無人機傾斜攝影測量在三維建模中的應用

艾嘉豪，朱大明

（昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明　650000）

0　引言

當前，將無人機技術與微型傾斜攝影技術有效結合進行低空無人機傾斜攝影測量已經成為新興的研究熱點[1-5]。莊曉明[6]等人提出使用無人機搭載照相機，使用遙控飛行器對實地進行不同角度的影像高效迅速地數據采集，進行三維模型的建立，真實地反映地面的客觀情況。傾斜攝影技術所建立的三維模型可真實反映地物的外觀、坐標、高程等信息；借助無人機，可迅速采集影像數據，實現全自動化三維建模[7]。研究使用無人機對三維模型建模及其建模質量效果在如今數字城市與智慧城市應用以及三維測繪領域中有著重要意義。

1　無人機數據采集

1.1　測區概況

攝區屬于高原斷陷湖泊，湖面海拔1720米，三面環山，一面接著澄江壩子。湖面北部寬闊而深，南面狹小而淺，中部細長，形似葫蘆。湖泊徑流區年平均氣溫大約15.6℃，極端最高氣溫達33.7℃，最低氣溫–4.4℃，平均降水量942.8 mm，無霜期310多天。撫仙湖四周耕地1.47萬公頃。

1.2　主要作業設備

傾斜攝影測量數據的采集主要是無人機所搭載的影像采集系統以及低空航測無人機平臺。本次項目所采用的是DM-150型無人機飛行平臺2架，相機采用北京數維翔圖的3鏡頭傾斜相機。主要參數如下：

表1　DM-150型無人機參數Tab.1　The　parameters of DM-150 type UAV

表2　3鏡頭傾斜相機參數Tab.2　The paremeters of three tilted camera lenses

利用武漢際上導航AGS200高精度GNSS接收機，通過厘米級動態查分技術輔助空中三角測量，可以大量減少后期地面相控點數量，得以提高工作效率。

1.3　無人機低空遙感的特點

無人機傾斜攝影目前是國內外研究的熱點，因為它自身的優勢，得到了市場的認可，傾斜影像構建的三維模型已廣泛應用于城市規劃、公共安全、通信、軍事等眾多領域[8]。無人機低空遙感與航空攝影測量相比，有比較明顯的優勢[9-11]：（1）影像獲取快捷方便；（2）低成本,效率高；（3）具有機動性、靈活性和安全性；（4）分辨率高、多角度（視角）；（5）影像獲取時效性強；（6）對氣候要求不高。

除上述優點以外，還存在不足[10-11]：（1）姿態穩定性差、旋偏角大；（2）像幅小、數量多、基高比小；（3）非專業量測型相機，影像畸變大；（4）續航時間短。

1.4　航線規劃

航線的規劃在數據采集之前是一個非常關鍵的步驟，他可以很好的保證數據獲取質量。無人機的影響數據采集和普通的拍照工作大不一樣，普通的拍照工作可以人工控制無人機對目標進行隨意無規律的拍照，而在無人機傾斜攝影測量的工作中，和普通拍照工作大不一樣，飛機的飛行要保證一定的平穩性，并且要根據實際情況規劃路線，并且在此航線中無人機的航高要在一定的允許范圍內。對于無人機來說，如果需要其飛行具有一定規則的航空路線，在不借助航線規劃的前提下，單靠人工通過遙控控制無人機得以操作飛行方向是不容易實現的，除此之外，數據采集的過程中還要保證飛行速度保持勻速，以便影像采樣率均勻且影像穩定，再則，在空中作業過程中，會受到空氣流速度的影響，使無人機平衡性被打破，導致得到的影響數據模糊，最后，根據相應的規范要求，建模對于像片的采樣率和重疊率有比較高的要求，光靠人工操作遙控器飛行不好把握的，最后導致飛行獲取數據的質量不高，從而致使需要重飛等操作，降低工作效率，所以，可見因此航線規劃在進行數據采集前是很有必要的。一般而言,理想的測區形狀為矩形,也就是傳統航空攝影中所使用的測區形狀。矩形測區的航線規劃較為簡單,采用平行航線折返拍攝即可。但實際情況中,測區的形狀很可能是非規則的多邊形甚至是長條帶形狀,這會增加航線規劃和執行的難度[12]。

航攝相對航高按下式計算：

式中：H——攝影相對高度，單位為米（m）；

f——鏡頭焦距，單位為毫米（mm）；

a——像元尺寸，單位為毫米（mm）；

GSD——地面分辨率，單位為米（m）。

測區所采用像元尺寸為0.00641mm，地面分辨率為0.1m，鏡頭焦距計劃選擇35mm，故可以計算得相對航高為550m

航向攝影基線按下式計算式中：

Bx——實地上攝影基線長度，單位為米（m）；

Lx——像幅長度，單位為毫米（mm）；

Px——像片航向重疊度，以百分比便是

m= H/ f——攝影比例尺分母

根據實地情況，部分航線如圖1所示。

2　無人機數據處理

2.1　空中三角測量控制點加密

光線束法區域網空中三角測量，以投影中心點、像點和相應的地面店三點共線為條件，以單張像片為解算單元，借助像片之間的公共點和野外控制點，把各張像片的光束連城一個區域進行整體平差，結算處加密點坐標。由每個像點的坐標觀測值可以列出兩個相應的誤差方程，按照最小二乘法平差，求出每張像片外方位元素的6個待定參數，從而得出各個加密點的坐標。

圖1　航線規劃示例圖Fig.1　Example diagram of route planning

2.2　DSM生成

由于低空飛行較常規的影像的幾何變形較大，首先在匹配前需要對原始影像進行幾何粗改正處理，包含姿態角改正和比例尺改正；其次建立改正后影像的影像金字塔，并利用Harris算子逐級提取特征點，為密集匹配過程做準備，但我們在此過程中，應保證特征點分布均勻。密集匹配處理過程中應用金字塔匹配，多視匹配、邊緣特征匹配等匹配策略，快速、高可靠性地匹配密集的DSM點云。最后DSM點云數據進行粗差剔除，三維點云的保證特征濾波處理、影像紋理的地理識別與分類等處理。

2.3　三維模型的建立與精度分析

2.3.1模型的建立

圖2　模型成果圖Fig.2　The diagram of model results

本次模型建立使用的是Bentley ContextCapture軟件進行三維建模。ContextCapture對于應用真實背景三維模型以助力基礎設施設計、施工或運營的組織而言，此款軟件的建模效果是比較理想的。借助ContextCapture，用戶可利用數碼相機所拍攝的照片，為當前環境輕松生成高分辨率的三維模型。此模型具有逼真的精美細節、清晰的邊緣以及精確的幾何特性。用戶可以按照自己的需求，以所需求的尺寸或分辨率創建模型。

2.3.2精度分析

利用Bentley ContextCapture軟件對像控點進行空三加密，加密部分結果如下：

表3　部分片區成果統計Tab.3　Part of the results statistics

表4　部分成果統計表Tab.4　Part of the results statistics

由上精度可以看出，基本定向點殘差、檢查點誤差結果精度完全滿足 CH/Z3003-2010《低空數字航空攝影內業規范》要求。通過模型定向點與檢查點的誤差情況來看，二者確實存在一定的差距，模型平面精度最大不超過 0.5 m，而高程精度最大0.65 m。這個精度要達到高精度測繪級別成果需求還有一定距離；從模型尺度精度質量表中數據看，模型對于實體對象的幾何尺度描述相對還是比較精確的，符合一般的日常實體量測需求。

3　結論

在飛行與建模過程中，出現像片受側風影響，姿態不夠理想，部分航飛質量不高，少量影像存在偏色和影像模糊的現象，傾斜三維模型有少量的扭曲變形等問題，但是經過重飛，色彩規劃處理等操作，以保證最后成果精度。利用無人機傾斜攝影測量三維模型制作，不僅可以得到真實地物地貌的外觀，平面位置以及高程信息等屬性，大大提高了真實感，還具有低成本和高效性的的特點，通過精度分析可以得到，建立模型的精度大范圍可以達到亞米級，雖然不能達到高精度三維模型的建立，但是可以滿足日一些小比例尺生產需求。