无人机倾斜摄影在西南片区宕口整治中的应用.pdf

无人机倾斜摄影在西南片区宕口整治中的应用谭慧君(镇江市勘察测绘研究院有限公司,江苏 镇江2 1 2 0 0 4)摘 要 随着无人机测绘技术的不断发展,越来越多的领域已经开始使用无人机技术。镇江市西南片区地形复杂,由于多年掠夺性的开发,生态环境问题日益严峻,盗挖盗采现象十分严重,亟需整治。采用传统的测绘手段获取地理信息不仅耗时耗力,还存在很大的作业风险。采用无人机倾斜摄影技术对西南片区进行三维数字化还原,通过建立三维模型和获取正射影像,直观展示宕口复杂的地形地貌特征。同时利用三维G I S技术对宕口进行了土方、坡度等分析,为宕口整治提供更加准确的数据支撑,在西南片区规划整治中起到了辅助决策的作用,为创建城市新形象提供了新的技术手段。关键词 倾斜摄影测量;航摄分区;不规则三角网(T I N);三维模型0 引 言西南片区作为镇江市的西大门,历经多年掠夺性的矿山开发,生态环境破坏严重,现存状况与城市所处苏南板块的地位不符,与政府提出生态优先、特色发展的城市发展定位不符,因此对西南片区的宕口整治成了势在必行的工作。近些年,尽管在市政府的领导及相关部门的指导下,已经在生态环境综合整治的工作中取得了较大成绩,但要达到提升城市形象的目的还远远不够。既要充分保护环境,又要合理开发利用,其中难度不言而喻。随着科学技术的不断发展,无人机倾斜摄影凭借其操作过程机动灵活、作业高效1,获取成果快速准确、信息丰富等特点,已广泛应用于国土资源监测、矿山环境治理等多个领域,并取得了很好的应用效果。本文以西南片区为例,详细介绍了无人机倾斜摄影在宕口整治中的应用情况。1 项目概况西南片区东到里墅村,西至2 4 3省道,北至韦岗,南至北望山,规划范围为5 2 0h m2。整个片区的生态环境非常复杂:地势起伏大、地貌类型多样、破坏面积大。基于西南片区的环境现状,如果采用传统的测量技术手段构建三维地理信息模型会十分困难,不仅要有大量的测绘成本投入,而且还具有一定的作业安全隐患。无人机倾斜摄影测量正好弥补了此类缺陷,不仅有效提高了工作效率,而且减少了发生工作安全事故风险2。倾斜摄影的实景三维技术是通过无人机的航拍获取地表高低起伏等纹理细节,并以此生成基于真实影像纹理的高分辨率三维模型,还原作业区的真实地貌。借助这些数据信息,相关人员可以对西南片区地形特点和地势有着一个更加全面的掌握。该技术具有数据采集方便灵活、数据准确、自动化程度高等诸多优势,为西南片区宕口的生态环境综合整治提供了一种新的技术手段。2 无人机倾斜摄影无人机倾斜摄影测量技术是近些年逐步发展起来的一项高新技术。不同于以往只能垂直角度拍摄的传统模式,它是以无人机为飞行平台3,搭载了多组传感器,分别通过一个垂直、四个倾斜的角度来获取高分辨率的目标影像数据,并利用三维模型处理系统,自动生成了实景三维模型和正射影像,通过对三维模型的浏览,使用户具有更加真实的感受。2.1 资料收集和分析西南片区无人机倾斜摄影需要收集的数据主要包括基础数据及补充数据等。(1)基础数据:1 10 0 0和1 1 00 0 0地形图,分辨率为0.3m的影像数据。(2)补充数据:作业区内总体控制和详细规划资料,生态保护红线矢量数据,已有的测绘、国土和环保资料等。其中,基础资料主要用于项目踏勘、航线设计等工作,而补充数据则用于宕口综合整治分析。2.2 航摄准备现场踏勘查看航摄区域周边各种环境情况,寻找合适的无人机起降场地,做好相关记录,以便进行航线设计。由于西南片区地势起伏明显,航摄范围内高差较大,根据 低空数字航空摄影规范 和项54无人机倾斜摄影在西南片区宕口整治中的应用目要求,遵循分区界线与图幅轮廓线保持一致,分区内地形高差不大于1/6相对高度的原则以及航线敷设原则4,最终将作业区划分为二个航摄分区,共设计6条航线,根据确定的飞行高度和保证重叠度情况下,制作无人机航飞轨迹图,导入无人机飞控软件,生成航线文件。根据项目需求布设并测定像片控制点三维坐标,并做好标记。2.3 倾斜影像数据获取测区采用大疆M 3 0 0 R T K+睿博五镜头飞行,航摄地面分辨率为0.0 5m。实际飞行中,各个相机根据对应的曝光点坐标自动进行曝光拍摄,从5个角度采集倾斜像片数据。对倾斜摄影获取的影像进行质量检查,并按照不同类型进行调色匀色等处理,最终得到纹理清晰、亮度统一、色彩饱和度适中,可满足模型建立需要的影像。2.4 三维模型建立及正射影像生产首先导出无人机中的P O S数据,并对其进行数据转换,将坐标转换至C G C S 2 0 0 0坐标系和1 9 8 5国家 高 程 基 准 下 的 三 维 坐 标,其 次 打 开C o n t e x t C a p t u r eC e n t e rM a s t e r软件,导入相关的像片、P O S数据以及G P S量测的像控点平面坐标和高程等数据,在经过匀光处理后的影像中选取清晰的像片进行刺点(其中每个像控点选取五张像片,且像控点应处于像片居中位置),然后设置并检查存放路径,打开引擎进行空三运算,对倾斜摄影模型进行分块构建计算,程序自动选择不同视角上的最佳像对模型进行特征匹配,生成密集点云并构建不规则三角网(T I N)模型5,基于内在几何关系,将T I N模型进行平滑和优化处理。根据三维T I N的空间位置信息,获取最佳视角影像纹理,自动赋予模型纹理,输出纹理清晰逼真的三维模型,最后全自动地生成正射影像。输出的三维模型要在C o n t e x t C a p t u r e平台中进行检查,重点检查:(1)模型是否存在破洞、搭连、纹理扭曲;(2)水面是否存在凹凸不平、破洞、反光;(3)场景中是否有悬浮物体。如图1和图2所示,对于模型中结构异常引起的破洞、搭连、纹理扭曲、凹凸不平等问题,通过D pM o d e l e r软件对三维模型进行精细化编辑后,最终输出O S G B格式三维模型成果。2.5 成果检核现行的三维地理信息模型数据产品质量检查包括8个质量元素,分别为空间参考系、位置精度、表达精细度、逻辑一致性,属性精度、时间精度、场图1 倾斜三维模型(修模前)图2 倾斜三维模型(修模后)景效果和附件质量6。结合本项目的数据特点和实际用途,主要从位置精度、几何精度和纹理精度等方面对三维模型进行评定。3 宕口整治应用3.1 D EM构建为满足宕口综合整治分析的需求,需要构建精准的地面数字高程模型(D EM)。因为西南片区大部分地区都是经过开采后的裸露岩石,所以倾斜摄影构建的三维模型即可表达地面数字高程模型。而局部被建筑物或植被覆盖的区域的三维模型,则需要减去建筑物或植被的高度,以还原真实的地面高程模型。首先将 倾 斜 摄 影 构 建 的 三 维 模 型 数 据 导 入A r c G I S软 件 中,利 用3 D A n a l y s tt o o l s工 具 箱 中R a s t e rS u f a c e功能,设置好提取间距与分析环境,自动提取等高线数据,其次提取飞行区域范围外的1 1 0 0 0地形图的高程点、等高线和地形特征线数据,然后对两类数据进行接边处理,再将处理后的高程点、等高线和地形特征线等数据导入A r c G I S软件中,64江苏省测绘地理信息学会2 0 2 3年学术年会生成不规则三角网(T I N),最后将不规则三角网数据重新构建地面数字高程模型(D E M),如图3所示。图3 数字高程模型(D EM)3.2 数字线划图制作利用C A S S 1 0地形地籍成图软件中3 D制图模块,加载O S G B格式的倾斜三维模型,以二维、三维窗口实体同步显示的模式,使用C A S S 1 0的绘图工具在三维空间直接采集地物数据。左侧是三维模型编辑窗口,右侧为数字线划图编辑窗口7,通过对三维窗口内模型的旋转,准确获取不同要素的位置及高程信息,按照成图要求分要素、分图层绘制数字线划图(图4)。通过无人机航摄成果绘制的现势数字线划图是西南片区宕口综合整治的基础性资料,为西南片区的规划编制、规划设计以及宕口整治实施工作提供了规范、精确、科学的数据支撑。图4 基于C A S S 1 0绘制地形图3.3 土方量计算计算挖、填土方量是宕口综合整治过程中主要工作之一,土方量的大小与精准预算工程投资直接相关,因此快速而准确地计算土方量,对于西南片区综合环境整治涉及的规划设计、资金分配等具有重要意义。常用的土方计算方法有断面法、方格网法、等高线法及基于数字高程模型(D EM)法。其中基于数字高程模型(D EM)法适用于复杂、不规则地形,根据本项目具体情况,故选择采用了基于数字高程模型(D EM)法。首先通过程序自动形成不规则三角网(T I N),其次根据给定的规划设计标高值确定挖填方分界线,每个不规则三角形都被挖填方分界线分为全挖方或全填方、既有挖方又有填方两种。根据相应的数学公式把每个不规则三角形的体积计算出来,然后分别对各体积进行累积计算,统计出总挖方、总填方量,最后根据总土方量计算项目资金。通过对设计标高值的实时修改,快速计算出相应设计标高值时的挖、填方土量,精准预算出项目资金,有效地降低了宕口整治项目实施中因为规划设计的不合理而产生的项目工程量变更影响。3.4 坡度分析坡度是地表单元陡缓的程度指标,其大小直接影响着地表物质流动和能量转换的规模与强度,是研究区域土壤侵蚀、滑坡检测和土地利用规划的基础,是西南片区宕口综合整治设计的重要因子。首先利用构建地面数字高程模型(D EM),在A r c G I S软件中用S l o p e函数对西南片区的坡度进行提取,指定相应参数,执行后得到坡度栅格,再根据整治需求对坡度栅格进行重新分级,然后对该数据层的属性数据进行统计和分析,最终得到需要的分析结果。74无人机倾斜摄影在西南片区宕口整治中的应用根据坡度值首先可利用爆破削坡或人工清坡等手段,消除因坡顶及坡面的崩塌,或滑坡等造成的地质灾害隐患,其次可以通过降低坡度,满足宕口整治绿化施工的需要,保证治理效果的长期稳定。3.5 地表水文分析地表水文分析旨在利用D EM生成的集水流域和水流网络,研究与地表水流相关的各种自然现象,在城市、区域规划设计和森林以及交通道路等领域具有广泛应用。以数字高程模型(D EM)为基础,根据设计需求设置阈值,进行填洼、流向、汇流累积量、河网提取和分级、栅格河网矢量化等空间处理步骤,提取水文数据信息,为西南片区宕口综合整治提供设计参考,也为后期工程建设提供有力的基础数据支撑。4 结 语本文以镇江市西南片区为研究对象,利用无人机倾斜摄影技术完成了三维建模和正射影像图制作工作,探讨了相关成果在宕口整治工作中的具体应用。实践证明,这种先进技术的应用能快速获取高精度的数字高程模型和高分辨率的正射影像,以及能制作现势性好、精度满足要求的数字线划图,减少了外业工作成本,提高了工作效率。通过建立的倾斜模型,可以全方位地实景展示作业区的全貌,可以为宕口整治提供更加准确的数据支撑,可以广泛的应用。参考文献1 周小杰,杜鹏,曾静静,等.无人机倾斜摄影技术在露天矿山修复监测中的应用J.城市勘测,2 0 2 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