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大疆消費級無人機快速傾斜攝影測量實踐(基于P4PRO+CC+EPS)

2019-05-21 08:20 性質:轉載 作者:楊云源 吉健 石洪 趙波 來源:北京測繪
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  摘要:分別用 RTK兩種測量模式測定像控點,用大疆消費級無人機 Phantom4PRO 開展傾斜攝影測量,最后進行成果檢驗。結果表明:RTK 電臺模式(...

爱彩网打不开 www.wzfej.icu   摘要:分別用 RTK兩種測量模式測定像控點,用大疆消費級無人機 Phantom4PRO 開展傾斜攝影測量,最后進行成果檢驗。結果表明:RTK 電臺模式(不做坐標校正,精度低)、RTK-CORS 網絡模式測定像控點都能建立傾斜三維成果;像控點相對坐標差較小,但實測坐標差、圖面坐標差較大。RTK-CORS測量像控點的航測成果平面精度為0.036m,高程精度為0.135m;4種明顯地物實測距離偏差都在2cm 內。低精度像控點能輔助快速建立傾斜攝影測量三維成果;若需關注精確坐標,采用 RTK-CORS網絡模式測定像 控點輔助大疆 Phantom4PRO 無人機小范圍快速傾斜攝影測量是可行的。

  關鍵詞:無人機;傾斜攝影測量;實踐

  引言

  無人機傾斜攝影測量以無人機為飛行平臺,搭載一個或多個傾斜攝影系統(數碼相機)獲取多角度、多重疊度的地面多視影像,通過后期處理,建立地表三維模型與相關數字產品。相比于垂直攝影測量,傾斜攝影測量更具優勢。 近年來,由于無人機技術與數碼成 像 技 術 的 成 熟、基于計算機的圖像高速匹配運算的實現、各行業對新6D測繪產品(3DM、DSM、TDOM、DOB、DEM、DLG)的需求等因素使得傾斜攝影測量快速發展。有人機搭載多鏡頭傾斜相機(如萊卡RCD-305鏡頭)或無人機搭載超輕型多鏡頭傾斜相機,航測效果較好。如徐思奇使用的雙鏡頭傾斜相機 航 測 試 驗 達 到了1∶500 地圖制圖精度。專業無人機傾斜攝影測量一般搭載5鏡頭固定式或雙鏡頭擺動式傾斜攝影測量系統,搭載RTK 還可實現地面免像控點測量,但價格昂貴。無人機傾斜攝影測量研究集中在傾斜相機試驗、三維建模、地形圖測繪與精度分析、行業應用等領域。小型消費級無人機通過單鏡頭特定航線獲取的傾斜影像同樣能被主流的三維建模軟件ContextCapture、Pix4DMapper等識別,三維建模完成后,亦可使用EPS、DP-Modeler等軟件進行后期精細化建模及矢量提取。小型消費級無人機航測研究中,以大疆無人機開展垂直攝影測量的研究較多。 如張純斌等基 于 大疆精靈3PRO 進行了50 m-100m間6種航高的垂 直攝影測量實踐,精度達到厘米級。傾斜攝影測量實踐,如孔振等[14]基于大疆Phantom2(搭載DJI2+鏡頭)、Phantom3(搭載 DJI3)傾斜測量數據進行郊區空三精度、DEM、DOM 精度評價,結果優于1∶500航測精度,該研究航測線路為依據測區的自定義航線,大范圍推廣效果有待進一步驗證。

  大疆 Phantom 系列無人機傾斜攝影測量經濟適用、對起飛場地要求低、操控靈活,但是動力有限、沒有搭載高精度 RTK、不具備大范圍測圖的能力。城區建筑高、地物多樣,傾斜攝影測量難度大;尋找大地控制點、RTK 架設電臺、坐標采集校正、重復航線及其帶來的大量數據、無人機動力等因素降低了航測效率。 選擇適宜的飛控軟件、適宜航線、RTK 獲取相控點等都關乎傾斜攝影測量的精度與效率。

  本研究基于大疆Phantom4PRO 無人機(飛控軟件為Pix4DCapture)在楚雄市城區某高??骨閾鄙閿安飭?,使用南方測繪銀河1RTK 兩種測量模式(精密模式與粗略模式)獲取像控點三維坐標,基于 ContextCapture完成三維建模,基于EPS進行后期處理。根據 RTK 測量的檢查點與地面明顯地物鋼尺量距數據檢驗成果精度,以期探索簡單、高效、快速的消費級無人機小區域傾斜攝影測量方法,為行業運用服務.

  1、傾斜攝影測量的過程、研究區與研究流程

  大疆無人機進 行傾斜攝影測量的主要過程為

  ①在測區布設像控點,測定像控點三維坐標;

  ②通過飛控軟件操縱,無人機按照飛控軟件設計航線飛行,獲取傾斜多視影像。

  ③ 將多視影像進行勻光、校正等預處理后,進行多視影像連接點自動匹配,匹配粗差檢查、構建自由網。

  ④ 根據地面像控點、POS數據,平 臺校驗參數等進行區域網平差,解算多視影像外方位元素和加密點地面坐標,形成高密度點云數據。

  ⑤ 經過三角網構建和紋理映射,生成數字表面模型,并在此基礎上進行三維建模、正射糾正、矢量提取、地物精細建模等形成新測繪6D 產品。

  研究區為云南省楚雄市內某高校新校區,地勢較平坦,主要建筑都為6層,校內包括教學樓、學生宿舍、食堂、學生會堂、運動場、道路、綠化等,總面積約為22hm2。

  油漆噴涂地面控制點后,使用 RTK 獲取 2種測量模式的2組像控點,使用無人機通過傾斜攝影獲取測區多視影像,通過 ContextCapture完成空三測量與三維建模,然后將建模結果導入EPS,進行后期處理;最后對比2種RTK測量模式獲取的 控制點對建模結果造成的差異;通 過RTK 實測檢查點、鋼尺實測數據檢驗傾斜攝影測量測圖精度。

  圖1技術路線

  2、傾斜攝影測量實施

  2.1 外業測量

  綜合考慮到現有條件與實踐經驗,本研究采用的軟硬件列表見表1。

  飛控軟件選擇 Pix4DCapture,設計航高為60m,航線采用雙網格任務模式(DoubleGridMission),航向、旁向重疊均為80%,傾角70°。

圖2 是本研究的航線設計示意圖

  使用大疆 Phantom4PRO 無人機通過四個架次飛行獲取研究區圖片共2282張,數據量為18.2G。

  RTK 控制點/檢查點測量。表2是本研究采用的 RTK 測量模式。 楚雄州 CORS 站于 2014年10月通過驗收,滿足 GB/T28588-2012、CH/T2008-2005、GB/T18314-2009、GB/T24356-2009技術標準。試驗區距最近的楚雄市西山頂 CORS站直線距離1.5km,CORS 信 號 穩 定,RTK-CORS網絡模式施測時間選擇在下午3點-6點間。使用模式1和模式2分別測定像控點各4個。使用 RTK測量模式2測定檢查點25個。使用鋼尺量距,測量典型地物長度數據40個。

  2.2 內業處理

  使用ACESEE查看圖片,尋找并記錄地面噴涂點所在像片編號;使用 ContextCapture導入多視影像后,逐一確定4個控制點在相鄰像對圖片上的位置及其對應的 RTK 實 測 像 控 點 坐 標,完成空三測量;設置輸出坐標參數,進行分塊設置,輸出傾斜模型成果為 OSGB 格式(RTK 測量模式一、模式二分別得傾斜模型成果 ),輸出DOM 為 TIF 格式。使用 ArcGIS將所有DOM文件拼接為大圖。將傾斜模型成果和 DOM 導入到 EPS,進行地物矢量提取、建筑白模生成、高程數據提取。最后進行傾斜模 型 的 產 品 對 比 和 精度驗證。

  3、結果與分析

  3.1 數據處理結果

  圖3是 研 究 區 傾斜攝影測量 成 果 局 部 圖。其中,圖3(a)是研究區點云數據局部圖,圖3(b)是研究區真三維模型局部圖,圖3(c)是研究區數字表面模型局部圖,圖3(d)是研究區正射影像局部圖。

  圖4是EPS軟件下基于 DOM(左)和傾斜模型(右)的屋頂提取與白模生成(使用五點房繪制法)

圖3傾斜攝影測量成果(局部)

圖4 EPS軟件下基于 DOM(左)和傾斜模型(右)的屋頂提取與白模生成

  3.2 圖像分辨率

  圖像分辨率 R 計算公式為:R=H*P/f (1)其中,H 代表航高,本研究設定為60m;P為單位像素大小,大疆Phantom4PRO 攜帶的相機為DJI6310,1英寸相底,單個像素面積為2.4μm*2.4μm,故 P為2.4μm;f為相機焦距,傾斜成像時,相機f為8.8mm。則可計算得到圖像分辨率R 為1.64cm。

  3.3 不同精度像控點輔助空三測量精度對比

  在野外測量中,無大地控制點導致 RTK 測量精度降低。分別采用模式1(電臺模式,不使用控制點進行坐標校正的低精度、快速模式)和模式2(RTK-CORS網絡高精度模式)獲取像控點三維坐標。分別完成三維建模后,進行像控點的實測坐標和圖面坐標的比較。用均方根誤差 RMSE與平均值來進行精度驗證,其中,RMSE計算公式為:

  公式中,Xi、Yi代表同一位置的實測/圖面坐標。通過模式1、模式2測定像控點,都能通過空三測量和三維建模。兩種模式的三維建模成果圖面顏色、紋理、對比度 無顯著差異。 表3是模式1、2像控點的相對坐標差對比。模式1像控點實測坐標與圖面坐標平面位置差均值(ΔD珚)、高差均值(ΔH珡)分別為0.026m、-0.007m;RMSE 分別為0.027和0.029;模式2實測坐標與圖面坐標差ΔD珚、ΔH珡 分別為0.016m、-0.010m;RMSE分別為0.020和0.024。表4是模式1、2像控點的絕對坐標差對比。模式1、2像控點絕對坐標差異較大,像控點圖面平面位置差均值(ΔD珚)、高差均值(ΔH珡)分別為2.416m、0.605m;像控點實測的 ΔD珚、ΔH珡 分別為2.415m、0.608m。通過對比可發現:采用模式1、模式2測定像控點都能夠建立傾斜三維成果,且模式1、2像控點的相對坐標差比較小,但是圖面的絕對坐標差別較大。這是由于模式1不使用大地控制點進行坐標校正而直接進行測量造成的。若只注重局部三維效果,可直接使用模式1快速測定像控點;若在建立三維成果的基礎上,還需關注精確坐標,則必須精確測定像控點。

  3.4 三維成果精度分析

  使用 RTK-CORS網絡模式(模式2)在“固定解”狀態,按照表2的方法,測得檢查點25個。從三維成果圖面采集三維坐標,分別與實測檢查點對照,計算 RMSE,并與CH/T9008.1-2010標準對照。表5為研究區檢查點誤差對比。

  本研究的平面精度達到0.036m,高程精度達到0.135m,尤其是平面精度較高,總體精度優于1∶500航測精度要求。選擇4種明顯地物,使用鋼尺測定實際距離,在 DOM 上對應4種地物每種測定10個樣本距離,計算圖面平均值后與實際距離比較。表6是研究區4種典型地物尺寸對比。實測距離與圖面距離偏差都在2cm 之內。說明 RTK-CORS網絡輔助進行像控點測量是切實可行的。

  4、結論與展望

  使用 RTK 兩種測量模式獲取像控點;采用飛控 軟 件 Pix4DCapture,使用大疆 Phantom4PRO 無人機進行傾斜攝影測量實驗;進行了不同精度像控點輔助空三測量產品對比和精度驗證。研究獲取了空間分辨率為1.64cm 的影像。采用模式1(RTK 電臺模式,不進行坐標校正,精度低)、模式2(RTK-CORS 網絡測量模式)測定像控點都能夠建立傾斜三維成果,模式1、2像控點的相對坐標差比較小。但模式1、2 像控點絕對坐 標 差 較 大,像 控 點 圖 面 平 面 坐 標 差 均 值(ΔD珡)、高差均值(ΔH珨)分別為2.416m、0.605m;像控點實測的 ΔD珚、ΔH珡 分別為2.415m、0.608m。

  這是由于模式1 不使用大地控制點進行坐標校正而直接進行測量造成的。 若 只 注 重 局 部 三 維效果,可直接使用模式1 快速測定像控點;若在建立三維成果的基礎上,還需關注精確坐標,則必須精確測定像控點。本研 究 的 平 面 精 度 達 到0.036m,高程精度達到0.135m,尤其是平面精度較高,總體精度優于1:500航測精度要求。選擇4種明顯地物(校內車位線、水泥路伸縮縫、地磚組合圖案、井蓋),實測距離與圖面距離偏差都在2cm 之內。說明采用 Pix4DCapture雙網格任務模式設計航線,采用 RTK-CORS 網絡模式進行快速像控點測量是切實可行的。本研 究 使 用 RTK 電 臺 模 式 (不 做 坐 標 校正)、RTK-CORS 網絡模 式 測 定 像 控 點,進 行 了傾斜攝影測量與精度驗證,取得了成功。此次實驗中,相機70°傾角導致6 層及 以 上 建 筑 窗 子 有少部分“拉花”現象;因電池續航原因,整個測區4個架次航測時間過長,導致三維建模產生建筑陰影。另 外,RTK-CORS 網 絡 測 量 本 身 受 制 于CORS信號,像控點 必 須 選 擇 在 開 闊 地 面。2018年8月,價格更貴的行業級精靈 4RTK 無人機(4G 網絡版)上市,其產品精度值得繼續研究。

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