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PJK102S高精度無(wú)人機(jī)傾斜攝影相機(jī)解決方案

發(fā)布時(shí)間: 2020-03-31  點(diǎn)擊次數(shù): 2774次

PJK102S高精度無(wú)人機(jī)傾斜攝影相機(jī)解決方案

 

傾斜攝影技術(shù)

1.1 技術(shù)概述

傾斜攝影技術(shù)是測(cè)繪域近些年發(fā)展起來(lái)的項(xiàng)高新技術(shù)。它改變了以往航空攝影測(cè)量只能使用單相機(jī)從垂直角度拍攝地物的局限,通過(guò)在同飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器,同時(shí)從垂直、側(cè)視和前后視等不同角度采集影像。傾斜影像不僅能真實(shí)反映地物情況,還通過(guò)采用*定位技術(shù),嵌入精確的地理信息、豐富的影像信息,給用戶呈現(xiàn)出個(gè)五彩繽紛的三維世界,獲得身臨其境的體驗(yàn)。

傾斜攝影所具備的高效率、高精度、高真實(shí)感、低成本優(yōu)勢(shì),使其逐步替代傳統(tǒng)人工建模的三維模型獲取方式。個(gè)面積約50平方公里的城市,運(yùn)用傾斜攝影建模技術(shù),從獲取影像、處理數(shù)據(jù)直至生成真三維模型僅需10天左右。同等工作量,若采用人工建模,則需投入100人足足干3個(gè)月。傾斜攝影三維模型不僅能帶給觀者真實(shí)而震撼的視覺(jué)感受,還因其模型上每點(diǎn)都具有準(zhǔn)確的三維地理坐標(biāo),可供用戶按需測(cè)量和計(jì)算,從而使三維模型在城市建設(shè)與管理、國(guó)家地理測(cè)繪、公共安與應(yīng)急等方面大有可為。比如在城市建筑立面改造成本核算中,不用再拿著站儀去采集數(shù)據(jù),在電腦屏幕前即可輕松完成樓體測(cè)量、面積計(jì)算,估算修繕成本。

1.2 傾斜攝影原理

    傾斜攝影技術(shù)是在攝影測(cè)量技術(shù)之上發(fā)展起來(lái)的,和攝影測(cè)量不同的是:傾斜攝影是通過(guò)在同飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器(如圖所示,目前常用的五鏡頭相機(jī)),同時(shí)從垂直、傾斜等不同角度采集影像,獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息。垂直地面角度拍攝獲取的影像稱為正片(組影像),鏡頭朝向與地面成定夾角拍攝獲取的影像稱為斜片(四組影像)。以傾斜攝影技術(shù)來(lái)獲取影像數(shù)據(jù)作為素材,進(jìn)行人工或自動(dòng)化加工處理后得到的三維模型數(shù)據(jù)的過(guò)程,我們稱之為“傾斜攝影建模”。

基于傾斜攝影獲取的影像數(shù)據(jù),可進(jìn)行通過(guò)專業(yè)的自動(dòng)化建模軟件生產(chǎn)三維模型,模型生產(chǎn)周期短、成本低。自動(dòng)化建模工藝流程般會(huì)經(jīng)過(guò)多視角影像的幾何校正、聯(lián)合平差等處理流程,可運(yùn)算生成基于影像的高密度點(diǎn)云,點(diǎn)云構(gòu)建TIN模型,并以此生成基于影像紋理的高分辨率傾斜攝影三維模型,因此也具備傾斜影像的測(cè)繪精度。傾斜攝影自動(dòng)化建模及其成果,對(duì)比人工建模過(guò)程,具備“三高低“特點(diǎn),即:高效率、高精度、高真實(shí)感和低成本。

1.3 傾斜攝影組成部分

 

 

產(chǎn)品介紹

2.1 經(jīng)緯M210 RTK V2無(wú)人機(jī)

M210 RTK V2無(wú)人機(jī)是大疆創(chuàng)新出品的款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的電動(dòng)四軸無(wú)人機(jī),具有可靠性高、飛行品質(zhì)優(yōu)異、操作使用簡(jiǎn)單、起飛和著陸場(chǎng)地要求低等特點(diǎn)。

經(jīng)緯M210RTKV2飛行平臺(tái)延續(xù)經(jīng)緯系列可靠耐用的機(jī)身設(shè)計(jì),為嚴(yán)苛環(huán)境而生,旨在進(jìn)步提升空中作業(yè)生產(chǎn)力。無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)緊湊,擴(kuò)展靈活,智能控制系統(tǒng)與飛行性能顯著優(yōu)化,新增飛行及數(shù)據(jù)安等功能,為測(cè)繪行業(yè)提供專業(yè)解決方案。

 

圖:M210 RTK V2四旋翼無(wú)人機(jī)

飛行器

尺寸883×886×398mm

軸距643mm

大載重1.45kg

大起飛重量6.14kg

水平飛行速度81km/h

大起飛海拔3000m

大飛行時(shí)間28分鐘(PJ101S)

防護(hù)等IP43

工作環(huán)境溫度-20°C至50°C

特點(diǎn)功能

FPV圖傳標(biāo)配

避障前視下視避障,部紅外

圖傳距離8KM,OcuSync2.0圖傳系統(tǒng)

時(shí)間同步TimeSync時(shí)間同步設(shè)計(jì)

客機(jī)監(jiān)測(cè)DJIAirSense

D-RTK2D-RTK2厘米GNSS移動(dòng)站

地面站DJIPILOT智能地面站系統(tǒng)

電池2塊組TB55電池

實(shí)時(shí)差分網(wǎng)絡(luò)千尋實(shí)時(shí)差分

2.2  傾斜相機(jī)

PJ101S五鏡頭傾斜攝影相機(jī)是基于大疆M210系列飛行器平臺(tái)推出的專版相機(jī),具有更輕更小,性價(jià)比更高,適應(yīng)性更強(qiáng),效率更高,測(cè)量精度更高,更適用于單兵測(cè)繪作業(yè)等特點(diǎn)。

PJ101S五鏡頭相機(jī)

相機(jī)參數(shù)

像素單視角2430萬(wàn),總1.2億

CMOS數(shù)量5視角CMOS

畫幅APS畫幅(23.5X15.6)

焦距35mm(等效53mm)

存儲(chǔ)320GB、640GB、1280GB

曝光間隔≥0.8S

工作環(huán)境溫度-10°C至40°C

防護(hù)等IP64

云臺(tái)M210系列

重量700g

尺寸162X162X98mm

傳輸U(kuò)SB3.0接口

續(xù)航無(wú)人機(jī)供電

OLED屏顯標(biāo)配

實(shí)時(shí)圖傳標(biāo)配

后差分支持

溫控智能主動(dòng)恒溫

自檢智能自檢&主動(dòng)重置

數(shù)據(jù)預(yù)處理航測(cè)助手

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)-Smart3D

傾斜攝影三維建模技術(shù)是基于影像的三維建模技術(shù)的種,基于影像的三維建模技術(shù)大致步驟分為:

① 特征點(diǎn)提取與相對(duì)定向;

② 投影重建與相機(jī)標(biāo)定;

③ 密集匹配;

④ 重建三維模型。

其中第1步從給定影像中自動(dòng)檢測(cè)出可靠且充分密集的連接點(diǎn),利用連接點(diǎn)對(duì)大量影像進(jìn)行自動(dòng)重定向;第2步根據(jù)重定向結(jié)果進(jìn)行投影重建,標(biāo)定相機(jī)位置等信息;第3步通過(guò)CMVS(cluster multi-view stereo)、PMVS(patch-based multi-view stereo)等算法進(jìn)行密集匹配;第4步從點(diǎn)云通過(guò)構(gòu)建三角網(wǎng)格模型得到目標(biāo)三維模型。

3.1 建模原理

傾斜攝影三維重建技術(shù)在此基礎(chǔ)上添加了傾斜攝影技術(shù)、空中精確定位技術(shù)等,通過(guò)提供多鏡頭組合攝影平臺(tái),從多角度獲取影像,利用POS系統(tǒng)或GPS差分系統(tǒng)進(jìn)行精確定位,提供每張影像POS信息,再結(jié)合基于影像的自動(dòng)空三加密、影像密集匹配、紋理映射及模型生成等系列步驟,完成整個(gè)三維重建過(guò)程。

3.2 建議數(shù)據(jù)處理工作站硬件配置

1. CPU核心頻率不低于4.0,核心數(shù)24核以上;

2. 內(nèi)存不少于48G;

3. 顯卡必須是英偉達(dá)GTX系列,建議型號(hào)不低于GTX1080;

4. C盤使用256G以上固態(tài)硬盤;

5. 至少配置1個(gè)3T以上硬盤作為數(shù)據(jù)計(jì)算儲(chǔ)存使用,或者陣列硬盤;

6. 根據(jù)以上配置配備合適主板及大功率電源;

7. 其他適配硬件;

3.3 系統(tǒng)及相應(yīng)軟件配置

1. Win7 64位;

2. ACDsee相片查看器;

3. Smart3DCapture ;

4. 谷歌地球;

5. 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器;

 

傾斜攝影工作流程

傾斜攝影建模采用高精度、高效率、體化的自動(dòng)建模技術(shù),建立測(cè)區(qū)三維模型。該技術(shù)集傾斜攝影、空中精密定位和基于密集匹配的自動(dòng)建模技術(shù)于體,先,利用傾斜航空攝影平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,再進(jìn)行野外像片控制點(diǎn)的量測(cè),然后采用自動(dòng)建模軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,生成測(cè)區(qū)的三維模型,技術(shù)路線流程如圖所示。

4.1  傾斜攝影三維數(shù)據(jù)采集

參照相關(guān)的技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),完成測(cè)區(qū)范圍內(nèi)傾斜航空影像數(shù)據(jù)獲取工作,具體實(shí)施流程如圖所示。

 

實(shí)施流程圖

4.2  航攝基本要求及技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)測(cè)圖需要提出的航攝要求,向主管部門申請(qǐng)。經(jīng)批準(zhǔn)后,制定航攝計(jì)劃。根據(jù)實(shí)地勘察測(cè)區(qū)的地形特征和本公司攝影平臺(tái)的特點(diǎn),參照《1:500、1:1000、1:2000地形圖航空攝影規(guī)范》(GB/T15661-2008)對(duì)測(cè)區(qū)航線進(jìn)行合理設(shè)計(jì),基本的基本要求及技術(shù)指標(biāo)如下:

(1)所獲取影像為真數(shù)字影像

(2)平面精度滿足1:1000地形圖的精度要求

(3)像片的重疊度,航向重疊度75%;旁向重疊度75%。

(4)影像質(zhì)量,獲取的測(cè)區(qū)像片應(yīng)影像清晰、反差適中,調(diào)柔和、鮮艷。

(5)漏洞補(bǔ)攝,對(duì)各種原因獲取的不合格航片(航攝漏洞)要及時(shí)補(bǔ)飛,漏洞補(bǔ)攝按原設(shè)計(jì)航跡進(jìn)行。

(6)后期人工處理:重點(diǎn)處理飛地、飛樓等突出異常模型,后期路燈、籃球架等模型統(tǒng)替換。

4.3  航高確定

數(shù)碼航空攝影的地面分辨率(GSD)取決于飛行高度,如圖所示:

圖  航高與地面分辨率關(guān)系圖

式中:h—相對(duì)飛行高度;f—鏡頭焦距(90mm);a—像元尺寸(6.1µm);GSD—地面分辨率。按照公式可求得獲得相應(yīng)地面分辨率GSD的飛行高度。

4.4  航攝時(shí)間

航空影像的質(zhì)量對(duì)航攝飛行的時(shí)間有定的要求,航攝時(shí)間受天氣條件的制約。具體要求如下:

(1)水平能見度≥1500m,垂直能見度≥1000m;

(2)多云、陰天為佳,晴天次之。雨天、暴雨天氣均不適合飛行作業(yè);

(3)在風(fēng)速小于3時(shí)進(jìn)行作業(yè),風(fēng)速過(guò)3時(shí),獲取的傾斜攝影照片將會(huì)不利于建模;

(4)氣流相對(duì)穩(wěn)定:每天的正午氣流相對(duì)較強(qiáng),對(duì)飛行安不利,同時(shí)也對(duì)影像質(zhì)量影像較大;

(5)選擇航攝時(shí)間,既要保證具有充足的光照度,又要避免過(guò)大的陰影,般對(duì)于攝區(qū)的太陽(yáng)高度和陰影倍數(shù)要求如表所示,我公司在航攝時(shí)間的選擇上會(huì)嚴(yán)格遵守表的要求,確保獲取的傾斜攝影航空照片和三維建模成果的質(zhì)量能夠滿足招標(biāo)方的要求。

 太陽(yáng)高度角和陰影倍數(shù)

地形類別

太陽(yáng)高度/(°)

陰影倍數(shù)/(倍)

平地

>20

<3

丘陵地和小城鎮(zhèn)

>30

<2

山地和中等城市

≥45

≤1

高差特大的陡峭山區(qū)和高層建筑物密集的大城市

限在當(dāng)?shù)卣缜昂?h內(nèi)攝影

<1

注:特殊情況根據(jù)測(cè)區(qū)地形和季節(jié)天氣條件,航飛時(shí)間具體設(shè)定。

4.5  航線設(shè)計(jì)

通常情況下航線應(yīng)按東西向或南北向直線飛行;特定條件下亦可根據(jù)地形走向與專業(yè)測(cè)繪的需要,按南北向或沿線路、 河流、 海岸、境界等任意方向飛行。

平行于攝區(qū)邊界線的末航線般敷設(shè)在攝區(qū)邊界線上或者邊界外;旁向覆蓋出攝區(qū)邊界線,般不少于像幅的30%,確保目標(biāo)攝區(qū)完覆蓋。

4.6  像片控制點(diǎn)測(cè)量

.6.1 像片控制點(diǎn)布設(shè)

(1)本測(cè)區(qū)像片控制點(diǎn)擬采用網(wǎng)絡(luò)GPS-RTK技術(shù)施測(cè),般情況下均為平高點(diǎn)。

(2)選用的像片控制點(diǎn)的目標(biāo)影像應(yīng)清晰,易于判別和刺點(diǎn)。像片控制點(diǎn)布設(shè)應(yīng)在航向及旁向重疊5-6張像片范圍內(nèi),控制點(diǎn)要盡量共用。根據(jù)測(cè)區(qū)的地形條件,按區(qū)域網(wǎng)布設(shè),區(qū)域網(wǎng)的大小般控制在8航線,12基線,在區(qū)域網(wǎng)的四周進(jìn)行控制點(diǎn)的布設(shè)。般情況下每平方公里1個(gè)點(diǎn),盡量均勻分布。

(3)區(qū)域網(wǎng)之間的像片控制點(diǎn)應(yīng)盡量選擇在左、右航線重疊的中間,相鄰區(qū)域網(wǎng)盡量公用。當(dāng)測(cè)區(qū)范圍受地形條件限制,有凸凹時(shí),應(yīng)在凸角處增補(bǔ)控制點(diǎn)。

滿足精度要求的點(diǎn)位均提供高程和平面坐標(biāo),每個(gè)測(cè)區(qū)至少有2個(gè)多余觀測(cè)控制點(diǎn),作為多余觀測(cè)評(píng)價(jià)模型的坐標(biāo)精度。

5.6.2 像片控制點(diǎn)測(cè)量與計(jì)算

(1)GPS點(diǎn)位基本要求

a、應(yīng)便于安置接收設(shè)備和操作,視野開闊,視場(chǎng)內(nèi)障礙物的高度角不宜過(guò)15°;

b、遠(yuǎn)離大功率無(wú)線電發(fā)射源(如電視臺(tái)、電臺(tái)、微波站等),其距離不小于200m;遠(yuǎn)離高壓輸電線和微波無(wú)線電信號(hào)傳送通道,其距離不應(yīng)小于50m;

c、附近不應(yīng)有強(qiáng)烈反射衛(wèi)星信號(hào)的物件(如大型建筑物等);

d、交通方便,并有利于其他測(cè)量手段擴(kuò)展和聯(lián)測(cè);

e、充分利用符合要求的已有控制點(diǎn);

f、選站時(shí)應(yīng)盡可能使測(cè)站附近的局部環(huán)境(地形、地貌、植被等)與周圍的大環(huán)境保持致,以減少氣象元素的代表性誤差;

(2) 計(jì)算和限差要求參照CJJ 8-99《城市測(cè)量規(guī)范》和CJJ/T 73-2010《衛(wèi)星定位城市測(cè)量技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行;

(3) 像片控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)得到的坐標(biāo)應(yīng)及時(shí)在已有的較大比例尺的地形圖上展點(diǎn)檢查,防止出現(xiàn)粗差,確保下工序的三維模型生產(chǎn)能得以順利進(jìn)行。

5.6.3 像片控制點(diǎn)選刺

(1)像片控制點(diǎn)的判刺精度為0.1mm,點(diǎn)位應(yīng)選在影像清晰的明顯地物點(diǎn),般可選在交角良好的細(xì)小線狀地物交點(diǎn)、影像小于0.2毫米的點(diǎn)狀地物中心,地物拐角點(diǎn)或固定的點(diǎn)狀地物上。弧形地物、陰影、交角小于30°的線狀地物交叉不得作為刺點(diǎn)目標(biāo)。

(2)像片控制點(diǎn)應(yīng)選用高程變化小的目標(biāo),像片控制點(diǎn)在各張相鄰的及具有同名點(diǎn)的像片上均應(yīng)清晰可見,選擇清晰的張像片作為刺點(diǎn)片。

(3)像片控制點(diǎn)采用統(tǒng)編號(hào),平高像片控制點(diǎn)冠以“P”,流水編號(hào),如:P01、P02、……同測(cè)區(qū)不得重號(hào)。

(4)每個(gè)控制點(diǎn)刺點(diǎn)位置情況都附加注點(diǎn)位簡(jiǎn)要說(shuō)明,刺孔影像、實(shí)地、略圖說(shuō)明要致,并注明點(diǎn)號(hào),選刺者、檢查者應(yīng)簽名。

4.7  三維數(shù)據(jù)處理

 測(cè)區(qū)三維模型的生產(chǎn)采用敏捷自動(dòng)建模軟件。將獲取的符合建模要求的重疊影像進(jìn)行預(yù)處理,導(dǎo)入軟件系統(tǒng),人工給出定數(shù)量的特征點(diǎn),軟件則自動(dòng)匹配計(jì)算,進(jìn)行模型生產(chǎn),具體工作流程如圖所示。

三維模型生產(chǎn)流程圖

5.7.1 影像預(yù)處理

傾斜攝影完成后,我們對(duì)獲取的測(cè)區(qū)影像進(jìn)行質(zhì)量檢查,確定影像沒(méi)有變形、扭曲等現(xiàn)象,對(duì)影像質(zhì)量不符合要求的進(jìn)行修復(fù),對(duì)影像進(jìn)行統(tǒng)編號(hào)。

自動(dòng)空三加密

在自動(dòng)建模軟件上加載測(cè)區(qū)影像,人工給定定數(shù)量的控制點(diǎn),軟件采用光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差,以張像片組成的束光線作為個(gè)平差單元,以中心投影的共線方程作為平差單元的基礎(chǔ)方程,通過(guò)各光線束在空間的旋轉(zhuǎn)和平移,使模型之間的公共光線實(shí)現(xiàn)交會(huì),將整體區(qū)域地加入到控制點(diǎn)坐標(biāo)系中,從而得到加密點(diǎn)成果,即從已知特征點(diǎn)推算出未知特征點(diǎn),并自動(dòng)抽取所有特征點(diǎn),構(gòu)成整個(gè)目標(biāo)地區(qū)的特征點(diǎn)云。

5.7.2影像密集匹配

軟件根據(jù)高精度的影像匹配算法,自動(dòng)匹配出所有影像中的同名點(diǎn),并從影像中抽取更多的特征點(diǎn),從而更精確地表達(dá)地物的細(xì)節(jié),如下圖所示。

目標(biāo)測(cè)區(qū)點(diǎn)云

5.7.3紋理映射

由空三建立的影像之間的三角關(guān)系構(gòu)成TIN,再由TIN構(gòu)成白模,軟件從影像中計(jì)算對(duì)應(yīng)的紋理,并自動(dòng)將紋理映射到對(duì)應(yīng)的白模上,終形成真實(shí)三維場(chǎng)景,如下圖所示。

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