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施工经验 | 倾斜实景三维测图与规划设计方法—以大悟县某土地整治项目为例 ... ... ...

2018-9-27 20:23
原作者: 阚酉浔,董浩斌 来自: 勘测联合网 收藏 分享 邀请

为提高国土整治项目区规划设计成图效率问题, 提出了一种基于倾斜摄影和实景三维设计方法。利用无人机倾斜摄影快速获取项目区真实地貌, 以三维实景软件系统为平台融合正射影像图、倾斜影像图、数字高程图、数 ... ... ...

摘 要: 为提高国土整治项目区规划设计成图效率问题, 提出了一种基于倾斜摄影和实景三维设计方法。利用无人机倾斜摄影快速获取项目区真实地貌, 以三维实景软件系统为平台融合正射影像图、倾斜影像图、数字高程图、数字线划图及实景采集车和手持GPS设备采集的图像等, 进行基于现状图的三维规划设计。将该方法用于湖北大悟县某国土整治项目中, 能快速制作三维立体设计场景, 满足规划设计和评审要求。

近年来, 随着数码相机成像技术以及低空遥感平台的快速发展, 已经克服了传统的数字正射影像不能满足各种应用的需求[1]。无人机倾斜摄影作为目前流行的航测技术, 具有工作周期短、时效性高、可完成大比例尺航拍且可通过多视角的拍摄获取传统手段无法覆盖到的区域, 以及弥补传统航测只有正视影像的不足。

传统的土地整治规划设计中使用的是大比例尺二维地图, 规划设计时仍然是将沟、路、渠等以线实体的形式表达, 不能很好地体现设计效果。需研究设计数据与多源地表数据集成组织数据结构, 实现集成化数据成果的二、三维一体化体系, 实现二、三维联动、实景与虚拟联动展示方法, 突破多维度、多方式的规划设计技术瓶颈。

本文在无人机倾斜摄影测量的理论和基础上, 研究了基于项目区实景图的快速三维规划设计方法, 以开发出的实景三维软件为平台, 融合多源测量数据, 用本文提出的算法, 以大悟县某国土整治项目区为例进行了三维规划设计的成果制作。

1 倾斜摄影的土地整治现场勘测方法

1.1 倾斜摄影空中三角测量
一般说来, 倾斜航摄影像存在较大的基高比, 对其进行空中三角测量有利于提高加密点的高程精度[2]。在目前的倾斜航空影像中, 可同时得到倾斜影像和垂直影像, 例如Leica RCD30 Oblique、Pictometry、SWDC-5、A3等倾斜摄影测量系统。故在相对定向中, 将倾斜影像与垂直影像进行联合解算, 利用运动恢复结构(structure from motion, SfM)算法计算出测区的自由网模型。为了提高匹配的效率, 本文实际采用文献[6]提出的基于图形处理单元的尺度不变特征变换算法SIFTGPU(scale invariant feature transform graphics processing unite)进行特征提取匹配。, 并利用影像间的核线约束[7]关系与RANSAC(random sample consensus)算法[8]来剔除一些错误匹配。

由于倾斜航空影像倾角较大, 其影像坐标系与地面控制点坐标系之间存在较大旋角, 传统的小旋角影像绝对定向方法已不再适用, 故本文采用了文献[3]提出的大旋角影像的绝对定向算法。它通过矩阵奇异值的分解方法获取大旋角影像的绝对定向角元素初值, 结合严密绝对定向模型进行最小二乘平差, 以获得可靠的绝对定向参数。

在得到绝对定向参数之后, 便可以将影像的外参数及模型点转换到地面控制点坐标系下, 为最终的光束法平差优化提供初值。

在倾斜摄影测量项目中, 测区的影像数较大, 重叠度高, 且匹配算法得到的加密点个数非常多, 从而使得观测值个数也非常多, 通常都会达到十万甚至百万数量级, 巨大的法方程系数矩阵的求逆将成为一个难题, 所以需要一种高效的光束法平差算法。本文采用基于稀疏矩阵的光束法平差方法来求解倾斜影像的外方位元素及加密点坐标[4]。

为了减少计算量, 通过利用法方程系数矩阵的稀疏性, 将加密点坐标与影像外方位元素分开求解, 即先求解影像的外参数, 然后再对加密点坐标进行求解。并且, 在进行影像外参数求解的时候, 利用其系数矩阵的对称性与正定性, 通过乔里斯基分解法, 高效求解出影像的外参数。

由于光束法平差是一个典型的非线性最小二乘问题, 所以需要选择一个高效、稳健的优化算法进行迭代求解。本文选用了经典的LM(levenberg-marquardt)算法[5], 来进行迭代求解。LM算法结合了Gauss-Newton法与梯度下降法的优点, 弥补了它们的不足, 并且通过引入阻尼因子使得LM算法能够有效解决法方程奇异的问题。引入阻尼因子的法方程如下:

式中, μ被称为阻尼因子, μ值的大小将由控制点给定的权值来决定, 而控制点的权值将由控制点的量测精度来确定。在迭代的过程中不断地尝试新的μ值, 直到找到能够接受的新的未知数增量。

经过提取特征点、提取同名像对、相对定向、匹配连接点、区域网平差等步骤的运算处理, 就可以得到摄区空中三角测量成果。为提高空中三角测量的成果精度, 可以对摄区进行二次空三运算, 最终得到更精确的摄区空三结果报告, 如图 1所示。

图 1 空三结果报告

在获得符合技术精度要求的空三结果后进行后续三维建模处理。

1.2 倾斜摄影自动三维建模
倾斜摄区三维模型的生产使用前期处理的空三成果作为数据源, 通过影像密集匹配、三角网构建、自动赋予纹理等步骤, 最终得到三维模型。本文采用一种半全局密集匹配的方法生成影像点云, 即采用前述空三结果, 通过一对或多对立体像对之间存在的核线约束关系, 从左右两张影像确定的核线上沿着一定方向上从一张影像上寻找另一张影像上最为相似的同名像点, 进行可以得到两张影像构成的视差图。同名立体像对的视差图可以逐像素得到每个像点的在其他影像的同名点对, 再通过双像或多像空间前方交会的方法得到影像点云。

通过稠密影像点云本文采用Poisson重建方法构建三角网模型, 即生成白模。

再通过影像与模型之间的位置姿态关系进行纹理映射, 从而生成彩色三角网模型。

最终形成真实三维场景, 如图 2所示。

图 2 白模和真实三维场景

在进行倾斜摄影快速三维建模的时候, 可输出的成果有三维模型、正射影像、数字表面模型、点云数据(*.las格式)。三维模型可输出的数据格式主要有*.osg、*.osgb和*.obj。

2 倾斜摄影辅助规划

2.1 基于三维网络模型的规划线设计
规划设计数据一般都是二维的线划图, 要使其融入到三维场景, 就需要从多角度精细还原二维规划图的规划细节, 实现将土地整治规划设计从二维提升到三维。

土地整治规划设计三维建模包括地形与田、水、路、林、村等两大块。

线性要素模型主要是沟渠、田间道和水泥路等。以单体设计图为参照绘制断面图, 然后通过线性放样得到完整的几何模型, 由于三角网络模型(Mesh)比较平坦, 调整几何模型与Mesh的匹配也相对简单。

非线性要素模型主要是机耕桥、渡槽、节制闸、溢流坝、漫水路、涵洞、涵管和泵站等, 大多以单体模型存在, 不做接边或简单接边。

在规划设计阶段, 要进行单体部件的生成, 根据数字线划图单体部件设计图, 进行三维数据的制作。使用软件设计制作三维单体模型。生成单体模型后, 再进行三维实景的模型种植。

2.2 三维的土地规划模型生成
基于非参数模型的方案, 重建前不需假定建筑物的类别, 直接从获取的影像数据出发, 提取建筑物结构特征, 构建多面体结构模型。多面体结构是一个具有广泛代表意义的非参数模型, 前在绝大多数重建方案中被接受。

用于建筑物建模的特征数据可以由人工在数字摄影测量系统上进行立体测图采集而来, 在数字摄影测量系统上, 人工量测出建筑物的特征点及特征线数据。由于人工获取建筑物特征数据所耗时间较多, 也可以从影像上自动提取建筑物的二维直线特征, 同时对提取的直线特征进行特征编组, 即由多条直线特征编组形成更可靠、信息更丰富、数量更少的组合特征, 利用它们将可以期望获得更加可靠的匹配结果[10]。感知编组方法是实现特征编组的一种有效手段。获取到更可靠的二维直线特征后, 需要对这些直线进行特征匹配, 并利用前方交会获得三维直线特征。匹配结果的完整性和正确率将直接影响后续重建过程的稳定性和可实现性。建筑物三维直线特征获取完成后, 作为基础数据用于后续建筑物模型自动重建[11]。

特征数据提取, 由于存在着多种不确定性, 不可避免地存在测量误差, 精度不高。因此特征数据提取完成后, 需要对这些数据进行平差优化处理。结合像方和物方约束条件, 对提取出来的特征数据进行带约束条件的间接平差优化处理, 得到精确定位的特征数据。模型数据优化完成后, 需要对优化后的特征数据进行自动模型重建, 根据得到的建筑物特征数据, 构建建筑物外几何模型。具有屋脊线的房屋, 其构造过程较复杂, 创建时需要考虑屋顶拓扑关系。屋顶多边形面片之间的拓扑约束关系可以总结为三个方面:一是每一个屋顶都是一个闭合且由多个平面组合而成的几何对象; 二是每个多边形面片不交错和相互覆盖; 三是每条边界和边界角点总属于其中的某一个多边形面片。建筑物单体化几何三维重建后, 为了恢复每个地物的颜色信息, 需要根据源影像对建筑物模型进行纹理映射, 从而得到高精度、高真实感的彩色建筑物三维表面模型[12]。纹理映射的本质是对三维模型进行二维参数化, 即采用一定的方法建立二维纹理空间点到三维物体表面点之间一一对应的关系。其最终目标即是尽量减小在纹理空间和地物三维表面参数空间进行一对一映射时产生的变形及失真[13]。

移动测量系统利用集成多传感器, 通过定位、定姿和成像等传感器在移动状态下自动采集各种定位定姿数据及影像数据, 实现影像序列具有摄影测量解析所需要的外方位元素, 从而进行三维重建[14-15]。移动测量系统因其具备快速方便的获取街景影像及其相应的地理参考信息、分辨率较高、边缘特征精确、视场角较大等优势从而使得航空影像与街景影像联合建模成为可能, 弥补了单独通过航空影像或者街景影像进行建模造成的模型细节缺失问题。

3 实验

3.1 实验设计
本测试区域外业范围位于湖北大悟县彭店, 面积约为1 km2, 规划目标主要是针对田、水、路、林、村进行土地整治。

倾斜影像数据的空三处理采用光束法区域网平差空三测量, 支持垂直影像和倾斜影像同时导入参与空三计算。

该方案中单体化规划部件采用手工建模, 然后使用虚拟现实(virtual reality, VR)三维平台调用单体模型要素进行模型集成。

3.2 实验效果
将生成的大悟县彭店的三维模型场景导入到VR系统中进行浏览。根据规划时所需设计添加城市要素部件, 通过将原始模型导入系统, 手动将城市部件模型种植在三维模型中, 可以很直观地进行查看种植后的三维效果。图 3为耕地整治前后对比图; 图 4为河流整治前后对比图。

图 3 耕地整治前后对比图

图 4 河流整治前后对比图

同时可将整治前航拍实景三维模型与设计的整治后三维模型进行对比。

在土地整治项目施工结束后进行二次的拍摄, 将二次拍摄的数据与设计场景进行叠加、对比。从而对施工结果及其指标进行核算及对比分析。图 5为耕地施工前、三维模型和复查图; 图 6为溢流坝施工前、三维模型和复查图。

图 5 耕地施工前、三维模型和复查图

图 6 溢流坝施工前、三维模型和复查图

4 结束语

使用无人机倾斜摄影获取项目区测量成果和空间数据, 不仅技术方案成熟可行, 相比传统全野外测量提供成果更丰富、成本更低、大面积效率更高。

通过本测试实验, 将土地整治二维规划设计图进行三维场景可视化是土地整治规划设计行业的技术进步, 在很大程度上能够提高规划设计的工作效率和设计效果, 社会效益值得肯定。

随着技术的进步和行业的发展(如随着土地整治三维规划设计软件的问世及倾斜摄影和激光扫面的技术应用的推广), 不仅可以解决目前三维场景可视化的不足, 而且将使成本更低、效率更高、更利于推广, 甚至将从根本上改变土地整治规划设计的技术体系及工作流程, 逐步实现自动/半自动化动态规划和拥有一个集多源数据管理、规划、查询、统计、量测、分析等功能于一体的GIS监管平台。

END




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