無人機傾斜攝影測量在三維模型測圖中的應用

原明超，仇 俊

(湖南省第一測繪院，湖南 長沙 410000)

無人機航攝系統通過無人機搭載傳感器設備，從多角度獲取高分辨率和多方位的影像數據，通過相應的內業處理軟件建立真實的帶有精確地理坐標值的三維可量測實景模型，并在此基礎上運用裸眼三維采編軟件在模型中直接測量坐標、采集成圖。由于實景三維模型能多角度查看地物，在正射影像中無法采編而需要到現場調繪的房屋結構、屋檐、飄樓、陽臺、層次等細節信息，都可以直接在三維場景下采集、標注，這就大大減小了外業調繪的工作量。無人機傾斜攝影裸眼三維測圖，相比傳統測量具有機動靈活、節省外業工作量、勞動強度低、生產效率高、精度高、測量限制少等優點，避免了野外測量受天氣影響大、勞動強度大、安全隱患多、工序復雜、成本高的缺點。該技術手段在數字城市、智慧城市、不動產測繪、城市規劃、國土資源管理、拆遷、建設等需要大比例尺地形圖的項目中具有廣闊的應用前景。

1 技術路線

利用無人機傾斜攝影技術，實現大比例尺裸眼三維高精度測圖的技術流程大體包括傾斜攝影、像控點測量、空三加密及建模、內業采編、外業調繪5方面內容。

1.1 傾斜攝影

1.1.1 前期準備

收集和分析航攝區域的自然地理概況、技術設備情況，制定詳細的航攝計劃，根據測圖需要提出航攝要求，得到相關部門批準后，劃定航攝分區，分析確定航攝精度指標、主要技術參數，并確定分區攝影基準面的高度。分區攝影基準面的高度以分區內具代表性的高點平均高程與低點平均高程之和的1/2求得[1]。

1.1.2 試飛、試攝

按要求敷設航線，確定飛行高度，鋪設地面航攝標志后進行試飛、試攝。選取視野開闊且地勢平坦處作為飛機停機位，此時視場內障礙物高度角不應大于15°。試飛、試攝后應對所獲成果進行分析研究，確認各項設備符合正常工作狀態后，方可開始正式航攝[1]。

1.1.3 正式航攝

選擇本攝區最有利的氣象條件開展航攝，確保航攝照片能真實地顯現地面細部。飛行期間機載GPS接收機數據采樣間隔不應大于1 s,飛機上升、下降速度不能大于10 m/s[2]。航攝飛行過程中應及時觀察無人機作業情況，注意無人機蓄電池耗電情況及航攝像片連續性等，重點觀察GPS信號失鎖現象，如出現異常情況應及時作出相應處理。航向重疊度一般應達到60%～65%，建筑遮擋問題嚴重的建筑密集區域，航向重疊度可增加到80%～90%，以減少因航向重疊度設計不足而造成的建筑模型幾何結構粘連[3]。當高層建筑物的高度大于航攝高度的1/4時，可采取增加影像重疊度和交叉飛行增加冗余觀測的方法[3]。旁向重疊度一般設置為30%～35%，航線彎曲度不大于3%。飛行時應盡量保持同一航高，同一航線上相鄰像片的航高差不應大于20 m，最大航高與最小航高之差不應大于30 m。航向覆蓋應超出攝區邊界線不少于一條基線，旁向覆蓋超出攝區邊界線一般不少于像幅的50%。航攝過程中出現的相對漏洞和絕對漏洞應及時補攝，漏洞補攝應按原設計要求進行[1]。

1.2 像控點測量

像片控制測量是在實地測定用于空三加密的像片控制點平面位置和高程的測量工作。利用航測方法實現1∶500地形圖測繪，必須引入高精度的控制點參與空三解算。理論上高精度的像控點越多，空三解算越準確，但考慮到實際作業效率和生產成本，像控點應合理分布并保持合理數量。像片控制點選擇時應注意以下問題：

(1)像片控制點的目標影像應清晰易判別，控制點應設在航向及旁向6片重疊范圍內，如果選點困難，可以選在5片重疊范圍內。

(2)像片控制點距像片邊緣不小于1～1.5 cm。

(3)控制點應選在旁向重疊中線附近。

(4)控制點距像片的各類標志應大于1 mm。

(5)位于自由圖邊、待成圖邊及其他方法成圖的圖邊控制點，一律布設在圖廓線外。

1.3 空三解算及建模

相對傳統垂直攝影而言，傾斜攝影空三解算自動化程度更高，算法復雜，計算量大，人工干預少。以POS輔助空中三角測量為例，將機載POS提供的6個外方位元素視為觀測值引入攝影測量區域網平差中，利用后處理軟件采用統一的數學模型和算法實現對獲取的多視影像的自動匹配，得到同名連接點，構建自由網，實現傾斜攝影影像的空三加密。

以ContextCapture系統進行三維建模為例，新建工程，依次導入影像、像控點，選擇合適的像片刺點，打開ContexrtCapture CenterEngine進行兩次空三處理，新建重建項目，選擇相應的坐標系統，軟件會自動構建高分辨率的三維模型、DOM及DSM,并可通過Smart3D Capture Viewer查看生成的模型、提取坐標、量算距離等。

1.4 內業采編

目前國內已研發的大多數實景裸眼三維采集軟件主要采用墻面獲取建筑物拐角或直接采集建筑物拐角的方法獲取建筑物輪廓范圍線。相比傳統測圖，該作業模式能夠實現360°無死角視圖作業，對同一地物可通過不同角度進行點線量測，極大地節省了外業工作。

1.5 外野調繪

以內業采集數據為底圖進行實地調繪，對內業不能準確繪制的地形地物進行查缺補漏，最終完善地形圖。

2 應用實例

2.1 整體實施情況

湖南省桂陽縣數字桂陽地理信息基礎工程建設項目需要測繪高精度的1∶500地籍圖，本文選取桂陽縣的歐陽海鎮為生產區進行分析，技術路線如上文所述。測區城鎮部分2.6 km2，地勢相對平坦，地面要素主要以居民地、耕地為主。測區DOM如圖1所示。

圖1 測區DOM

本次無人機選用大疆精靈4RTK小型航測無人機，該機是一款小型多旋翼高精度航測無人機，具備厘米級導航定位系統和高性能成像系統，本次航攝飛行高度為80 m，數據建模選用ContextCapture軟件，所建實景三維模型成果如圖2所示,所獲真正射影像如圖3所示。

圖2 實景三維模型

圖3 真正射影像

內業采編選用湖南中圖通地理遙感信息服務有限公司的PSG 3D 2019裸眼三維航測系統，該系統直接與AutoCAD、南方CASS等軟件結合,擺脫了傳統三維采編中立體眼鏡的束縛，實現了多窗口二三維聯動采編。二三維聯動采編如圖4所示。

圖4 二三維聯動采編工作界面

2.2 問題及解決方法

首次試飛建模后發現模型精度未能達到1∶500地籍測圖的要求。經分析得出以下結論：

(1)地面像控點人工標志未采用標準的對三角形標志，導致內業刺點精度不高，且地面像控點密度不足。

(2)無人機航攝飛行方向不足，只飛行了1個正攝方向3個傾斜方向，導致模型出現較多粘連現象。

(3)林下房等遮擋地帶無法實現內業完整采集。

綜上所述，本文在正式航攝和后期作業過程中合理地加大了地面像控點的密度，并采用強制對中的方法實測地面像控點；采用標準的對三角形地面人工標志以便內業精準刺點，地面人工標志如圖5所示；航攝采用1個正攝方向4個傾斜方向的5方向飛行方案；對于林下房等遮擋地物，通過三維模型的翻轉選取合適的角度量取1～2個房角點，后期通過調繪補測的方法完善地形圖。

圖5 人工標志形狀

3 精度分析

為保證精度的準確性及可靠性，驗證傾斜攝影測量裸眼三維采集所能達到的精度，筆者對測區內的特征點進行了打點檢查，包括平面點94個、高程點30個，見表1、表2。

表2 高程精度檢驗 m

表1 平面精度檢驗 m

經統計，檢測點平面位置中誤差為0.046 m，其中最大平面位置誤差為0.097 m，最小平面位置誤差為0.003 m；檢測點高程中誤差為0.048 m，其中最大高程誤差為0.09 m，最小高程誤差為0.02 m。由此可見，成果滿足1∶500地籍測圖精度要求。

4 結 語

本文討論了基于無人機傾斜攝影測量構建裸眼實景三維模型測圖的方法，并以歐陽海鎮1∶500地籍圖測量為例，分析了所繪地形圖所能達到的精度水平。實踐證明，該技術路線可行，精度符合相關規范要求。該方法相較傳統測繪大大減少了外業工作，整體效率有所提高，同時還得到了高分辨率DOM、實景三維模型等附加產品。

目前無人機傾斜航空攝影測量仍然存在續航時間短、監控距離短等局限性。為了得到更高精度的模型往往以降低飛行高度的方式獲取更清晰的像片，但航片增多的同時降低了建模效率，加大了數據冗余。以上局限將隨著鏡頭像素的提升與電池續航能力的提高而逐步解決[4]。另外，采編成果的精度依賴于三維模型的精度，如何高效獲取高精度三維模型是今后探索的趨勢。