航空攝影測(cè)量在道路測(cè)量工作中的應(yīng)用

發(fā)布日期：2018-05-24 00:00 瀏覽量：10940

　　快速有效的提取圖像的特征點(diǎn)并進(jìn)行匹配，是航空攝影測(cè)量中的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是計(jì)算機(jī)視覺(jué)中的一個(gè)重要問(wèn)題，至今仍未得到徹底解決。為配合某道路交通改善工程。改善道路的安全標(biāo)準(zhǔn)。某地政府計(jì)劃全面重建某高速公路。沿該公路所有受影響的天然斜坡，人造斜坡及擋土墻都將做詳細(xì)勘察" 并進(jìn)行有關(guān)的道路和斜坡改造工程，道路全長(zhǎng)大約17km任務(wù)工期3個(gè)月。由于該條道路沿彎曲的海岸線(xiàn)而建，起伏不斷，開(kāi)挖大量山坡并建造不少暗渠和橋梁，使得斜坡的坡度大，如何安全、高效地完成此次測(cè)量任務(wù)成為該項(xiàng)目的一個(gè)難點(diǎn)。

　　1、航空攝影測(cè)量的發(fā)展
　　1.1、發(fā)展歷程
　　20世紀(jì)50年代初，攝影測(cè)量工作者著手研究如何利用各種輔助數(shù)據(jù)以減少地面控制點(diǎn)，但限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件未能實(shí)際應(yīng)用。到了70年代，美國(guó)GPS全球定位系統(tǒng)出現(xiàn)以后，人們開(kāi)始采用載波相位差分GPS動(dòng)態(tài)定位技術(shù)來(lái)確定航空攝影瞬間攝站的空間位置（即像片的3個(gè)外方位線(xiàn)元素），利用其進(jìn)行空中三角測(cè)量（簡(jiǎn)稱(chēng)GPS輔助空中三角測(cè)量）可使攝影測(cè)量作業(yè)大量減少地面控制點(diǎn)、縮短航測(cè)成圖周期、降低生產(chǎn)成本，引發(fā)了攝影測(cè)量一場(chǎng)小小的技術(shù)革命。然而，GPS輔助空中三角測(cè)量的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在大區(qū)域、中小比例尺、困難地區(qū)的航空攝影測(cè)量作業(yè)中，對(duì)于帶狀區(qū)域、城區(qū)大比例尺測(cè)圖的應(yīng)用并不具有明顯的優(yōu)勢(shì)。進(jìn)入90年代后，人們又開(kāi)始研究采用GPS／INS組合系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)POS系統(tǒng)）來(lái)獲取航空攝影時(shí)影像的空間方位（即利用GPS確定攝站的空間位置，利用IMU慣性測(cè)量裝置獲取影像的姿態(tài)角），以直接用于航測(cè)內(nèi)業(yè)的像片定向，目的是取代攝影測(cè)量加密工序。

　　1.2、應(yīng)用展望
　　由符合規(guī)范精度要求的攝影測(cè)量加密方法獲取的影像外方位元素可以直接用于影像的定向以構(gòu)建立體模型進(jìn)行4D產(chǎn)品的生產(chǎn)，而由POS系統(tǒng)提供的影像外方位元素帶有較大的誤差，目前還難以直接用于攝影測(cè)量中提取三維空間信息。在當(dāng)今這個(gè)許多工作可以由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成的數(shù)字攝影測(cè)量時(shí)代，3種攝影測(cè)量模式并存，航攝影像的定向手段越來(lái)越多，并且逐步擺脫了地面控制點(diǎn)的束縛，這使得攝影測(cè)量作業(yè)變得愈來(lái)愈簡(jiǎn)單?？傮w看來(lái)，常規(guī)攝影測(cè)量加密是一種技術(shù)最為成熟、應(yīng)用范圍最廣的影像定向參數(shù)獲取方法，依然是攝影測(cè)量作業(yè)的主體；GPS輔助空中三角測(cè)量是一種易于操作且比較經(jīng)濟(jì)的方法，國(guó)內(nèi)制定了相應(yīng)的作業(yè)規(guī)范；POS直接傳感器定向是航空攝影測(cè)量重要的發(fā)展方向之一，技術(shù)日臻成熟。就基礎(chǔ)地理信息的獲取而言，應(yīng)充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，因地制宜，采用最佳的技術(shù)方案，以獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益。在交通便利、地勢(shì)平坦地區(qū)的大比例尺地形測(cè)圖中應(yīng)以常規(guī)攝影測(cè)量方法為主；在困難地區(qū)、無(wú)圖區(qū)或者人員不能通達(dá)地區(qū)，可采用無(wú)地面控制GPS航空攝影測(cè)量技術(shù)來(lái)獲取基礎(chǔ)地理信息和測(cè)制國(guó)家基本圖；在正射影像圖制作、小范圍的4D產(chǎn)品更新等應(yīng)用中可采用POS航空攝影測(cè)量方法。然而，在城市大比例尺測(cè)圖、機(jī)載激光雷達(dá)、數(shù)字航空攝影等領(lǐng)域，POS系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。我們應(yīng)盡快完善POS系統(tǒng)與其他傳感器的集成技術(shù)，加大應(yīng)用試驗(yàn)力度，充分發(fā)揮多傳感器集成的航空遙感平臺(tái)的作用，為經(jīng)濟(jì)、快速的地球空間信息獲取提供技術(shù)支撐。

　　2、航空攝影測(cè)量作業(yè)要求
　　2.1、航空攝影
　　在現(xiàn)代航空攝影測(cè)量中，為了提高影像獲取的質(zhì)量，除對(duì)航攝儀加裝飛行控制系統(tǒng)（如ASCOT、CCNS4、Track Air等系統(tǒng)）外，當(dāng)采用GPS航空攝影測(cè)量時(shí)，還需要將動(dòng)態(tài)GPS接收機(jī)與航攝儀固聯(lián)；當(dāng)采用DGPS／IMU航空攝影測(cè)量時(shí)，要在航攝儀上安裝POS系統(tǒng)。

　　2.2、地面控制
　　在數(shù)字攝影測(cè)量工作站中，攝影測(cè)量加密均采用理論嚴(yán)密的光束法區(qū)域網(wǎng)平差，但對(duì)不同的攝影測(cè)量模式需要采用不同地面控制方案，以獲得最佳的加密點(diǎn)坐標(biāo)和像片外方位元素。

　　2.3、內(nèi)業(yè)測(cè)繪
　　理論上講，獲得了影像精確外方位元素以后，可采取安置影像外方位元素的方法來(lái)建立可量測(cè)的立體模型（模型恢復(fù)），再采用影像匹配技術(shù)識(shí)別同名像點(diǎn)，以完成地形和地物的自動(dòng)測(cè)繪。然而，現(xiàn)行的4D產(chǎn)品生產(chǎn)中，一般按照單片內(nèi)定向→像對(duì)相對(duì)定向一單模型絕對(duì)定向→立體模型測(cè)繪的流程進(jìn)行作業(yè)，僅僅是在DGPS／IMU航空攝影測(cè)量之直接對(duì)地目標(biāo)定位方法中探討如何利用POS系統(tǒng)獲取的影像定向參數(shù)進(jìn)行模型恢復(fù)的有關(guān)理論和方法。

　　3、航空攝影測(cè)量數(shù)據(jù)的獲取
　　為了消除誤差對(duì)最終數(shù)據(jù)的影響，航空攝影測(cè)量的像控點(diǎn)布設(shè)，采用平高全野外布點(diǎn)，每張像片布設(shè)6個(gè)定向點(diǎn)。由于該區(qū)域位于山坡，并且進(jìn)入困難，水準(zhǔn)測(cè)量的難度大，并且考慮到該地已經(jīng)建立了高精度的衛(wèi)星定位參考站，所以平面、高程全部采用測(cè)量完成。

　　3.1、像片控制測(cè)量
　　像片控制測(cè)量使用2臺(tái)TOPCON LEGACY-H雙頻GPS，利用GPS參考站網(wǎng)，采用靜態(tài)測(cè)量的方式進(jìn)行，觀測(cè)時(shí)間不低于30分鐘。由于該地參考站之間的距離約為10~15km這樣的分布保證用戶(hù)在10km的半徑之內(nèi)至少能找到2個(gè)參考站供測(cè)量使用，這樣的分布為測(cè)量定位提供了冗余基線(xiàn)，以作為獨(dú)立檢核和質(zhì)量評(píng)定。根據(jù)GPS參考站網(wǎng)的情況，我們采用了7個(gè)參考站進(jìn)行平差解算，解算最弱點(diǎn)的平面誤差為6.53cm，最弱點(diǎn)的高程誤差為5.34cm。

　　3.2、數(shù)據(jù)采集
　　數(shù)據(jù)采集使用SSK全數(shù)字攝影測(cè)量工作站，采用相同的放大倍率進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，采集使用單點(diǎn)切準(zhǔn)的方式進(jìn)行，以保證相對(duì)精度的穩(wěn)定。對(duì)于影像不清或者遮蓋的區(qū)域不進(jìn)行采集，以避免精度的不一致對(duì)整個(gè)工程的影響。

　　3.3、地面測(cè)量
　　對(duì)于用地面測(cè)量的方法檢驗(yàn)航空攝影測(cè)量的數(shù)據(jù)是否滿(mǎn)足要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩步檢查法。第一步：采用地面測(cè)量的方法測(cè)量明顯地物點(diǎn)和道路要素中的斜坡底（頂）同時(shí)盡量以較大的間距采集車(chē)道標(biāo)志線(xiàn)的數(shù)據(jù)（實(shí)驗(yàn)區(qū)域定為50cm，采集一個(gè)點(diǎn)）而后利用地面測(cè)量的數(shù)據(jù)與航空攝影測(cè)量的數(shù)據(jù)比對(duì)，首先檢驗(yàn)航空攝影測(cè)量的精度，再利用檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)航空攝影測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行改正。第二步：利用夜間封路的時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)段進(jìn)行全面施測(cè)，測(cè)量要求完全按照工程的要求進(jìn)行，而后與改正后的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的比對(duì)與分析，檢測(cè)經(jīng)過(guò)改正后的航空攝影測(cè)量數(shù)據(jù)是否符合任務(wù)的要求。

　　整個(gè)地面測(cè)量工作使用LEICA TCR1102全站儀進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)區(qū)段根據(jù)航空攝影測(cè)量的情況，在目標(biāo)良好的區(qū)域和相對(duì)有遮蓋的區(qū)域各選擇了一段。第一步檢測(cè)投入2個(gè)地面測(cè)量組，共采集了2000多個(gè)點(diǎn)，通過(guò)比對(duì)分析發(fā)現(xiàn)如下幾個(gè)特征：
　?。?）明顯地物點(diǎn)的平面平均較差約為0.15m，最大0.24m，高程平均較差約為0.12m，最大0.21m。
　　（2）道路行車(chē)線(xiàn)以及斜坡底線(xiàn)高程的較差約為0.11m，因?yàn)槭y(cè)位置無(wú)法完全重合，距離有遠(yuǎn)近，所以未確定最大較差。
　　第二步檢測(cè)投入2個(gè)地面測(cè)量組,利用夜間封路的時(shí)間對(duì)道路要素進(jìn)行了全要素測(cè)量，斜坡要素，水系要素暫時(shí)未做測(cè)量，共進(jìn)行了1個(gè)夜晚，完成了2段總共約1.3km的道路測(cè)量，共采集大約800個(gè)道路高程點(diǎn)，通過(guò)比對(duì)發(fā)現(xiàn)如下幾個(gè)特征：
　?。?）對(duì)于道路行車(chē)線(xiàn)以及斜坡底線(xiàn)的高程平均較差，約為0.04m最大值為0.11m。
　　（2）中央隔離墩的平均較差約為0.06m最大值為0.19m。
　　（3）道路要素的總體平均誤差約為0.05m。
　　通過(guò)以上分析，我們認(rèn)為實(shí)驗(yàn)的效果比較理想。通過(guò)地面的檢校，整個(gè)道路要素的高程精度大約提高了一倍，可以滿(mǎn)足整個(gè)任務(wù)的要求，整個(gè)方法是可行的。

　　結(jié)束語(yǔ)
　　近年來(lái)航空攝影測(cè)量技術(shù)發(fā)展迅速，在科研與生活中應(yīng)用廣泛。其目標(biāo)是對(duì)地面進(jìn)行快速準(zhǔn)確的量測(cè)與重建，通過(guò)尋找序列圖像的同名像點(diǎn)，并依據(jù)褶火理論與公式計(jì)算空間點(diǎn)坐標(biāo)許實(shí)現(xiàn)三維重建等任務(wù)，其中特征點(diǎn)提取與匹配已是關(guān)鍵技術(shù)之一。

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