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基于傾斜攝影的TDOM制作及其在水利工程中的應用探討

所屬分類:電子論文 閱讀次 時間:2022-02-16 10:26

本文摘要:TDOM是一種所有物體的傾斜角度均被糾正的數(shù)字正射影像,無投影差和漏洞,位置及圖像更加精準,在各工程建設領域具有很高的應用價值。文章介紹了基于傾斜攝影技術制作TDOM的主要理論和方法,總結了影響TDOM質量的主要因素,提出了相應的解決方案,為TDOM的制作提供了新

  TDOM是一種所有物體的傾斜角度均被糾正的數(shù)字正射影像,無投影差和漏洞,位置及圖像更加精準,在各工程建設領域具有很高的應用價值。文章介紹了基于傾斜攝影技術制作TDOM的主要理論和方法,總結了影響TDOM質量的主要因素,提出了相應的解決方案,為TDOM的制作提供了新的思路。最后,探討了TDOM在水利工程建設領域的相關應用。

  關鍵詞TDOM;傾斜攝影;數(shù)字微分糾正;投影差;DOM;DSM;水利工程

攝影技術

  數(shù)字正射影像圖(DigitalOrthophotoMap,DOM)同時具有影像、坐標和幾何特征,具有精度高、信息全、形象直觀等特點,是構建空間數(shù)據(jù)框架的重要組成依據(jù),是測繪產(chǎn)品的重要組成部分,在工程建設規(guī)劃、災害防治、水環(huán)境監(jiān)測評估、土地利用調(diào)查等各領域應用廣泛。

  傳統(tǒng)正射影像圖的制作主要是通過中心投影影像數(shù)字微分糾正方法得到的,在糾正過程中,具有一定高度的地面物體會相互遮擋,無法解決投影差問題,容易產(chǎn)生遮蔽現(xiàn)象;在影像圖拼接過程中,圖幅間及航帶間接邊還經(jīng)常出現(xiàn)建筑物錯位、變形等問題,這使得正射影像失去了“正射投影”的意義。另外,采用DOM拼接線編輯方法處理錯位、變形等問題,效率較低,質量也難以保證[1]。

  傾斜攝影生產(chǎn)真正射影像(TrueDigitalOrthophotoMap,TDOM)的主要方法是利用傾斜攝影采集的高密集點云構建數(shù)字表面模型,再通過數(shù)字微分糾正方法改正中心投影影像的幾何變形,對整體區(qū)域進行影像重采樣,生成高質量的真正射影像。此方法可解決投影差問題,在影像圖拼接過程中能避免出現(xiàn)建筑物錯位、變形等問題。針對建筑物影像真正射糾正后可能存在的“漏洞”,還能利用傾斜影像進行修補,以保證TDOM的完整性。

  1關鍵技術

  1.1投影差控制

  投影差是地形起伏引起的像點位移,與相機焦距、拍攝航高、地物高低及地形起伏有密切關系。通常情況下,地面點相對高度越高、成像點距離像主點越遠,投影差越大,反之則越小。點的相對高度是自然屬性,無法人為控制,在必要情況下,可以增加影像重疊度來盡量減小投影差[2]。在TDOM實際生產(chǎn)中,主要利用數(shù)字表面模型(DigitalSurfaceModel,DSM)來控制投影差,通常在TDOM生產(chǎn)前規(guī)定Δl的最大值,即規(guī)定TDOM平面中誤差的精度指標。

  文章采用的CW-10C無人機正攝鏡頭焦距為20mm,其等效焦距為30mm,設定航向、旁向重疊度分別為80%、70%,則最遠點到像主點的距離為5.88mm,若要求投影差不大于0.6m,則相應的DSM高程誤差應不大于3.06m;設定航向、旁向重疊度分別為60%、30%,則最遠點到像主點的距離為13.41mm,若要求投影差不大于0.6m,則相應的DSM高程誤差應不大于1.34m。焦距f越大,DSM高程誤差的限差越大;航向、旁向重疊度越大,DSM高程誤差的限差也越大。

  1.2重疊度設置

  多視影像密集匹配和聯(lián)合平差是提高TDOM精度和質量的關鍵技術,通過高分辨率、高精度的DSM進行影像幾何糾正,能有效改正中心成像造成的影像幾何變形與位置偏差。它主要在多角度傾斜攝影影像聯(lián)合空三加密的基礎上進行密集匹配,生成高密度三維點云,其精度與效果跟影像分辨率和重疊度關系密切。

  在傳統(tǒng)航向重疊度60%和旁向重疊度30%的設置下,地面物體會互相遮擋,影像不易匹配,建筑物各立面紋理特征和幾何精度難以保證[3]。多角度傾斜航攝儀能同時獲取測區(qū)的下視影像和側視影像,為地面物體紋理自動映射和遮蔽區(qū)域紋理補償提供更豐富的數(shù)據(jù)源。因此,在外業(yè)航攝過程中,需對影像航向和旁向重疊度進行提升以減少遮擋,通過較高的冗余度消除粗差,提高DSM精度,進而提高TDOM的精度。

  2TDOM制作

  2.1傾斜攝影

  文章在湖北黃岡市長河治理工程中開展了應用試驗,采用CW-10C無人機,搭配五組SonyILCE5100鏡頭拼裝相機進行傾斜攝影,4個傾斜鏡頭的焦距為35mm,正攝鏡頭的焦距為20mm,像幅尺寸為35.8mm×23.9mm,像素為2400萬。航攝區(qū)域面積約為3km2,測區(qū)平均海拔為30m,最大相對高差為50m,測區(qū)分布了多棟高層建筑物。結合續(xù)航時間及測區(qū)范圍,設計飛行3個架次,共36條航線,地面分辨率為3.8cm,航向及旁向重疊度均為70%,航線間距72m,相對航高為230m,不同架次之間重疊3~4條航線。為提高DSM匹配精度和效果,像控點均布設于開闊平坦地面。

  2.2點云提取及DSM構建

  通過ContextCapture軟件的影像自動匹配功能和SFM技術,計算內(nèi)方位元素和相機畸變參數(shù),并考慮像主點偏移影響,恢復相機拍攝瞬時位置姿態(tài),再通過自由網(wǎng)平差和像控點平差,生成帶坐標的稀疏點云,進一步利用多視立體視覺技術創(chuàng)建三維網(wǎng)格進行點云加密,最后獲得測區(qū)的DSM。

  2.3空三平差

  傳統(tǒng)垂直攝影測量系統(tǒng)只能解算處理垂直視角影像,無法解算其他傾斜視角影像。傾斜攝影空三加密包括垂直的下視角和前、后、左、右傾斜視角等多視角影像的數(shù)據(jù)處理,它以5個視角的POS數(shù)據(jù)為基礎,分別獲取各視角外方位元素和姿態(tài)參數(shù),在每級影像上由粗到細進行多視角影像自動匹配和自由網(wǎng)平差,然后建立5個視角影像控制點刺點連接,聯(lián)合進行平差解算。在空三加密時需注意的是:

  (1)傾斜影像幾何變形較大,隨拍攝距離增大而變大,需合理選取匹配影像;(2)傾斜攝影地物之間容易相互遮擋,僅依靠同名點自動匹配,可能無法成功匹配所有像點,需人工干預補充。

  像點重投影誤差的均方根是客觀反映最終建模精度的重要指標之一,通過該指標可初步判斷模型的精度。試驗中將30個控制點進行空三計算,控制點重投影誤差的均方根為0.03像素,最大值為0.05像素,連接點重投影誤差的均方根為0.7像素,模型精度較高。對傾斜影像和正攝影像空三結果進行了量測分析,結果表明,在下視影像和傾斜影像中,平面中誤差和高程中誤差均滿足航空攝影測量規(guī)范要求。在控制點精度校核上,下視影像的精度比傾斜影像的精度高;在檢查點的精度校核上,則是傾斜影像的精度更高;當影像分辨率為10cm時,平面中誤差在精度范圍內(nèi),高程中誤差略大[9]。

  2.4DSM提取

  利用ContextCapture軟件,生成三維模型瓦片對應的DSM,能夠滿足一般的要求。傾斜影像的特征點對應影像數(shù)中位值為10,明顯大于正攝影像的影像數(shù)中位值3,增強了多視影像密集匹配的穩(wěn)健性。為全面分析傾斜影像和正攝影像DSM的差別,試驗中利用0.05m網(wǎng)格的傾斜影像和下視影像分別生成了數(shù)字表面模型DSM1和DSM2。采用GIS軟件對DSM1、DSM2求差后,截取2個典型斷面進行對比分析,得到斷面高程較差及建筑物高程較 差。

  對于相對高差較小的區(qū)域,DSM較差最大值為1.2m,但在距高層建筑物邊緣線0.2~0.8m處,有多處DSM局部差別較大(7~30m)。這表明正攝影像由于遮擋等原因,產(chǎn)生誤匹配,導致DSM局部誤差較大。DSM存在失真的問題,會導致DOM投影差大,從而DOM會出現(xiàn)明顯的扭曲和失真。

  2.5TDOM生成

  在三維模型基礎之上,生成的DOM已經(jīng)是真正射影像,不需再進行其他糾正。由于測區(qū)范圍過大,軟件自動生成的DSM和TDOM是采用瓦片形式存放的,為了實際應用的方便,通過ArcGIS軟件對瓦片文件進行了拼接合并處理。根據(jù)遮蔽補償原理,遮蔽區(qū)域的紋理能在相鄰航線上得到補償,基本消除了TDOM的漏洞。由于水面的低紋理特性產(chǎn)生的少數(shù)漏洞,采用Photoshop軟件進行了填充修復。

  2.6TDOM精度檢測及效果分析

  2.6.1TDOM精度檢測

  TDOM的位置精度評定可通過比對加密點和檢查點進行衡量。一般選取房角、墻角、陡坎等幾何特征變化大的位置,結合三維實景模型或全站儀檢測進行比對。經(jīng)檢測,檢查點平面誤差最大為0.08m,最小為0.04m,中誤差為0.065m,試驗生成的TDOM滿足了規(guī)范精度要求。另外,將TDOM與1∶500比例尺數(shù)字線劃圖(DLG)進行了疊加比對,套合情況良好,說明TDOM的幾何精度高。

  2.6.2TDOM表征質量對比

  對正攝攝影DOM與傾斜攝影TDOM進行了效果對比,顯見正攝攝影DOM存在建筑物邊緣鋸齒、建筑物房角非直角、正方形扭曲、亭子非圓、內(nèi)部道路邊緣扭曲、道路中線錯位和邊緣被樹木遮擋、建筑物附近的漏洞等缺陷,而在TDOM中均得到改正,TDOM的質量比DOM明顯提高。另外,TDOM細節(jié)紋理更加突出,幾何誤差小,陰影和遮擋大幅度減少,消除了航攝高度和相機傾斜造成的遮蔽影響,影像均勻分布在實際地表位置。

  3TDOM在水利工程中的應用探討

  3.1虛擬漫游巡線

  TDOM形象直觀、信息豐富、坐標位置精準,所有地物屬性一目了然。在水利工程建設前期,結合DEM構建數(shù)字地表模型,進行工程沿線地形地物的分析和可視化巡視,并可直接從影像圖上分析地物屬性、量測所需數(shù)據(jù)資料,從總體上把握工程現(xiàn)狀,還能獲取無法實地查勘區(qū)域的相關信息,便于工程前期的規(guī)劃和選址。

  3.2水利工程信息化底圖

  信息化是當今世界的大勢所趨,是推動經(jīng)濟社會發(fā)展的重要力量,是傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代水利轉變的必由之路。國家大力推進水利信息化建設,旨在提高水資源利用與管理效率,科學合理調(diào)配水資源,促進水利事業(yè)發(fā)展。在此背景下,水利一張圖、智慧水利、數(shù)字流域等工程應用應運而生,這些都需要精準可靠的影像作為底圖,而TDOM高分辨率、高精度、無變形的特性正是水利工程各類信息化應用的重要數(shù)據(jù)基礎。試驗中,利用切片后的TDOM數(shù)據(jù)作為影像基礎構建了工程BIM+GIS數(shù)字化平臺,為工程定位、標繪、量測等各類應用提供了基本底圖,取得了良好應用效果。

  4結論

  文章利用傾斜攝影技術生成的TDOM能滿足規(guī)范要求,消除了傳統(tǒng)DOM幾何精度差、遮擋漏洞等缺陷,自動化程度較高,精度和效果均得到有效提升。在TDOM制作過程中,影像高重疊度能直接提升產(chǎn)品質量,并能提供更豐富的地面紋理來修補漏洞,故采用傾斜攝影技術制作TDOM時,建議航向及旁向重疊度均不小于70%;谒袠I(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,文章探討了TDOM在水利工程虛擬漫游巡線和信息化建設領域的相關應用,具有一定的推廣應用價值。針對TDOM在水利工程設計建造及智慧化、數(shù)字化領域的深層次應用,文章尚未深入研究,仍需進一步的探討與論證。

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  作者:談政1,朱小歡2,周勝潔1,邸國輝1

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