岩石科技低空近景摄影测量系统
低空近景摄影测量系统
(Topcon Image Master)
北京奥腾岩石科技有限公司
2013年11月05日
目录
1. 系统简介 . .................................................................................................................................. 2
1.1.
1.2.
2. 系统原理 . ...................................................................................................................... 2 ImageMaster 软件简介 ................................................................................................ 2 IM 近景摄影测量系统 ............................................................................................................. 4
2.1.
2.2.
2.3. 系统构成 . ...................................................................................................................... 4 系统作业流程 . .............................................................................................................. 4 系统建模效果 . .............................................................................................................. 6
3. IM 低空航测系统 ..................................................................................................................... 8
3.1.
3.2.
3.3.
3.4. 系统构成 . ...................................................................................................................... 8 系统作业流程 . .............................................................................................................. 8 ImageMaster 航测与普通航测对比 .......................................................................... 12 ImageMaster 航测与传统测绘对比 .......................................................................... 13
4. IM 成果输出 ........................................................................................................................... 14
4.1.
4.2.
4.3.
4.4.
4.5.
4.6.
4.7. 4D 成果 ....................................................................................................................... 14 点云数据 . .................................................................................................................... 16 土方计算 . .................................................................................................................... 17 断面测量 . .................................................................................................................... 18 三维建模 . .................................................................................................................... 18 视频成果 . .................................................................................................................... 18 其他应用(如水淹分析) . ........................................................................................ 19
5. 精度评定方法 . ........................................................................................................................ 20
5.1.
5.2. 误差来源 . .................................................................................................................... 20 提升精度方法 . ............................................................................................................ 21
6. 实际应用案例 . ........................................................................................................................ 23
6.1.
6.2.
6.3. 浙江省台州市三门县罗岙水库溢洪道低空航拍 ..................................................... 23 露天煤矿航拍 . ............................................................................................................ 27 杭州灵隐寺飞来峰摩崖石刻 . .................................................................................... 28
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1. 系统简介
1.1. 系统原理
该系统使用的测绘方法是摄影测量,从学
术上定义既是:通过摄影的方法获得照片,建
立立体像对,最终建立测绘成果的方法。
本质上来说,则是:先后方交会再前方交
会得到坐标。这里我们可以通俗的将每一张照
片理解成一台经纬仪,则后方交会的目的是让
每一台经纬仪进行设站定向,前方交会就是使
用两台经纬仪同时照准同一点,利用三角函数图1 利用三角函数原理,求得每一个像素坐标值 获得其坐标,而换成照片则是:通过像控点,后方交会计算出每一张照片的位置和拍照姿态,再通过每两张照片同时照准同一个像素点,求得该像素点的坐标值。
形象的来说,就如同我们生物,长了两只眼睛一样,一只眼睛只能确定一个平面的世界,只有张开两个眼睛同时观察物体,才能有效的判断物体的立体形状和离我们的距离。
1.2. ImageMaster 软件简介
IM 低空近景摄影测量系统的核心软件是ImageMasterPro ,下简称IM 。
图2 拓普康IM 软件
ImageMaster 软件是一个优秀的测绘分析软件,不仅支持测绘成果的绘制,分析,
3D
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浏览,建模等常规功能,最核心的是其优秀的摄影测量功能:可以通过照片,建立立体相对,从而生成三维模型,进行测绘成果的建立。
ImageMaster 软件拥有悠久的历史,其前身为拓普康摄影测量软件PI-3000,再往前追溯为拓普康摄影测量工作站PI-1000。
图3 IM 软件发展历程
IM 软件功能如下:
● 建立TIN 网,进行断面,等高线的生成
● 快速精确计算距离,面积,体积
● 快速建立高精度 DOM (正射影像图)
● 支持RGB 激光扫描仪格式点云,DXF 格式,TXT 点格式等各种常规格式
● 支持激光扫描仪数据,全站仪与 GPS 数据的绘图,出图
● 自由简单的显示和编辑三维模型
● 通过任意数码相机得到的相片,建立立体模型,进行比拟激光扫描仪效果的建模 ● 支持固定翼无人机影像处理(推荐旋翼飞机)
● 支持航测框幅式影像处理(RC20/RC30)
IM 软件特点如下:
● 相机要求低:较好的卡片机,以及最便宜的单反相机即可满足要求
● 相机畸变校正简单:无需校检场地,只需打印一张纸即可进行纠正
● 拍照要求低:无需精确摆放拍照位置,也无精确的角度要求,对场地要求低
● 支持各种常规格式,包括DXF ,坐标格式,所有数据可导入导出CAD 、CASS 等常规测
图软件进行二次编辑
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2. IM 近景摄影测量系统
2.1. 系统构成
核心硬件:相机、坐标采集设备、电脑
2.2. 系统作业流程
1) 像控点布设
采用油漆喷漆(十字丝)或贴标记片的方式在被摄物体局部或周围做像控点标志。
2) 用全站仪采集像控点坐标
用全站仪瞄准像控点标志的中心点采集像控点的三维坐标。
(如果只需要被摄物体的三维模型,而不需要真实坐标,1、2可以省略)
3) 对被摄物体进行拍照
手持相机,在离被摄物体大约保持恒定的距离对被摄物体进行拍照,要求相邻两张照片之间有百分之七十左右的重叠度。
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图4 近景摄影测量拍照示意图
4) 进行相机镜头畸变参数的标定:
通过畸变标定软件:印出一张标准的A4大小的标定纸,然后使用相机从正面、左倾、右倾、上倾、下倾5个角度对标定纸进行拍照,得到五张照片如下:
图5 标定纸拍照示意图
软件会根据这5张相片自动计算镜头畸变值和内方位元素,包括以下信息:
● 焦距f
● 主像点位置x,y
● 径向畸变K1,K2
● 切向畸变P1,P2
这些信息会被保存在一个后缀名为.cmr 的文件中,我们在下面的图像处理时,导入该文件即可。
5) 软件内业建模处理
将相机拍摄的照片,相机镜头畸变标定文件.cmr ,像控点三维坐标导入IM 软件中进行建模处理。
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2.3. 系统建模效果
1) 雕塑文物建模:
图6 头盖骨三维模型
图7 头盖骨数字表面模型
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2) 建筑物建模:
图6 建筑物三维模型
图7 建筑物三维模型—显示相机拍照位置
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3. IM 低空航测系统
3.1. 系统构成
核心硬件:飞行器、相机、坐标采集设备、电脑
3.2. 系统作业流程
1) 航线规划
根据测区地形,在航飞软件上进行航线规划。
2) 像控点布设
到达测区后,根据设定好的航线,进行拍照,在取得的照片上,根据情况进行像控点的规划,要求一对照片上规划至少6个点,分布均匀,且尽量是作业人员方便到达的地点。(在已经熟知测区地形的情况下可以省略首飞了解地形的过程,直接进行像控点的规划。)
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图8 一个公共像对找到6个像控点
然后根据在图上标记的大概位置,到现场去,做好标记,并用RTK 测量其坐标。要求画十字形状,取其交点中心坐标。
图9 使用白色石灰粉做像控点标志
3) 航飞摄影
当做好像控点,可以根据首飞的情况,适当的微调航线,再次进行飞行拍照,最终取得航片,外业工作即已完成。
4) 相机镜头畸变标定
同近景摄影测量过程。
5) 选片
在航飞过程中,我们往往是尽量多拍照片,因此在每一个位置都会产生3-4张照片,以防止模糊或者重叠不够等情况,因此我们取得外业原始的照片文件后,需要根据重叠度和清晰程度筛选照片,原则上,两张照片重叠度70%-80%即可,很快就可以将我们需要处理的照片筛选出来。
在这里需要注意的是,IM 软件和普通航测的重要区别在于,普通航测需要照片是连续不断的进行匹配的,比如有20张照片,那么普通航测会产生N-1也就是19个像对,而
IM
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则不需要像对和像对之间有重叠,所以同样20张照片,最多只需要10个像对。比如我们的飞机在300米的高度,使用16mm 镜头的APS-C 画幅相机拍照,单张照片覆盖面积400*300米,两张照片的按80%的重叠度就有300*300米的公共区域A ,A 的这个300*300米的公共区域就是有效测区,而下个像对同样会产生一个300*300米的公共区域B ,A 和B 之间并不需要重叠,这和普通航测的照片处理方法截然不同。
所以,往往同样一个区域的航测,我们只需要远少于普通航测的照片即可完成作业:
图10 一次飞行获得的220多张照片,最终筛选出9张
6) 刺点
在筛选完需要处理的照片后,我们需要在照片上,找到像控点的位置,标记出来,这样能方便我们内业处理。
图11 在图片上,找到像控点的位置,标记下来,方便内业人员处理
7) 匹配
然后我们打开IM 软件,将【照片】【像控点坐标】【畸变文件】一共三个文件导入软件进行匹配即可。
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图12 在软件中,将像控点在图上标记下来,完成定向
8) 绘图
当我们进行完匹配工作后,就进入到我们最终的测绘成果输出了,在已经匹配完毕的立体像对上,我们可以根据照片获得每一个像素的坐标值,进行画线,测点,建立模型等工作。
图13 在立体像对上进行绘图作业
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3.3. ImageMaster 航测与普通航测对比
传统遥感航测特点: 优势:
1、 面积大:固定翼飞机以很快的速度在高空快速获取很大范围的照片,单次飞行可覆盖上
百平方公里;
2、 效率高:获取到的上千组照片,通过进行空三自动匹配的方式,进行自动化的处理,很
大程度上避免了人为干预。 劣势:
1、 风险大:由于飞机本身体积小,航高处于对流层,而且速度快,因此收环境影响大,降
落和起飞都存在一定的安全隐患;
2、 精度有瓶颈:如果希望获取一个局部地区的高精度照片,比如100米乘100米的小区域,
基本是做不到的;
3、 相片无法人工干预:这种自动处理的方法,对于照片的拍照要求较高,重叠度,基线旋
转,拍摄倾斜角等等制约着成果,难以通过人为进行数据的完善; 4、 成本高:该种航测方法的成本一般以百万元级别计。 IM 低空航测特点: 优势:
1、 拍照要求低:对重叠度,基线旋转,拍照角度等十分宽容;
2、 无需提供POS 数据:因为匹配原理不同,因此只需要提供照片即可处理,无需姿态和位
置数据;
3、 照片清晰:由于是低空悬停拍照,所以照片非常清晰,成像效果好,自然精度高; 4、 成本低:相对于传统航测,成本大幅度降低。
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劣势:
1、 不适用大面积区域:由于飞机是小型低空,因此自然不能一次飞行很大区域,一般一次
飞行只能覆盖0.5-1平方公里区域;
2、 不能自动完成拼接:由于其定向原理不同,因此照片需要手动拼接,无法自动匹配。
3.4. ImageMaster 航测与传统测绘对比
IM 低空航测对比传统测绘的优势:
1、 数字化成果丰富:除了可以得到传统测绘的4D 产品外,还可以获取断面图,进行表面
积、体积计算等多种功能;
2、 自动化程度高:除了DLG 需要在立体像对中手动勾绘之外,其余所有测绘成果全部可以
通过软件自动生成;
3、 作业效率高:相对于传统测绘,IM 低空航测效率大为提高,作业时间尤其是外业工作
的时间得到大幅缩减。
在大比例尺地形图测绘中,IM 低空航测可以完全取代传统测绘方式。
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4. IM 成果输出
4.1. 4D 成果
三维模型:
图14 IM 软件自动生成的真彩色三维模型
等高线:
图15 IM 软件自动生成的等高线
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线划图DLG :
图16 IM 软件生成的线划图
IM 软件生成的线划图可以导出为dxf 格式,导入CAD 、南方CASS 等常用内业处理软件中进行二次编辑,如下图所示。
图17 IM 软件生成的线划图导入南方CASS 二次编辑
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正射影像图DOM :
图18 IM 软件自动生成的正射影像图
数字表面模型DSM :
图19 IM 软件自动生成的数字表面模型
4.2. 点云数据
IM 软件进行三维模型构建之后,可以输出带有坐标信息的点云数据,测图效果堪比激光扫描仪。
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图20 IM 软件自动生成的点云数据
4.3. 土方计算
图21 IM 软件自动进行体积测量
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4.4. 断面测量
图22 IM 软件自动进行断面测量
4.5. 三维建模
图23 IM 软件进行三维建模(数字城市)
4.6. 视频成果
无人机外业航飞的过程中,可以通过录像的方式同步获取被摄区域的视频拍摄成果,具有重要的参考意义。
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4.7. 其他应用(如水淹分析)
通过三维模型可以模拟水淹情况分析。
生成的真三维地形图,可以通过N,E,H 也就是北,东,高三个方向进行分块渲染,也就是说,我们可以通过软件模拟不同高度情况下,地表面的淹没状况。
图24 高程3米水淹情况
图25 高程13米水淹情况
图26 高程23米水淹情况
IM 软件所有成果输出,除了DLG 需要手动勾绘之外,其他测绘成果都可以通过软件自动生成。
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5. 精度评定方法
5.1. 误差来源
1) 光学素质(镜头)
镜头的选择与质量,可以说是影响精度最为重要的环节,因为我们知道,任何照片,都是存在着“变形”的,也就是说,原本是一条笔直的线,通过拍照,在照片上的成像肯定不是“笔直”的,而镜头越是广角,这个变形量也就越大!所以,如果为了追求一次能够多取景,提高作业效率,选取广角镜头,那么精度一定会受到影响,所以,我们建议,根据项目的具体要求,选择一款满足精度的前提下,尽量广角的镜头,下面列举SONY N7微型单反常用的镜头规格以供参考:
通过表格可以看出,从16mm 到30mm 的镜头变化,精度提高非常显著,但是作业效率也降低了很多,16mm 到30mm 可以说是两个极值,从1:500的精度到1:2000的精度,根据情况,可以选择最为合适的镜头。
另外,光学镜头正好比我们测绘上的水准仪,全站仪这些设备,在进行高精度的作业时,一定要进行随时的检校,每次航拍完毕,都要对镜头进行畸变标定,使用最新的标定成果! 2) 相机分辨率
这个非常好理解,简单的说,越高像素,分辨率越高,当然精度也越高!这是由于摄影测量的分辨率原理决定,公式如下:这里面,
就是像素的尺寸,这个值越小,单个像
素所能代表的真实尺寸也就越精细,精度也就越高!
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图27 图像分辨率公式
3) 像控点数量与分布
在前面提到过,一对照片,需要最少6个像控点,而这6个像控点中,最少需要3个点是具有真实坐标的,有的时候,我们受条件限制,无法将6个点取齐,因此需要进行取舍,根据经验,要求真实像控点:不少于4个,且均匀分布!
在下图中,罗列了点位分布,其中红色的点,就是要求的真实像控点的分布情况。
图28 图中红色点,是真实像控点的推荐分布
4) 像控点采集精度(RTK 精度)
在外业采集像控点的测绘设备,一般最常用的就是GPS RTK设备,根据经验,只要是情况良好的RTK 获得固定解,至少能够达到2cm 左右的精度,完全满足像控点的精度需求!
5.2. 提升精度方法
根据已经积累的工作经验,特别总结出了如下的确保精度的方法,严格按着以下方法实施工作,即可满足我们的精度需求!
1) 在满足效率前提下,尽量选择长焦镜头,f 越大,畸变越小;
比如,1:500的地形图,300米航高,选择30mm 定焦镜头即可。 2) 尽量选择高像素,全画幅相机;
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比如,SONY 最新的微型单反,3400万像素,全画幅,很适合摄影测量。 3) 每次航拍完毕后,进行畸变检定;
这和水准仪检校i 角的道理是一样的。 4) 像控点保证4个以上,均匀分布;
根据上面提到的图进行规划即可。 5) 像控点划取尽量规范,取正中心坐标;
在内业时,尽量选择大尺寸的屏幕,这样能显著提高刺点精度。 6) 选择无雾气的天气条件进行航飞;
无论是阴天,晴天,对相片影响都不算大,唯独雾气,会严重影响成像,不建议进行拍照。另外根据选用飞机的性能,安全飞行。
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6. 实际应用案例
6.1. 浙江省台州市三门县罗岙水库溢洪道低空航拍
1、 项目概况
罗岙水库位于浙江省台州市三门县六敖镇健跳港上游的罗岙溪上,水库总库容为826万m3,正常库容686万m3。水库坝址以上集水面积12.3平方公里,溢洪道高程11米,为该县第二大供水水源,向健跳、六敖、蛇蟠3乡镇及三门核电供水,日供水约1.6万吨。
航高:315m ,相片数量:2张,成图面积:0.1平方公里,所用像控点数量:5点。 像控点分布情况如下图:
图29 图中白色点为项目所用真实像控点
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2、 精度分析 控制点精度:
检查点精度:
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如上,满足1:1000比例尺成图要求。 3、 成果输出: 数字表面模型DSM :
图30 溢洪道数字表面模型
正射影像图DOM :
图31 溢洪道正射影像图
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等高线图:
图32 溢洪道等高线图
断面图:
图33 溢洪道任意两点断面图
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6.2. 露天煤矿航拍
1. 项目概况
航高:42m ,相片数量:2张,所用像控点数量:3点,基线比B/H:0.1。 像控点分布情况如下图:
图34 图中红色圈点为项目所用真实像控点
2. 三维模型
图35 露天煤矿三维模型
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3. 方量计算
图36 露天煤矿方量计算
煤堆总体积为2553.6立方米。
6.3. 杭州灵隐寺飞来峰摩崖石刻
1. 项目概况
杭州灵隐寺前的飞来峰,又名灵鹫峰,飞来峰山高168米, 山体由石灰岩构成。飞来峰由于长期受地下水溶蚀作用,飞来峰形成了许多奇幻多变的洞壑。飞来峰面朝灵隐寺的山坡上,遍布五代以来的佛教石窟造像,多达三百四十余尊,为我国江南少见的古代石窟艺术瑰宝,堪与四川大足石刻媲美。苏东坡曾有“溪山处处皆可庐,最爱灵隐飞来峰”的诗句。石刻有西方三圣像(五代)、卢舍那佛会浮雕(北宋)、布袋和尚(南宋)、金刚手菩萨、多闻天王、男相观音(均为元 代),都是不可多得的艺术珍品。 2. 建模效果
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图37 摩崖石刻佛像三维模型
图38 堪比激光扫描的点云数据
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