基于Smart3D的无人机航测地形图方法(CC+ArcGIS+IData,含各软件操作流程)

无人机 2019-03-12 17:00


摘要:介绍了利用 Smart 3D 软件,辅以 ArcGIS、南方数码 iData 软件,利用无人机航测地形图的方法,分析了成图过程中关键节点的技术要点和潜在问题,并对成果地形图的精度情况进行了统计验证。


关键词:空三加密; 3D 模型; DSM; TDOM; 地形图


引言


在测绘领域,随着无人机的普及,获取航摄资料比以往更容易。然而传统的数字航空摄影测量方法无法适应无人机高效生产的需要,主要原因在于: 空三加密环节自动化程度低,需要大量人工干预; 在采集环节需要频繁地切换像对,并由此产生大量接边问题。因此,使用更高效的三维建模软件,并以此为核心重新设计作业流程,可以克服以上弊端,提高生产效率。为此,本文以1∶ 2 000地形图的生产为例,介绍基于 Smart 3D 三维建模软件的无人机航测地形图的生产过程,并对成果精度进行了验证。


1 作业流程


在航拍前按照具体要求在测区内布设一定数量的像控点,然后利用无人机获得测区地面影像数据( 带有 POS 数据的影像) 。然后利用 Smart 3D 进行空三加密和重建生成模型,获得测区的 3D 模型、DSM 和 TDOM。接下来使用 ArcGIS 对 DSM 进行等高线提取。最后使用南方数码 iData 加载 3D 模型和 TDOM进行各种地物、地貌、植被范围、高程注记点采集,并修改受植被、各种建( 构) 筑物高度影响的等高线。回放生成的地形图进行外业调绘检查,实地调绘房屋缩檐数据,调查地物、土质、植被属性和各类名称注记,最终完成地形图编辑制作。具体作业流程,见图 1。 

图 1 基于 Smart 3D 的航测地形图的生产流程


2 测区概况


测区位于内蒙古准格尔旗黄河边上,沟壑纵横,植被覆盖较 少,为典型的黄土地貌。项目要求地形图比例尺为1∶ 2 000,等高距为2 m[1 - 2] ,用于矿山地质灾害治理。整个测区面积合计24. 7 km2 ,分布在 5 个治理区域。测区内主要地物为: 在建高架铁路、普通工业厂房及居民地、网围栏、公路及大车路、电杆(塔) 、光缆桩、路堤、路堑和田坎,主要植被为耕地、零散树木及成片的果园。测区最低海拔为870 m,最高海拔为1 346 m,最大高差达476 m。


3 航摄基本情况


使用南方无人机领航三号( CW - 10) 对测区进行航拍在航拍前,按照该无人机航拍要求在 5 个治理区域预先布设了 54 个像控点,平均每个治理区域布设 11 个像控点。


航拍共 5 个架次,使用索尼 A7R 全画幅 3640 万像素照相机,其物理幅面为35. 9 mm × 24 mm,焦距为35 mm。航拍地面分辨率为0. 05 m,拍摄同时获得了航片的后差分 POS 数据。


4 作业技术要点


4.1 Smart 3D 过程


Smart 3D 是美国 Bentley 公司生产的一款三维建模软件,它能利用影像组、POS 位置数据、相机参数、像片控制点数据等初始信息进行相机校验、空三加密、重建被拍摄物体表面的几何形状和纹理。在这一过程中,利用它生产 3D 模型、TDOM 和 DSM过程产品。这个过程分为以下 7 个步骤完成:


1) 以无人机航拍架次新建工程区块,导入影像组、POS 数据、相机参数、控制点数据等。

2) 第一次空中三角测量,使用 POS 数据平差( 有时这一步骤要反复进行) ,主要完成相机校验和像片模型连接相对定向工作。

3) 编辑控制点,将控制点的实际位置标定在影像上。

4) 第二次空中三角测量,使用控制点平差( 有时这一步骤也要反复进行) ,主要完成模型的绝对定向工作。

5) 新建重建项目并分块。

6) 生成 3D 模型。

7) 生成 TDOM /DSM。


在这一生产过程中,需要注意以下几点:


1) 应将 POS 数据文件和控制点数据文件放置在纯英文路径下,方可成功导入。
2) POS 数据和控制点数据应采用文本文件格式,如 txt /xls,
且这些数据必须分成 2 个独立的文件。
3) 导入数据后应检查其合理性,如影像和 POS 是否一一对应,航拍 3D 视图中的各点位是否与实际情况一致等。
4) 影像组文件的属性中已包含相机型号、焦距等信息。但该软件可以使用影像组和位置信息解出相机参数。所以,当相机的内方位元素及镜头畸变数据不够精确时,设置相机的步骤通常可以省略,由软件在空三加密过程中自动计算。
5) 在导入 POS 位置数据、像片控制点数据、新建重建项目、提交三维模型生产项目等过程中,都需要设置对应的空间参考系统。为避免生产失败,建议使用同一空间参考系统。
6) 第一次空中三角测量预测了导入的控制点在影像上的大概位置,由此减轻了人工寻找控制点点位的负担。这种方法还可以用来发现和排查野外像控点错误。
7) 重建项目的计算量巨大,占计算任务总耗时的 90% 以 上。需要根据自己的计算机硬件配置情况,后续分发的计算机台面配置、使用编辑软件情况,用 Smart 3D 对整区块作切块处理。即将一个大任务分成若干个相互独立的小任务,依次计算。


这样做的目的有3个


一是控制内存使用量,防止内存溢出; 

二是避免在漫长的计算过程中因停电、死机、数据局部异常等因素造成数据整体损坏; 

三是便于下一步数据采编进行任务分发。


8) 过程产品的分辨率直接关系到计算机工作量大小和后续地物采集精度。3D 模型的分辨率由影像组的分辨率和影像采样百分比共同决定。而生产 TDOM 和 DSM 时,应根据地形图成图比例尺、等高距、测区地貌情况设置分辨率,因为 TDOM 和DSM 分辨率数值设置过大,则降低 TDOM 的精度,造成建筑物棱角模糊,直线围墙在视觉上成为折线等。


4.2 ArcGIS 过程


这一过 程 利 用 ArcGIS 系 统 工 具 集 中 的 若 干 工 具 处 理Smart3D 生成的 DSM 栅格数据,生成 dwg 格式的带有标高的等高线,供后续修改、编辑使用。


这个过程分为以下 6 个步骤:


1) DSM 重采样。使用重采样工具降低 DSM 分辨率。
2) 生成等高线。使用等值线工具从重采样后的栅格提取shp 格式等高线。
3) 预删除自闭合微短等高线。在等高线的属性表中建立长度字段,计算所有等高线长度,然后选择所有长度小于某个值的等高线并删除。
4) 平滑等高线。使用平滑线工具在折线内插平滑点使之圆滑。
5) 建立标高属性。添加 Elevation 属性并赋高程值。
6) 格式转换。将 shp 格式转为 dwg 格式。


在以上操作步骤中,应注意以下两个问题:


1) 影响等高线精度的两个因素是重采样分辨率和平滑线的平滑长度。分辨率数值越小,越能反映 DSM 表面上的微小变化,等高线表达的地貌越细腻,但这会干扰等高线宏观特征( 如沟的套合) 的表达,并放大植被、地面异物( 如凸出的石头、小土堆等) 对等高线的扰动。反之,分辨率数值越大,等高线的宏观特征越清晰,但对急剧变化的陡坎、小的沟梁等微小地貌的表达会失真,甚至缺失。平滑长度则关系到等高线视觉的圆滑和细腻程度。因此,这一步以反映相应比例尺地形宏观特征的同时不丢失过多细小地貌为原则,结合地形图等高距、测区地貌情况设置采样分辨率和平滑长度。这本身也是对 DSM 生产时分辨率数值设置较小的修正。


2) 由 DSM 生成的等高线中含有大量自闭合微短等高线,其来源可分为两种: 一种出现在植被和建筑物等地物表面,不属于地形,这是错误的等高线; 另一种出现在地表,属于细微的地形,多见于居民地内和乱掘地,这是多余的等高线。应当筛选去掉这些自闭合微短等高线。筛选自闭合微短等高线的关键是选择阀值,筛选时应考虑成图比例尺和测区地貌等因素。阀值越小,自闭合微短等高线删除越少; 阀值越大,误删正常等高线的可能性越大。例如,对于1∶ 2 000地形图,直径2 mm以下的圆形等高线在图上难以辨认,可以舍 去,其 对 应 的 实 地 周 长 约 为13 m。因 此 可 以 选 择13 m作为阀值,长度小于该阀值的等高线将被判定为自闭合微短等高线并删除。


4.3 iData 过程


南方数码 iData 数据工厂是一款采编一体的内业成图软件,具有基于三维模型的采集功能。相较于立体像对,三维模型更 加直观的反映了地表的几何形状与颜色信息,视角也不再局限于俯视状态,可以从任意角度观察,判读地物地貌更轻松。具有相同功能的国产软件还有清华山维 EPS。


具体采集过程中,

首先建立相应比例尺的国标数据库,加载由 Smart 3D 生产的 3D 模型和 TDOM 影像,然后将 3D 模型和TDOM 影像配合使用,在 3D 模型表面上采集高程注记点、比高注记点、坡、坎等地貌符号,在 TDOM 上采集地物、植被范围等。


需要注意的是,ArcGIS 过程生产的等高线,是受地面植被、建( 构) 筑物影响的。原因是在传统采集过程中,作业员在立体像对下沿地表采集等高线,过滤了植被、地物对等高线的影响;而 ArcGIS 过程中,等高线是使用 DSM 生成的,植被、建( 构) 筑物表面也包含在 DSM 之内。因此,需要根据 TDOM 上地表出露情况,结合等高线的合理性和趋势,对落在植被、建( 构) 筑物表面上的等高线作修改或删除处理。例如,零星树木表面的等高线呈闭合同心圆形状,应将其删除; 本应穿房而过的等高线却绕着房子走,要将其拉直; 本应穿过路堤的等高线却沿着路堤方向延伸,应打断延伸部分并与另一侧相同高程的等高线直接连接等。


另外,利用 TDOM 采集的过程也可以在南方 CASS,ArcGIS等软件中进行。


4.4 地形图回放调绘与编辑过程


地形图回放调绘内容和方法与传统方法一致,地形图编辑过程根据成果地形图要求可使用 iData 数据工厂、清华山维 EPS和南方 CASS 等软件进行。


5 精度分析


将其中一个地质灾害治理区域分成 2 块,使用 RTK 进行了外业实地打点检查。共检测 88 个点,其中平面位置检查点 45个,高程检查点 43 个。


高程精度检查评定结果,见表 1


表 1 地形图高程精度检查统计表

注: 表 1 中,成果图等高距为 2 m; M0 = 1. 0 m,为高程允许中误差绝对值; M 为成果高程中误差绝对值。


对这 43 个点的高程误差进行求和统计,其值为1. 664 m,说明无显著系统性偏差。从地形图等高线情况看,较好地表达了黄土地貌受雨水冲蚀形成的鸡爪形沟壑的等高线特性。


地物点平面位置精度检查评定结果,见表 2。


表 2 地形图地物点平面精度检查统计表

注: 表 2 中,M 为成果平面位置中误差绝对值; M0 = 1. 2 m,为平面
位置允许中误差绝对值。


对这 45 个 点 的 平 面 坐 标 误 差 求 和 统 计 得 出,∑ ΔX =1. 363 m,∑ΔY = 0. 343 m。由此可以看出,X 和 Y 坐标均无显著系统性偏差。


6 结论


事实证明,基于 Smart 3D 的航测地形图的生产方法,数学精度完全能够满足1∶ 2 000地形图要求[1 - 2] 。


该方法与传统航测方法比较有以下优势:

1) 空三加密对相机内方位元素具有自适应功能,可以同时求解相机内方位元素。解决了无人机航拍姿态不稳定、重叠度过大,外业像控点布设工作量过大造成的航测内业空三加密困难问题。

2) 与传统航测内业立体采集有本质上区别。传统航测内业是在立体模型上采集地物和等高线,而这种方法是不用手轮和脚盘,辅以虚拟的 3D 模型,在 TDOM 上用鼠标绘制地物,测绘地貌中的坡、坎、高程注记点、比高等。从成果生成的先后顺
序看,传统的 DOM 生成是建立在已有地形图等高线基础上的,而这种方法是依靠计算机和 Smart 3D,自动生成 3D 模型和TDOM。TDOM 已消除了建 ( 构) 筑物的投影差,这就为依据TDOM 描绘地物提供了依据。
3) 这种方法不再需要专业的内业立体采集工作台面,使内业立体采集工作完全有可能在外业完成,提高了生产中工序间衔接和周转的效率。
4) 不需要专业的内业人员进行立体采集,降低了采集技术人员的门槛要求。
5) 使用的 3D 模型与实地地形极为相似,在地面植被覆盖程度较低的场合,用它提取的等高线,能够充分解决野外地形点采集不到位、密度不足导致的等高线错误和失真问题。


文章转载于地矿测绘

作者丨赵泽华,赵鹏全,赵永贵


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