大疆精灵4RTK采集1:500地形图要素方案

 

　　精灵 Phantom 4 RTK是一款小型多旋翼高精度航测无人机，面向低空摄影测量应用，具备厘米级导航定位系统和高性能成像系统，便携易用，全面提升航测效率。

　　此次利用无人机倾斜摄影技术获取实景三维模型，用矢量绘图平台基于模型提取1 ∶ 500地形图要素。

　　一、测区概况

 

　　图1

 

　　图2

 

　　图3上述倾斜摄影实景模型影像质量良好、分辨率高、纹理清晰、无大面积噪声、条纹，依据模型可多角度、多尺度浏览和量测。

　　二、作业流程概述

　　利用无人机航飞获取倾斜多视影像后，通过 ContextCapture建模软件完成空三测量与三维建模，然后将建模结果导入EPS，进行后期处理;最后检验倾斜摄影测量测图精度。

 

　　图4 作业流程图

　　三、无人机航飞

　　1 外业过程概述

　　外业作业之前，首先收集测区资料，包括控制点成果、坐标系统和高程基准，已有地形图成果和地名资料等。接着，针对任务进行初步设计，并报送业务主管部门审批，制定无人机航飞方案，并进行空域申请，明确无人机搭载的传感器类型、地面分辨率、飞行高度、架次、重叠度等。

　　在具备外业影像采集条件后，按照航测设计方案，进行像控点坐标和倾斜影像数据采集工作。

　　2 航线规划

　　使用精灵P4 RTK选定区域进行测绘航线规划步骤如下：

　　§ 启动

　　启动飞行器和遥控器，确保飞行器4G网络正常连接。

　　§ 打开网络RTK

　　打开RTK模块，选择“网络RTK”，确保飞行器进入RTK定位状态。

　　§ 选定区域

　　点击“摄影测量”，屏幕将显示飞行器当前位置的地图，选定并调整测绘区域。

　　§ 设置飞行参数

　　调整高度、速度、重叠率、边距。

　　§ 设置云台相机参数

　　调整照片比例，根据当前环境光线调整白平衡;设置云台角度，默认-90°为正射影像拍摄，如需拍摄倾斜影像，可调整角度。

　　§ 确定执行

　　保存设置后，阅读注意事项并点击“确定”，右滑开始作业滑块。

　　四、三维模型重建

　　将影像数据、POS数据以及控制点数据导入ContextCapture建模软件中进行空中三角测量，分别经过空中三角测量、刺像控点、区域网平差，最后生成三维实景模型。 

　　五、DLG线划图采集

　　以EPS或CASS地理信息工作站为矢量绘图平台，通过底层开发在绘图平台中内置测图模块，利用倾斜摄影模型进行高精度大比例尺地形数据的矢量采集工作，无须佩戴立体眼镜，根据影像及自动空三生成的三维模型直接定位地物要素的三维信息。软件内置地类地物属性模块实现要素编码分类，经整理形成1 ∶ 500数字线化地形图，如图5所示。

 

　　图5 定制倾斜摄影程序模块

　　1 模型一键承载

　　基于矢量绘图平台底层结构优化和算法研究，采用“金字塔模型”自主实现模型一键承载、快速浏览，解决海量倾斜数据对计算机硬件要求高的瓶颈问题，为后续模型快速浏览、数据制作奠定坚实基础。

　　金字塔层次模型表示多分辨率级别的分层模型，采用纵向分层，横向分块的策略来构建。金字塔每一层代表一个分辨率级别，从上往下分辨率越来越高(数值越来越小)，但每一层表示的范围都是整个原始地形的范围。金字塔各层的分辨率之间存在一个倍率关系，通常取倍率取为2( 便于采用四叉树结构组织数据)。各级层次模型的分辨率计算可用公式来表示。

　　设原始地形的分辨率为r，原始地形高程文件大小为n·n，块边长为m，则第0 层的分辨率r0 为:

　　2 模型切割显示

　　由于飞行因素影响、数据采集质量、现场条件限制、建模机制选择等原因，无人机倾斜摄影模型数据常常出现空洞、悬挂、遮挡、扭曲等，因此需要对模型进行切割显示处理，避免对后续数据提取存在影响，如图6、图7 所示。

 

　　图6 模型处理前

 

　　图7 模型水平切割处理后效果

　　3 建筑轮廓特征提取

　　建筑轮廓特征提取时，充分利用倾斜模型中建筑物侧面数据量大、精度高的特点，通过给定建筑物侧面基点自动生成轮廓点功能，解决建筑物外轮廓点部位分辨率不高、特征提取定位不准、精度不足等问题。该功能不受同一高程平面限制，任意选取建筑物侧面数据精度最佳位置作为给定基点，使建筑轮廓特征提取精度得到显著提高，如图8、图9 所示。

 

　　图8 建筑轮廓水平面提取

 

　　图9 建筑轮廓竖直面提取

　　4 线型地物特征提取

　　通过矢量绘图环境对倾斜模型三维浏览，结合模型丰富的纹理信息，能够有效识别主要线性地物的类型及走向，实现快速提取道路、花圃、斜坡、陡坎等线性地物的平面位置、高程及属性特征，如图10 所示。

 

 

　　图10 斜坡提取

　　5 高程提取

　　实景模型以大范围、高精度、高清晰的方式全面感知复杂场景，通过高效的数据采集设备及专业的数据处理流程生成的模型成果能直观反映地物外观、位置、高程等属性信息，所以通过实景影像可以快速提取地面点高程，如图11、12 所示。

 

　　图11 地貌高程提取

 

　　图12 屋脊线及房顶高提取

　　6 数字线划地形图生成

　　基于倾斜摄影实景模型进行1 ∶ 500 地形图室内生产，同样遵循“先整体后局部”的作业原则，以测图模块自动提取的建筑轮廓和地物边界数据为基础，辅助人工识别，对点地物遗漏、线地物缺失、面地物不全等进行地毯式搜索、逐步清理完善，在模型数据生产时能实现二维矢量平面图与三维模型场景分屏显示，模型、矢量、影像同步联动，点、线、面随心编辑，达到了二三维显示一体化、符号一体化、编辑一体化，实现1 ∶ 500地形图室内交互式测绘，如图13 所示。

 

　　图13

　　七、精度评定

　　2 成果精度检测

　　项目成果检测采用全野外数字化实测成果与倾斜摄影内业提取成图成果比对的方法进行精度评定，检查要素包含房屋、围墙、灯杆、道路、花圃、沟渠、陡坎和地形高程点等。成果精度检查内容包括平面精度、高程精度及边长精度。项目共设站检查979 点，其中平面检查点598 点，高程检查381 点，边长检查68 条边。根据实测数据与倾斜模型提取数据相比较，误差分布及精度统计结果如表1 所示。

 

　　通过误差分布统计表得出:检查点平面中误差为0.13 m，高程点中误差0.14 m，边长中误差0.15 m，基于倾斜模型提取数据中误差小于相关规范标准限差，由检测结果表明，基于倾斜摄影模型进行地形图要素提取可应用于1 ∶ 500大比例地形图测绘。

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