无人机大场景模型在铁路地形图测绘中的应用_赵一方.pdf

技术应用科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年8期无人机大场景模型在铁路地形图测绘中的应用赵一方（中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043）无人机航空摄影测量具有机动灵活、影像清晰和成本低廉等优势，可以便捷地获取地物地貌信息，弥补了既有手段效率低、成本高、周期长的短板，已成为传统摄影测量技术的有效补充1-3。但无人机摄影测量使用的立体模型仍是单个像对，观测范围有限，需要频繁切换像对来进行大范围场景浏览，严重影响生产效率4。为充分发挥无人机航测技术优势，进一步提高铁路无人机航测制图生产效率，基于李德仁等4-5提出的航空影像大场景立体模型理论，本院自主研发了基于无人机影像大场景立体模型的数字化测图软件6-8。无人机大场景能够大范围地再现地形地物三维信息，弥补了单像对立体模型观测范围受限的缺点，在大场景模型上进行测图能够极大地提高无人机航测制图效率。1大场景立体模型1.1基本原理大场景立体模型是由数字微分纠正镶嵌后的大范围无缝正射影像（左片）与引入左右视差后生成的立体辅助影像（右片）构成的，可以看作是一个大范围的单像对立体模型，其核心技术包括数字微分纠正镶嵌与人为视差引入。数字微分纠正镶嵌的目的是把大量离散的航摄像片制作成为大范围无缝正射影像，但由于消除了地形投影差，大场景立体模型的地形理论上是一个平面，没有起伏，仅地物保留了立体效果。因此需要人为在大场景右片上引入左右视差，来模拟消除了的地形投影差，达到恢复地形起伏的目的。基金项目：陕西省技术创新引导专项（基金）计划（2020CGHJ-010）；中铁第一勘察设计院集团有限公司重点专项研发项目（2021KY73ZD（ZDZX）-01）；中铁第一勘察设计院集团有限公司 2022 年度软件开发项目（2022RJ25）作者简介：赵一方（1995-），男，硕士，助理工程师。研究方向为航天航空摄影测量技术应用。摘要：无人机航测技术已广泛应用于铁路地形图测绘领域，但其单模型像幅小的缺点严重制约着生产效率。无人机影像大场景立体模型能够大范围地再现地形地物三维信息，弥补单像对立体模型观测范围受限的缺点，在大场景模型上进行测图能够极大地提高无人机航测制图效率。该文通过对某山地丘陵地区进行地形图测绘，分析无人机影像大场景立体模型的数学精度，验证该技术测绘铁路大比例尺地形图的可行性。最后得出研究区域内像控点的平面位置中误差为 0.109 m，高程中误差为 0.255 m，满足国家标准中对于二级地形、12 000 比例尺地形图地物平面中误差 0.6 m、高程中误差 0.5 m 的要求。关键词：无人机影像；大场景立体模型；铁路地形图测绘；数学精度；精度分析中图分类号：P231.5文献标志码：A文章编号：2095-2945（2023）08-0193-04Abstract:UAV aerial survey technology has been widely used in the field of railway topographic mapping,but its shortcomingof a single model with a small image size seriously restricts production efficiency.The large scene stereo model of UAV imagescan reproduce the three-dimensional information of the terrain surface and ground objects,which makes up for the shortcomings ofthe limited observation range of the single model.Using the large scene stereo model can greatly improve the production efficiencyof UAV aerial survey and mapping.In this paper,by producing a topographic map in a mountainous and hilly area,themathematical accuracy of the large scene stereo model of the UAV images is analyzed,and the feasibility of the technology forsurveying and mapping the large-scale topographic map of the railway is verified.In conclusion,the RMSE of the horizontalposition of the image control points in the research area is 0.109 meters,and the RMSE of the vertical position is 0.255 meters,which meets the requirements that for the 12 000 scale topographic map in a mountainous and hilly area,the horizontal andvertical RMSE shall be less than 0.6 and 0.5 meters respectively.Keywords:UAV images;large scene stereo model;railway topographic mapping;mathematical accuracy;precision analysisDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.08.046193-2023年8期技术应用科技创新与应用Technology Innovation and Application1.2制作流程无人机影像大场景立体模型的制作流程主要包括影像匀光匀色、DEM 生成、拼接线编辑和大场景立体模型生成 4 个步骤，如图 1 所示。图1无人机影像大场景立体模型制作流程图影像匀光匀色是指将输入影像调整成为亮度适中、反差均匀、色彩一致的影像。由于航空摄影过程中时相、环境、姿态和对象等客观因素的差异，不同测段、不同航线之间的影像容易出现过亮过暗、色彩不一致、噪声过大和反差不均匀等现象。使用这样的影像进行数字镶嵌会导致大场景立体模型接边痕迹明显，视觉效果差，给后续工作如影像判读、数字化测图等带来不便9。为了保证无人机影像大场景立体模型的色彩一致性，对于色彩不均衡、反差不均匀的原始无人机影像，可以选择进行匀光匀色处理。测区 DEM 生成首先依靠严密的空三加密成果匹配和解算出海量加密点，其次通过点云分类技术筛选出位于地面的加密点，最后对地面点进行重采样生成测区 DEM。由于点云自动分类出的地面点含有错点，测区 DEM 不可避免地含有误差，但实际上对大场景立体模型量测精度影响较小8。DEM 的分辨率宜为无人机大场景模型的 50 倍，如制作 0.1 m 分辨率的大场景模型，DEM 格网间距为 5 m 较为合适7。由于正射影像无法消除地物投影差，如果在投影差大的地方（如高层建筑）进行影像镶嵌，那地物的一部分就会被裁切掉。通过对镶嵌线进行人工编辑，使之尽量避开建筑物，让影像在没有地物的区域进行拼接，可以减少因镶嵌造成的影像重要信息丢失。2项目实例2.1测区概况项目位于山地丘陵地区，属构造侵蚀溶蚀中低山地貌，本文研究区域面积约 12 km2，测区内相对高差最大约 400 m。2.2数据获取2.2.1航空摄影采用大白 II 无人机搭载飞思 IXU-RS1000 数码航摄仪进行测区范围的航摄数据获取，主要相机参数见表 1。该系统配备 GNSS RTK、减震云台及高精度IMU，实现直接传感器定向或辅助定向测量，可准确获取航摄仪曝光时刻的外方位元素。表1飞思IXU-RS1000数码航摄仪主要参数2.2.2像控选刺像控点布设采用区域网布点，像控点的密度和位置依据 CH/T 30032021 低空数字航空摄影测量外业规范 要求确定。以正射影像和像控点布设结合图为参考，采用网络 RTK 定位技术完成像控点选刺与测量。2.3数据处理2.3.1空三加密空三加密作业采用 GodWork 软件，依次进行连接点自动提取、自由网平差与渐次删点、像控点量测和光束法区域网平差等工作。通过渐次删点，将内业加密点重投影误差控制在 1.5 个像素以内，保证模型连接质量。本项目像控点多为房角等具有一定高度的特征点，因此采用双像立体量测，以减小控制点量测误差。不断优化像控点量测位置，直至区域网平差后像控点平面和高程残差满足相应规范为止10，最终像控点平面和高程残差分别为 0.084、0.070 m。空三加密完成后输出Inpho 和 Smart3D 格式成果，分别供 DEM 和大场景制作使用。2.3.2影像匀光匀色影像匀光匀色采用 GeoDodging 软件的批处理功能，处理模式选择“整体自适应”，处理方法为“滤波法”，对航摄像片进行批量处理。利用原始影像与匀光参数 数值 焦距 50?mm 像幅 11?6088?708 像元尺寸 4.6?m 开始制作航片、像控数据获取空三加密影像匀光匀色制作无人机影像大场景立体模型制作完成生成测区 DEM编辑镶嵌线194-技术应用科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年8期匀色后的影像分别制作大场景立体模型，对比处理前后大场景视觉效果如图 2 所示。图2影像匀光匀色前后无人机大场景（左片）视觉效果对比2.3.3生成测区 DEM测区 DEM 采用 Inpho 软件的 Match-T DSM 模块制作，主要考虑到该模块具有 DEM 平滑功能，使用平滑后的 DEM 进行数字微分纠正可以避免正射影像出现扭曲拉花的现象，优化大场景模型的视觉效果。在Match-T DSM 中定义格网大小为 10 m，设置平滑选项为中度，运行后生成成果为 GRD 格式，需要转换为TIF 格式，供大场景制作使用。2.3.4编辑镶嵌线在 ArcGIS 中对镶嵌线进行编辑，以原始镶嵌线制作的大场景左片为底图，移动顶点位置使镶嵌线绕避房屋等拼接有问题的区域，让影像在草木区进行拼接，利用编辑过后的镶嵌线重新制作大场景，恢复图面建筑完整信息。镶嵌线编辑前后无人机大场景模型拼接效果如图 3 所示。图3镶嵌线编辑前后无人机大场景（左片）局部拼接效果对比2.3.5无人机大场景模型制作基于前述的 Smart3D 格式空三加密成果、匀光匀色影像、测区平滑 DEM 和编辑后的镶嵌线，分别在中铁第一勘察设计院（以下简称“我院”）自主研发软件 SAT_UAV_APP 和 ImageStereo 中进行无人机影像大场景立体模型制作与地貌地物数据采集，生成满足项目技术质量要求的 12 000 比例尺地形图，如图 4、图 5 所示。图4我院自主研发的大场景生成软件SAT_UAV_APP图5我院自主研发的大场景立体测图软件ImageStereo2.4精度分析2.4.1统计方法完成本项目地形图测绘工作后，对地形图成图精度进行验证，以测区内像控点 RTK 测量坐标值为参考，统计地形图成果中对应点位相对于参考值的偏差，并计算平面位置中误差和高程中误差，验证基于无人机大场景技术测绘铁路地形图的数学精度，相应计算公式如下，（1）式中：x、y、h 分别为东、北、高坐标值；mxy和 mh分别为像控点平面位置中误差和高程中误差；为像控点各方向上大场景测量值与 RTK 测量值之间的偏差；n 为测区像控点总数。2.4.2统计结果在无人机影像大场景立体模型上测量所有像控点坐标，与 RTK 测量成果进行比较，验证无人机大场景模型测绘铁路地形图的平面和高程数学精度，结果如图 6 所示。?xxyymnh hmn+=（a）镶嵌线编辑前无人机大场景（左片）局部拼接效果（b）镶嵌线编辑后无人机大场景（左片）局部拼接效果（a）影像匀光匀色前无人机大场景（左片）视觉效果（b）影像匀光匀色后无人机大场景（左片）视觉效果195-2023年8期技术应用科技创新与应用Technology Innovation and Application统计可得，以 RTK 测量坐标值为参考，研究区域内像控点的平面位置中误差为 0.109 m，高程中误差为0.255 m，满足国家标准中对于二级地形、12 000 比例尺地形图地物平面中误差 0.6 m、高程中误差 0.5 m 的要求11。3结论无人机大场景模型利用数字微分纠正镶嵌技术弥补了单个无人机立体像对可视范围窄小的缺点，极大地提高了三维场景的浏览和量测效率。本文借助某山地丘陵铁路地形图测绘项目，对无人机大场景模型的数学精度进行验证，得出其满足二级地形、12 000 比例尺地形图国家标准精度要求的结论，为铁路行业大比例尺地形图测绘提供了新的解决方案。参考文献：1 崔百林.无人机测量在铁路工程测绘实践中的应用J.工程技术研究，2021，6（17）：122-123.2 毕凯，李英成，丁晓波，等.轻小型无人机航摄技术现状及发展趋势J.测绘通报，2015（3）：27-31，48.3 刘亚林无人机数码航摄技术在铁路勘测中的应用J.测绘通报，2022（S2）：72-764 李德仁，王密，潘俊，等.无缝立体正射影像数据库的概念、原理及其实现J.武汉大学学报（信息科学版），2007（11）：950-954.5 李德仁，王密.一种基于航空影像的高精度可量测无缝正射影像立体模型生成方法及应用J.铁道勘察，2004（1）：1-6.6 王争鸣，任晓春，王玮.大场景立体模型建立及量测方法研究J.铁道工程学报，2013，30（2）：1-6.7 吕慧玲.真实感场景模型制作工艺及质量控制方法J.铁道标准设计，2016，60（9）：28-32.8 张占忠.铁路大场景立体影像模型制作关键技术及应用J.铁道工程学报，2020，37（4）：11-16.9 陈科，黄天勇，闻平，等.利用匀光匀色建立色彩一致性无缝DOM 影像数据库的方法研究J.测绘工程，2014，23（2）：66-69.10 低空数字航空摄影测量内业规范：CH/T 30032021S.2021.11 1500 11 000 12 000 地形图航空摄影测量内业规范：GB/T79302008S.2008.图6无人机大场景模型测绘铁路地形图平面（左）和高程（右）残差分布图0.20.10-0.1-0.2-0.2-0.100.10.20.60.40.20-0.2-0.4（a）无人机大场景模型测绘铁路地形图平面残差分布图（b）无人机大场景模型测绘铁路地形图高程残差分布图单位：m单位：m196-