固定翼无人机优于2cm倾斜摄影测量系统用于1:500地形及地籍测量

作者:GIS前沿 / 公众号:GISchuli 发布时间:2019-10-25

本文为海南撰云空间信息技术有限公司提供。作者:林勇,李旭涛,吴崧源,李剑霖,甘锦潘,陈有博,蔡小霞,苏世萍海南撰云空间信息技术有限公司,乙级测绘资质单位。专注于高精度三维激光扫描及行业应用、无人机摄影测量及遥感、三维实景建模研究、基础测绘技术服务及专业软件开发。
摘 要:为了研究探索在稀少及不规范像控点条件下,应用纵横大鹏CW-30 垂直起降固定翼无人机搭载飞思IXU-RS1000单相机,优于2cm地面分辨率倾斜摄影测量系统用于1:500地形及地籍测量。该文对实验成果进行外业全站仪及RTK打点,进行平面及高程精度检测,实验成果完全满足1:500地籍图平面精度及1:500地形图高程精度的要求。验证了固定翼无人机能够用于1:500地籍测量及地形测量。地理信息行业对成果时效性和精度的要求越来越高。优于2cm分辨率固定翼无人机倾斜摄影系统,有着单架次5km2 高效率和中误差小于5cm高精度,它的应用一定能对行业发展有着积极作用。
关键词:虚拟测量;地形测量;地籍测量;固定翼无人机;倾斜摄影测量;室内测绘;三维数字地表模型;精度评定
引言
无人机倾斜摄影测量系统现阶段主要有两种搭载模式:① 固定 翼无人机(弹射起飞、手抛起飞、垂直起飞)方式;②多旋翼无人机方式。搭载相机有五镜头、三镜头、双镜头、单镜头几种。
固定翼无人机由于航时长(2~6h)飞行快、作业效率高有明显优势;多旋翼无人机航时基本在20~60min之间,飞行慢,效率低。但固定翼无人机受飞行速度、航高约束,影像分辨率普遍在5~20cm,成果平面中误差10~60cm、高程中误差20~100cm,无法达到工程测量1:500地形图精度要求,房屋中误差10.8cm,达不到要求。
多旋翼无人机理论上可以实现任意分辨率的航拍影像,有较高精度,但是受续航时间限制,无法满足大面积航测任务,仅满足小图斑地形、地籍测绘项目。描述飞行时间共计2个架次,有效飞行面积约0.5km2。多旋翼无人机还需大密度的像控点来保证成果精度,描述像控点按距离布设,密集区域 100~200m 一个点,其余地区300~400m一个点,每平方千米达到30~120个像控点,增加了外业像控的工作强度。此应用研究之前国内暂无一套能够满足大面积1:500地籍测量的无人机倾斜摄影测量系统,以及最大限度地减少外业工作强度的解决方案。
优于2cm 分辨率固定翼无人机倾斜摄影测量系统的研究,是以长航时固定翼无人机作为搭载平台,替代旋翼无人机进行高分辨率倾斜摄影测量的技术探索与尝试,完成了固定翼无人机单架次不小于5km2,优于2cm 影像地面分辨率的倾斜摄影测量系统测试任务,平面精度达到1:500地籍测量要求,高程精度达到工程测量1:500地形图要求。优于2cm分辨率固定翼无人机倾斜摄影测量系统填补了国内空白,是效率高、精度高倾斜摄影测量双高解决方案。
1. 技术线路
1.1 倾斜摄影测量系统及成图系统组成
该系统倾斜摄影测量系统由为其定制版单相机倾斜摄影飞控系统、纵横大鹏CW-30垂直起降固定翼无人机(图1)、相机云台支架、飞思IXU-RS1000
无人机航测专业相机(图2)、地面站系统组成。
图1 纵横大鹏CW-30垂直起降固定翼无人机
图2 飞思IXU-RS1000一亿像素航测相机
成图系统由基于无人机倾斜摄影数字地表模型(Digital Surface Model,DSM)与南方CASS坐标联测软件及南方CASS9.1成图软件组成。
1.2 倾斜摄影测量系统介绍及主要技术指标
无人机技术指标见表1。
航摄相机技术指标见表2。
1.3 云台及地面站系统简介
纵横大鹏 CW-30 无人机相机云台支持30°、35°、40°、45°不同倾斜角度安装航测相机。为该系统定制版的单相机倾斜摄影地面站系统,增加了固定翼飞机单镜头倾斜摄影航线规划功能,解决对飞航线、十字航线、自定义航线等自动生成功能;支持30°、35°、40°、45°倾斜角度;能够自动生成多区域、多模式连飞航线,优化航线设置减少无效飞行时间。
1.4 作业流程
倾斜航摄地形图生产线路与传统垂直航摄作业流程及方法上有着很大不同,倾斜摄影生产流程,在空三加密后需要进行三维建模,生产三维数字地表模型。成图作业方法也不同,垂直航摄成图是利用数字立体测图系统进行线划图要素立体采集及等高线采集;倾斜航摄成图是在三维数字地表模型上直接采集地图要素及高程点,无须佩戴立体眼镜,可以任意视角观察测量地图要素,也无须屋檐改正等。倾斜航摄作业流程如图3。
图3 作业流程图
2.倾斜摄影测量系统及成图系统测试
2.1 测试目的
测试优于2cm 地面分辨率倾斜摄影测量系统在稀少及不规范像控点条件下,输出的数字地表模型,其平面、高程精度是否达到1:500地形地籍图成图作业规范要求。
2.2 测试计划
测试区域(图4)位于海南省儋州市峨蔓镇,无人机倾斜摄影测量测试区域面积约10km2(陆地面积7.5km2),测试区地形地貌主要为沙滩、滩涂、火山岩海岸陡崖、林地、农 田、村庄及路网,测试区地势平整,植被丰富,高差在35m 以内。
图4 测试区域
2.3 测试方案实施
根据海南海岛特点,测试区选择沿海区域。航飞区域地形在海南具有典型的沿海特点。植被丰富、滩涂宽阔、 还具备火山岩陡 崖地貌。林地、水田、旱地、坡地、盐田、村落等地形地貌丰富。
人员配备:航飞小组3人、像控测量及检测小组4人、内业数据处理小组2人。
设备投入:无人机系统1套, 车辆2辆,RTK2套、全站仪2套、手持测距仪2台、图形工作站5台。测试实施计划见表3。
2.4 像控点测量
像控点布设原则是:
①最小外业工作量;
②最小外业工作强度;
③不均匀布设,充分测试极限状况。
测试区域7.5km2 区域仅稀少布设10个像控点,且未按照航空摄影测量规范布设,未沿道路不均匀布设,以减少外业工作强度,并在在测试区南部留有2km2 没有布设像控点区域,用于测试极限状态 下航测精度。像控点分布如图5所示。
图5 像控点分布
像控点使用3台中海达V30RTK 接收机,采用 HI-CORS测量 方式进行观测,每个点共测量3个测回。每个测回设定10次观测值取其平均数。测回平面 X/Y 方向较差小于2cm、高程测回较差小于3cm。
仪器标称精度为5mm+1×10-6×D。每一时段同步观测卫星有效颗数均大于4颗,有效观测卫星总数均大于6颗,卫星数据采样率为15s,卫星高度角均大于15°,PDOP 值小于6,各条观测基线的整周模糊度倍率因子在1.5以上,保证了卫星与接收机之间具有较强的图形强度。观测前后使用专用全球定位系统量高尺及普通钢尺,各量取仪器高两次至1mm,各标尺两次量测较差均小于3mm 时分别取中数, 最后两 尺测量较差小于3mm 时取中数作为该站最终站高。
2.5 无人机航拍
测试区航线规划(图6)采用十字对飞方式布设,航高260m,倾斜摄影角度45°,航向重叠65%,旁向重叠度60%,飞行速度100(km·h-1)。航飞时间为第一架次 10:30:00—14:10:00;第二架次10:30:00—12:00:00,飞行时最大风力6级,气象条件一般。
图6 航线规划图
航测像机采样的飞思IXU-RS1000相机,70mm焦距镜头。①ISO 设置不高于400感光度;②快门速度1/1600;③曝光采用平均测光。像点位移为1.7cm,小于影像地面分辨率2cm。符合 《CH/Z3005—2010 低空数字航空摄影规范》像点位移不高于1个像素要求。
2.6 内业数据处理及成图
根据无人机倾斜摄影测量的技术特点及相关要求制定作业流程,如图3所示。由于该研究主要检验固定翼无人机优于2cm地面分辨率倾斜摄影系统生产的三维数字地表模型能否用于1:500地形地籍图生产的问题,因此内业数据处理过程、空三计算过程、三维建模及成图过程不作详细论述。
3.倾斜摄影测量三维数字地表模型测试结果与分析
3.1 三维数字地表模型高程误差测试结果与分析
测试区域高程误差检测点共设置41个,检查点基本均匀分布(图7为高程检查点分布图),能够准确反映航飞区域三维数字地表模型高程成果精度情况。
图7 高程检查点分布图
测试区域三维数字地表模型高程误差绝对值,最小值是0.007m,最大误差是0.229m,高程中误差为0.119m(表4为高程误差统计表)。其中小于0.15m高程误差占检测数据的77%,大于0.15m高程误差占23%。(图8为高程误差分布)
图8 高程误差分布
对三维数字地表模型高程误差区域进行分析,分析结果如图9,图中浅色区域高程误差小于0.15m,深色区域高程误差0.15~0.228m。图中基本反映像控点对高程误差的控制及影响作用。南部误差 值最大的点位于最南部位置,是离像控点最远的一个点。北部深色区域为远离像控点及无清晰纹理, 有大面积浅水的滩涂位置。
图9 高程误差分布的区域分析图
分析结果表现出该倾斜摄影测量系统三维数字地表模型在像控点外扩区域有很好的精度稳定性和规律性,精度衰减小。在水域边缘及滩涂部分仍需加密像控,以保证成果精度。
3.2 三维模型平面误差测试结果与分析
三维数字地表模型平面绝对误差检查,主要选择测试区域中,3个房屋集中的村落利用全站仪检测、道路等清晰纹理位置利用 RTK打点检查。平面误差打点检查共96个点,剔除粗差和航拍遮挡点共12个,采用84个点,剔除率为12.5%。计算得到平面中误差为0.048m。表5为平面误差统计表,平面误差分布情况见图10, 也表现出控制点包围区域精度要高于没有包围域的规律,精度分布均匀。粗差及高于5cm的误差主要由于三维数字地表模型拉 花及航拍遮挡造成,模型清晰明显点精度均在5cm以内。
图10平面误差分布
三维数字地表模型相对精度采样明显地物间距丈量方式,丈量边精度检查共量取33条边长,剔除粗差共3条边, 采用30条边, 剔除率为9.0%。计算得到边长中误差为0.047m。表6为边长误差统计表,三维数字地表模型量边误差分布如图11,误差小于10cm占93%,可以看出精度分布均匀。影响测量精度的主要原因是三维数字地表模型拉花以及航拍遮挡。
图11量边误差分布
3.3 三维数字地表模型评测结果及分析
固定翼无人机优于2cm 地面分辨率倾斜摄影系统生产的三维数字地表模型总体上纹理清晰、边角锐利;平面部分三角网数量少、平坦、数据几何精度高(图12为三维数字地表模型);门窗等小构建物细节表现较为清晰;围墙、女儿墙等厚度均匀连续(图13为三维数字地表模型(围墙细节));电杆、交通牌等杆状地物形态基本完整(图14为三维数字地表模型(杆状地物)),体现了高分辨率带来的细节表现。符合三维地理信息模型生产规范要求。
图12三维数字地表模型
图13三维数字地表模型(围墙细节)
图14 三维数字地表模型(杆状地物)
同时也由于航摄视角局限性,在密集建筑区、房屋阳台、檐廊下面等区域,影像无法获取,导致模型变形、粘连、拉花现象影响测量精度。这也是地形图成图中误差及粗差的主要来源。
3.4 三维数字地表模型精度质量评测结果
固定翼无人机优于2cm 地面分辨率倾斜摄影系统三维数字地表模型精度评定:① 高程精度依据三维 地 理 信 息 模 型 生 产 规 范[5]及 《CJJ/T8—2011城市测量规范》1:500 地形图标准;② 平面精度依据三维地理信息模型生产规范及 《CJJ/T8—2011城市测量规范》1:500地籍一类界址点精度标准,评定结果见表7。
三维数字地表模型精度符合规范要求,满足文献中1:500地籍测图平面精度要求,满足1:500地形测图高程精度要求。对于遮挡及三维数字地表模型拉花区域,还需通过全野外测量方法补测完成。
4.结束语
利用优于2cm 分辨率固定翼无人机单像机倾斜摄影测量系统生产的三维数字地表模型为数据基础,建立室内 1:500 地形图测绘的关键技术路线,是一种创新和探索。有效提升测绘生产效率,测绘成果通乐娱乐官方网站含量丰富,但仍有一定局限性亟待解决,主要表现在以下几方面:
1)倾斜摄影三维数字地表模型是对地物地貌表面的模拟;植被覆盖、房屋遮挡等一些拍摄死角或关联点不足的地方,全自动建模时容易产生模型扭曲变形;匹配截面过小的地物,如路灯、电杆,容易产生模型缺失,需采用其他方式加以补充处理。
2)三维数字地表模型测图内业生产效率偏低,需要投入大量数据采集人员。还需进一步完善开发测图软件,以实现测图自动化,提高内业工作效率,减少人工判断识别测量出现的误判和漏判,提高成果质量。
- END -
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