据地理位置、季节、天气、工期等调整作业时间段。 2倾斜数据采集。根据区域航拍计划，找到适宜的起飞点，对各区域进行拍摄。检查设备无误后，确认起飞的安全区域和安全高度，开启无人机起飞。起飞时，飞控手通过遥控器实时控制飞机，地面站飞控人员通过飞机传输回来的参数实时观察飞机的飞行状态。飞机到达安全高度后由飞控手通过遥控器收起起落架，将飞行形式切换为自动任务飞行形式。为了保证无人机的飞行安全，飞控人员要注意飞行速度、姿态和高度，以及飞控软件中显示的电池状况、航线完成情况等。飞行任务完成后，无人机降落时应确保降落地点的安全，避开障碍物和路人。无人机着陆后，检查摄像机中的图像数据和飞控系统中的PO

13、S数据能否完好。 3数据质量检查。数据采集完成后，对采集的影像进行检查，对不合格区域进行补测，直到影像质量符合要求为止。针对无法旋转镜头拍摄的建筑和地面死角，采用灵敏、易用的大疆精灵4专业版补拍建筑侧面信息，进而进一步提高模型质量。 4.3、 自动化空三加密 Context Capture Center软件自动建模系统加载所拍摄的测区影像时，只需人工设定控制点的数量，系统就会自动采用光束法对整个测区进行区域网整体平差。一个平差单元就是一张相片组成的一束光线，平差单元的基础方程就是中心投影的共线方程7。在空间对各光线束进行平移和旋转，使模型之间的公共光线实现最佳交会，将整个拍摄区域嵌入到控制点坐

14、标系中，进而恢复地物间的空间位置关系8。 4.4、 影像处理 1影像密集匹配。密集匹配技术是利用二维影像恢复三维信息的关键技术之一9。Context Capture Center软件自动建模系统根据高精度的影像匹配算法，自动寻找所有影像中的同名像点进行匹配，并从影像中尽可能多地抽取特征点，构成密集点云，进而表示出出更准确的地物细节10。越复杂的地物，越密集的建筑物，点密集程度就越高；反之，则相对稀疏。 2纹理映射。根据影像密集匹配的结果，影像之间的三角关系由空三加密构成TIN，再由TIN构成白模。软件从影像中计算相应的纹理，并自动将纹理映射到相应的白模上，最终构成一个真实的三维场景11。 3三

15、维成果修改。对模型进行检测，反复处理明显纹路缺陷、模糊图和拉伸变形等现象，直至其精度知足真实三维建模的设计要求为止。 4三维成果输出。利用该系统输出需要格式的三维成果。 4.5 数字高程模型制作 4.5.1 制作流程 利用软件自动生成的DSM数据进行自动滤波、人工编辑、数据内插、接边分幅，进而生成知足11 000DOM精度要求的DEM成果，DEM为生产DOM的经过产品。DEM制作流程如此图3所示。 图3 DEM制作流程图 4.5.2 、作业方式方法 1自动滤波。利用软件对生成的DSM数据进行自动滤波，去除建筑物、植被、电力设施及其附属物等地物数据，保存地表模型数据。 2人工编辑。由于自动滤波算

16、法难免会有误差，因而需人工干涉对数据进行遍历，修改模型上的错误。 3)DEM数据接边分幅。对分块的DEM数据进行拼接，再根据11 000比例尺对其进行分幅。 4)DEM数据检查、修改。对分幅后的11 000DEM数据进行检查，对不知足数据要求的进行人工修改，直至知足11 000 DOM成果要求为止。 4.6、 倾斜模型生产 空中加密采用Context Capture软件进行多视影像联合平差。多视影像联合平差需充分考虑影像的几何变形和遮挡关系12。结合定位元素POS系统提供的多视影像外方位元素，采用从粗到精的金字塔匹配策略，自动在每级影像上进行同名点匹配和自由网光束法平差，可得到较好的同名点匹配

17、结果13。同时，建立了多视点图像自标定区域网平差的误差方程，并参加像控点坐标、连接点、连接线、GPU/IMU等辅助数据，通过联合计算保证了平差结果的精度14。详细流程为：(1)配置集群运算环境；(2)像控点刺点和设置空中加密参数；(3)三维模型构建。 基于Context Capture软件，项目采用全自动化的生产形式算法生成基于影像的超高密度点云，再利用超高密度点云构建TIN模型，最终生成基于影像纹理的高分辨率倾斜摄影三维模型。三维模型样例如此图4所示。 图4 局部三维模型 5 、结束语 随着无人机技术的创新与发展以及无人机的普及，近年来无人机倾斜摄影技术遭到了越来越多的关注。无人机倾斜摄影技

18、术可有效降低城市三维建模成本、快速获取城市的完好基础信息，还能够无人机倾斜摄影数据为基础，快速建立模型库。随着无人机倾斜摄影技术的进一步发展，其在城市建筑监测、城市管理、城市规划等方面的作用将越来越大，可为各行业带来更多的便利。 以下为参考文献 1房丽秀浅谈倾斜摄影和实景三维模型制作的检查J测绘与空间地理信息.2021,41(3):175-177 2陈建军浅谈无人机倾斜摄影技术在城市大比例尺三维建模和应急测绘中的应用研究J经纬天地,2021(6):77-81 3庞达基于厄米特插值和时间序列模型在沉降监测中的应用J测绘与空间地理信息,2021,41(3)-171-174 4刘本宁，黄兵张陈锋倾斜

19、摄影测量技术在三维建模中的应用J城市勘测,2021(1):37-40 5李敏勇.倾斜摄影技术在乡村景观规划设计中的应用J福建商学院学报2021(5):87-94 6周晓波,王军周伟基于无人机倾斜摄影快速建模方式方法研究J当代测绘,2021 ,40(1):40-42 7李东升,张兵良,万保峰等无人机技术在房户测绘中的应用J昆明冶金高等专科学校学报,2021,34(5)-35-40 8刘俊龙,张文君;邹强等基于无人机影像的泥石流流域精细化地形建模方式方法J .西南科技大学学报,2022,34(2):19-24,31 9王黎潇倾斜摄影测量技术在三维建模研究中的应用J.中国锰业,2022,37(2);:92-94,98 10张平.倾斜摄影和激光扫描技术在城市三维建模中的融合应用研究J城市勘测,2021(4):99-103 11梁柳铄倾斜摄影测量技术在三维建模中的应用J数字化用户,2021(24):59-62 12赵超侯恩兵倾斜航空摄影在安徽省数字城市建设中的应那J地理空间信息,2022,17(3):43-44 13孙永进，徐白山，赵硕,等基于倾斜影像的三维模型构建与修复方式方法研究J.测绘与空间地理信息2022,42(1):218-221 14欧阳文森,朱建军经典平差模型的扩展J测绘学报2018.38(1)-12-15