数字摄影测量与公路CAD集成技术的研究与应用.pdf

1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 第12卷 第2期 1999年4月 中 国 公 路 学 报 China Journal of H ighway and Transport Vol112 No12 Apr 1999 文章编号 100127372 1999 0220007206 收稿日期 1998205212 作者简介 邓涛 19632 男 高级工程师 数字摄影测量与公路CAD集成技术 的研究与应用 邓 涛 王国锋 交通部第二公路勘察设计院 湖北 武汉 430052 摘 要 结合数字摄影测量试验 探讨和展示了数字摄影测量系统与公路CAD系统 之间的关系和数字摄影测量系统在公路勘察设计一体化技术中的应用价值与前景 关键词 数字摄影测量 数字地面模型 公路CAD 数字影像 优化设计 中图分类号 U 412 文献标识码 A The study and application of integrated technology of digital photogrammetry and highway CAD DEN G Tao WAN G Guo2feng The Second Institute of H ighway Surveying and Designing ofM O C W uhan 430052 China Abstract Combining w ith a successful experiment the relationship between highway route CAD and D igital photogrammetry system DPS is discussed and a good prospect us2 ing DPS into the coordinated process of highway surveying and designing is described in the paper Key words digital photogrammetry DTM highway route CAD digital image optimum design 航空摄影测量技术自70年代在中国公路勘察设计领域得以引进和应用以来 对中国公 路勘察设计技术从传统的野外实测定线向纸上定线设计的过渡和发展起到了巨大的推动和 促进作用 随着科学技术的发展进步 公路勘察设计必然要超越现有的以航测成图和纸上定 线为主要手段的作业模式 而将向以地面数据生产和计算机三维设计与优化为基础的数字 化测设模式方向发展 而道路CAD技术将不再仅仅局限于设计过程中的数字计算与制图 等 而是一种建立在数字地面模型基础上的三维设计 计算与优化的全过程 公路建设是对原始地面与周围环境的适应与改造的过程 设计人员须首先对地面信息 予以充分的理解与认识 以其协调工程建设与地形景观和人文环境之间的关系 因此 以计 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 算机视觉为基础的公路三维设计与优化的前提必须首先是设计走廊带中所需的地面信息 至少是三维空间信息 的自动化获取及其数字信息在计算机中的恰当描述和表示 即建立 数字地面模型 DTM 而数字摄影测量 D igital Photogrammetric System 简称DPS 的全 数字化概念正好为此提供了必要的基础条件 1 数字摄影测量系统基本构成 数字摄影测量是摄影测量领域一个最新的发展方向 通过数字化扫描使航摄像对的光 学物理图像转化成计算机中以像元为单位的数字灰度信息 对相关像对的同名点的数字影 像利用模糊数学原理进行影像匹配 相关分析和模式识别等数字影像处理 并按空中三角测 量的基本原理进行坐标间的转换和定位计算 即可自动获得各像元点所代表的地面点的三 维空间信息 从而自动建立起测区数字地面模型 即DTM 因此可以认为 数字摄影测量是 从数字化影像中提取相关对象的几何与物理信息并以数字方法表达测绘成果的方法 它包 含了物理影像的数字化 数字影像处理和计算机辅助制图三大基本内容 数字摄影测量是以计算机视觉代替人眼的光学立体观测 因而其工作设备就只是计算 机及相应的外部设备 与常规航空摄影测量设备相比 DPS工作站的硬件配置非常简洁 它 免除了复杂昂贵的光学部件 通常只由图像扫描仪 计算机工作站和图形图像输出设备构 成 并以网络方式构成系统 如图1所示 图1 数字摄影测量工作站结构 数字摄影测量与常规航空摄影测量的主要区别在于 它处理的原始信息不仅是普通光 学像片 而更主要的是数字化影像 其获取的成果不仅是一般线划图 更主要的是数字地面 模型和其它数字化产品 由于它基于计算机对数字地面信息的理解 分析与数字表达 因而 其作业过程便赋于了更多的自动化内容 图2 较常规航测仪器具有更高的自动化程度和 更高的工作效率 2 数字摄影测量与公路CAD的关系 从公路设计的角度而言 人们需要设计走廊带内的有关政治 经济 文化 交通 地形地 貌 水文 地质等方面的信息作为设计的参考依据 而地形地貌因子又是其中最为复杂多变 8 中 国 公 路 学 报 1999年 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 图2 数字摄影测量的基本作业流程 的因素之一 对其进行量化和描述 常 规作业方式下通常指野外测量和地形 图 更是公路测设过程中一个最难于 实施的环节 虽然目前大规模采用的 航空摄影测量技术已大大简化了这一 过程 但是 对于三维动态设计和优化 而言 普通航空摄影测量与现有公路 CAD系统之间并无本质的联系和直 接的界面 从DPS的基本原理与结构 可以看出 DPS系统完全采用计算机 和有关的外部设备 因而在硬件方面 实现了与公路CAD的统一 而在数 据结构方面 数字摄影测量所处理的 是数值影像与地面高程的相关关系 所获取的是数字高程模型和其它数字 化产品 其结果本身就是对地面信息 的数字表示 可直接作为公路CAD 系统的基础数据 因而在数据流上同 样与公路CAD系统实现了统一 图 图3 数字摄影测量与CAD数据流 3 另外 数字摄影测量获取的数值成果可直接进 入GIS系统 在公路设计 尤其是可行性研究过程 和道路优化设计过程中结合GIS 可以使得设计 人员方便地查阅和综合分析公路建设走廊带内的 有关政治 经济 文化 交通等多方面的信息 从而 更进一步拓展设计参数 丰富优化目标 使 设计 这一思维过程变得更为量化 其结论更为科学合 理 数字摄影测量与常规航空摄影测量相比另一突出的优势是其具有丰富的数字影像处理 功能 包括正射影像图 地面景观图 动态透视图等大量的可视化设计过程和设计成果 正射 影像图是一种带等高线的影像地图 既有地形的高程表示 又有真实的全要素实景影像 因 而比常规地形图更为直观生动和内容丰富 因而更适合于道路定线作业 其它经透视旋转等 视觉变换后的影像图形均可用于区域地形地理分析和辅助定线设计等 此外 数字影像与CAD设计的道路模型通过DTM系统进行叠加 还可产生模拟工程 建设后的地面立体综合景观 即所谓 虚拟的现实 通过地面模型 设计模型和数字影像 模型进行旋转透视等图像处理 设计人员可实时看到设计成果及其与周围环境的协调关系 从而合理地评判其设计质量 这种动态全景影像为工程设计的质量控制 工程建设的美化与 整体评价等提供了客观依据和直观效果 图4为笔者对京珠国道银盏互通立交设计模型进 行数字影像叠加后生成的带真实地面景观的设计前后效果对比图 这一成果初步展示了数 字摄影测量在公路测设领域的广泛应用前景 9第2期 邓 涛等 数字摄影测量与公路CAD集成技术的研究与应用 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 图4 银盏互通立交设计前后景观效果 3 数字摄影测量试验 为综合考查数字摄影测量系统在公路勘察设计中的应用程度和效果 1996年 笔者利 用武汉测绘科技大学研制的V irtuoZo数字摄影测量系统开展了一次联合试验 目的是希望 通过一段215km公路设计的工程实例来综合评价与检核DPS在公路工程中应用的实际生 产能力 总体精度及其与公路CAD系统的兼容性和数据流的贯通能力等 为数字摄影测量 在公路勘察设计领域中的应用研究明确了其基本内容和方向 311 试验内容 本次试验的主要内容包括以下几个方面 1 数字摄影测量作业流程包括影像扫描 数字影像相关 自动空中三角测量 测图定 向 1 2 000地形图测图 数字影像产品生成等作业过程 2 地面数据提取及其与M icrostation或A utoCAD等图形支撑系统的结合 3 DTM数字地面模型的生成 处理与叠加 4 生成1 2 000等高线地形图 5 生成正射影像图 地形透视图以及三维景观动画等数字影像产品 312 试验场地 试验场地为京珠高速公路粤境汤塘 太和段流溪河两则一处约3km 2km的试验区 内 区内已于1995年完成了1 10 000比例尺航空摄影和其它航测内外业工作 并利用 A 10精密立体测图仪测制了1 2 000大比例尺地形图 在此基础上完成了通过试验区内的 有关高速公路初步设计等公路勘察设计任务 试验区内有大量的野外实测资料和设计资料 可供参考利用和分析对比 试验区地形属于微丘 重丘区 相对高差在150m左右 其间河 流 平地 山丘岗地相间分布 沟渠 池塘 道路 村庄 林木等各种自然和人工地物地貌现象 较为齐全 在高速公路建设中 这一地区具有一定的典型意义和代表性 试验区覆盖航片 No 702 705三个航摄像对 高速公路设计里程桩号为BK290 000 BK292 500 长 215km 313 试验基本情况 1 图像扫描 试验中采用了25 的扫描像元率 对于1 10 000比例尺的像片 相当于 01 中 国 公 路 学 报 1999年 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 0125m的地面分辨率 理论上可以满足测制1 2 000地形图的精度要求 三个航摄像对共 四张航摄影像片经扫描后按T IF图像格式输出 共80 M 4 320 M的数据量 2 自动空中三角测量与自动化定向 试验区四个角点附近布设有4个野外实测像控 点 实际上已构成了一个典型的单航线网 此时可在数字摄影测量系统中无需人工加密刺点 而实现自动空中三角测量及平差 实验过程中较好地完成了这一任务 所产生的加密点经绝 对定向后生成的立体模型均很稳健 自动空中三角测量产生的加密数据可直接用于DPS系 统自身的自动定向作业 还可向其它解析测图仪输出 用于解析测图仪的定向和测图 3 数字地面模型 DTM 数字地面模型是DPS系统数据生产和自动测图的基础 地 形图等高线和正射影像图中的数字影像纠正等均需在DTM的基础上完成 因此DTM的 精度最终反映为数字摄影测量系统的精度 图5 正射影像图 数字摄影测量系统中的DTM的精度取决于航摄像片的比例尺 影像扫描质量和扫描 像元率以及影像相关匹配和有关的DTM的处理软件等 试验中采用1 10 000航摄像片 25 扫描像元率 最后按 5m 5m 的地面间距生成矩形格网模型 V irtuoZo中的DTM系统还能根据不同的地形类别按不同的数学方法产生局部数字地 面模型并进行整体叠加 并可对密林 水域 城乡建筑物等地区进行动态地面高程修正和其 它人工编辑等处理 DTM中可加入断裂线 水涯线等地形结构线和空白区域等 从效果上 看 DTM格网立体模型与数字影像立体模型具有较好的套合效果 4 计算机辅助地形图测图 数字摄影测量系统可自动完成对地形的处理 地形图等高 线利用DTM产生 而一般地物测量则与常规航测相似 需采用人工测图方式完成 V irtuo2 Zo的测图操作可在通用的M icrostation图形环境中完成 而这一图形环境可直接与目前大 多数的公路CAD直接接口 从试验过程中看 数字摄影测量系统在地物测图方面与常规航测方式相比 目前阶段还 不具备明显优势 地物的自动化处理是其目前研究重点内容之一 在实际生产应用中 将数 字摄影测量系统高效的地形处理与常规航测方便的地物数字化测图结合起来形成一种有效 的生产管理过程 将有待于在实践中逐步摸索解决 5 数字影像产品 本次试验获得的数字影像产品有试验区内带真实地面景观和等高线 的正射影像图 图 5 地貌透视图 地形景观动画等 数字摄影测量系统所处理的正射影像 图 除根据数字地面模型进行微分纠正外 还可以完成影像密度均匀处理和影像灰度接边 正射影像产品较常规光学纠正效果更好 地貌景观图等因其影像直接采用的是航空摄影时 的真实影像 因而较一般三维渲染更具有真 实性 并可与道路设计模型进行叠加 完成对 设计模型的景观分析 314 成果分析 本次试验按试验计划在数字摄影测量系 统中通过相应的DTM系统生成了1 2 000 等高距2m 地形等高线平面图 试验的成果 分析是通过对该地形图与原A 10精密立体测 图仪测制的1 2 000地形测量原图进行对比 而进行的 11第2期 邓 涛等 数字摄影测量与公路CAD集成技术的研究与应用 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 表2 频率分布 区间分划 m 频数 个 百分比 54013 表3 频率分布 区间分划 m 频数 个 百分比 1个等高距1 3389615 1 2个等高距39218 2个等高距9017 表1 较差结果 项 目纵断面横断面 总点数 个 1261 386 较差最大值 m 4100 7110 较差平均值 m 0112 0105 较差均方差 m 0155 0183 根据公路设计特色 试验成果分析是采用设 计路线纵 横断面方式完成的 在地形图上展绘 BK290 000 BK292 500路段设计中线 在设 计中线上按每20m取一中桩点 得到126个中桩 点位 每一横断面上两侧各取100m 按每20m取 一横断面点得到1 386个横断面点 通过在地形 图上读取相应的高程而获得的215km路线纵 横 断面数据 以A 10数据为基础值 得到相互间的 较差结果如表1所示 根据横断面1 386个点与 A 10测量原图数据相互之间的较差以 1m 为间距 统计的频率分布如表2所示 上述较差数据如以 等高距为标准进行衡量 则如表3所示 结果可知 数字摄影测量系统利用DTM生 成的等高线地形图与原A 10精密立体测图仪的 测量结果相当接近 超过1倍等高距仅占总数的 315 其结果精度令人满意 而从效率上看 采用 数字摄影测量系统完成三个像对包括航测内业加 密 地形测图 数据采集全部任务仅用了2d 而在 普通解析测图仪上完成相同215km路线长的地 形图生产和数据采集约需6 7d 精密立体测图 仪由于需要手工定向等原因 则需更长时间 由此 看来 数字摄影测量工作站的数据生产效率是常 规航测测图仪器生产效率的3倍以上 4 结 语 数字摄影测量是摄影测量学今后发展的一个重要方向 对于地面数据的自动获取 建立 数字地面模型 生成数字影像产品等作业与常规航测相比具有极大的优势 数字摄影测量系 统本身可自动完成航测内业的一些常规工序 如空中三角测量 内定向 相对定向和绝对定 向等 并可高效地建立数字地面模型和通过DTM自动生成等高线 此外 数字摄影测量可 产生丰富的数字影像产品 包括正射影像图 地面全景透视图 三维景观动画等 通过一个 215km的工程实例试验显示出DPS全数字化的测量成果与公路工程CAD之间可以实现无 缝结合 多年来 大规模的地面数据采集和DTM的建立等CAD基础技术一直是公路测设自动 化和勘察设计一体化技术的瓶颈环节 而测绘领域最新出现的数字摄影测量技术以其特有 的高精度 高效率和自动化地面数据生产和数字影像处理技术无疑为公路CAD提供了最 合适的接口界面 使其无论是在硬件上和数据流上均与公路CAD实现了统一 目前商品化 的数字摄影测量工作站因其广泛的应用价值 已在中国测绘 煤碳 铁道等部门陆续引进并 下转第126页 21 中 国 公 路 学 报 1999年 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved Fgr 01037 17h 2 gr 21207hgr 213 对于坍落度为6 8cm的混凝土混合料 Fgr 01016 18h 2 gr 11080hgr 62 在上面3个公式中 Fgr的单位为N m hgr的单位为mm 4 结 语 传统的混凝土摊铺时的推料阻力用料重与摩擦系数乘积的形式得出 没有考虑混合料 和机器的相互作用的影响 笔者首次将地面力学原理应用到推料阻力的建模中