無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在公路勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李紅梅，孫 煒，李 松

（1.中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司（武漢）勘察分公司，湖北 武漢 430000）

無人機(jī)遙感系統(tǒng)具有成本低、速度快、易操作等優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)、災(zāi)害應(yīng)急與三維重建等領(lǐng)域中[1-3]。相對(duì)于正射影像，傾斜影像能讓用戶從多個(gè)角度觀察地物，更加真實(shí)地反映地物的實(shí)際情況，極大地彌補(bǔ)了基于正射影像應(yīng)用的不足。三維模型具有真實(shí)、直觀、可量測(cè)、精度高的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于公路的勘察設(shè)計(jì)中，可以高效、直觀地參考周邊的地形和地質(zhì)情況，再結(jié)合外業(yè)測(cè)量人員的實(shí)際測(cè)量工作，進(jìn)行勘察設(shè)計(jì)工作。

1 傾斜攝影技術(shù)

1.1 傾斜攝影技術(shù)簡(jiǎn)介

傾斜攝影是指相機(jī)主光軸與地面的垂軸存在一定的傾斜角時(shí)進(jìn)行的航拍攝影[4]，如圖1 所示。

圖1 無人機(jī)傾斜攝影攝影光線原理圖

按照光軸傾斜的分類可以分為①垂直影像：t ＜5°；②輕度傾斜影像：5°＜t ＜30°；③高度傾斜影像：t＞30°；④水平攝影影像：t≈90°；

1.2 技術(shù)突破

傳統(tǒng)攝影測(cè)量采用下視攝影，這種攝影方式可以很好地觀測(cè)到地表和被攝物體頂部的特征，整幅影像采集時(shí)攝影比例尺大體相同，影像上各點(diǎn)分辨率相對(duì)平均，如圖2 所示。

圖2 無人機(jī)傾斜攝影攝影相機(jī)拍攝示意圖

傾斜攝影測(cè)量由于采集時(shí)影像與地面存在一定的夾角，可以觀測(cè)到更多的被測(cè)物的側(cè)面信息，但是也會(huì)受到被攝物體更多的遮擋，影像像幅上不同點(diǎn)的象元分辨率也不相同。

因此我們必須采用多基線多視角的交相攝影方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，來滿足三維建模時(shí)各個(gè)不同角度的構(gòu)型需求。

1.3 傾斜攝影的特點(diǎn)

傾斜攝影技術(shù)相比與傳統(tǒng)航測(cè)的優(yōu)勢(shì)：

1）反映地物周邊真實(shí)情況：相對(duì)于正射影像，傾斜影像能讓用戶從多個(gè)角度觀察地物，更加真實(shí)地反映地物的實(shí)際情況，極大地彌補(bǔ)了基于正射影像應(yīng)用的不足。

2）傾斜攝影測(cè)量可以便捷地對(duì)被測(cè)物進(jìn)行幾何量測(cè)。通過配套軟件的應(yīng)用，可直接基于成果模型進(jìn)行量測(cè)，擴(kuò)展了測(cè)量成果的應(yīng)用緯度。

3）建筑物側(cè)面紋理可采集。針對(duì)各種三維數(shù)字城市應(yīng)用，利用航空攝影大規(guī)模成圖的特點(diǎn)，加上從傾斜影像批量提取及貼紋理的方式，能夠有效降低城市三維建模成本。

4）易于發(fā)布。傾斜影像的數(shù)據(jù)格式可采用成熟的技術(shù)快速進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，實(shí)現(xiàn)共享應(yīng)用。

2 無人機(jī)三維建模關(guān)鍵技術(shù)

2.1 傾斜攝影影像的自動(dòng)空三

傾斜攝影測(cè)量的自動(dòng)空三方式大量利用了現(xiàn)在最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)視覺還原技術(shù)，將計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)與傳統(tǒng)航測(cè)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，充分利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對(duì)于三維現(xiàn)實(shí)還原容易的特點(diǎn)，結(jié)合傳統(tǒng)航測(cè)技術(shù)中高精度定向方法，使三維建模成果既美觀也具有可量測(cè)應(yīng)用性。其空三過程主要由：①匹配連接點(diǎn)；②構(gòu)建自由網(wǎng)；③區(qū)域網(wǎng)平差，幾個(gè)步驟組成[5]，如圖3所示。

圖3 無人機(jī)傾斜攝影攝影相機(jī)光線示意圖

2.2 傾斜影像的密集匹配

基于SHIFT 算子的特征點(diǎn)匹配，將計(jì)算待匹配的兩特征點(diǎn)間的歐氏距離作為匹配測(cè)度[6]。

構(gòu)建尺度空間：①高斯卷積核，圖像金字塔；②檢測(cè)尺度空間極值點(diǎn)：在DOG 尺度空間本層以及上下兩層的26 個(gè)鄰域中是最大或最小值，并去除低對(duì)比度的關(guān)鍵點(diǎn)和不穩(wěn)定的邊緣響應(yīng)點(diǎn)；③計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)主方向；④生成128 維的關(guān)鍵點(diǎn)描述。

2.3 密集點(diǎn)粗差檢測(cè)與自由網(wǎng)的構(gòu)建

1）采用RANSAC（隨機(jī)采樣一致性）方法，基于5 點(diǎn)法相對(duì)定向模型（5 點(diǎn)共面條件），進(jìn)行粗差檢測(cè)[7]。

2）基于雙模型的粗差點(diǎn)檢測(cè)，對(duì)于雙模型的三度重疊點(diǎn)，采用空間前方交匯計(jì)算像點(diǎn)殘差，剔除殘差較大的粗差點(diǎn)。

3）基于雙模型的相對(duì)定向可靠性檢測(cè)，不斷選擇相互間具有足夠連接點(diǎn)的三張影像，依次在影像間兩兩進(jìn)行相對(duì)定向，計(jì)算相對(duì)定向的線元素和旋轉(zhuǎn)矩陣。如果相對(duì)定向正確，3 個(gè)線元素向量應(yīng)共面，3 個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣依次相乘應(yīng)為單位陣。

4）輸出自由網(wǎng)結(jié)果。

其總體流程如圖4 所示。

圖4 無人機(jī)傾斜攝影自由網(wǎng)平差過程示意圖

3 傾斜攝影無人機(jī)三維建模及修模作業(yè)流程

3.1 外業(yè)流程

1）確認(rèn)飛行區(qū)域：獲取被測(cè)區(qū)域的KML 文件或者測(cè)區(qū)的四角坐標(biāo)，在谷歌地圖上將需要測(cè)量的區(qū)域勾繪出來；

2）分析測(cè)區(qū)情況：通過谷歌地圖或者奧維互動(dòng)地圖分析測(cè)區(qū)基本情況，滿足1∶500 免象控要高差不可太大，高差/航高≤0.3，也就是說如果設(shè)計(jì)航高在250 m 那么的地形最高點(diǎn)與最低點(diǎn)高差應(yīng)在75 m 以內(nèi)。

3）飛行航線計(jì)劃：①飛行航線規(guī)劃應(yīng)按照風(fēng)向進(jìn)行，為了在飛行中獲得更好的飛行姿態(tài)，需按照頂風(fēng)順風(fēng)方向設(shè)計(jì)航線。②假設(shè)飛行航線按照南北向飛行，航線飛行范圍東西向應(yīng)超出測(cè)區(qū)范圍一條航線，南北向應(yīng)超出測(cè)區(qū)范圍大約三張影像的距離。

4）相機(jī)設(shè)置：①執(zhí)行航拍任務(wù)時(shí)，相機(jī)應(yīng)設(shè)置為S（快門優(yōu)先）模式，快門速度設(shè)置應(yīng)大于1/1 000 s，如果光照環(huán)境特別好的時(shí)候可以設(shè)置為1/1 250 s 或者1/1 600 s。②ISO 值應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)光照情況進(jìn)行設(shè)置，在滿足曝光的情況下ISO 值越小畫面雜訊越低，一般晴天的正午建議設(shè)置ISO200，陰天的正午設(shè)置ISO400。夏季的17：00 后可以設(shè)置ISO1000，夏季陰天的15：30 后設(shè)置ISO800，晴天的早上9：30 左右設(shè)置ISO320。③檢查&關(guān)閉相機(jī)內(nèi)的AF 選項(xiàng)；關(guān)閉相機(jī)的HDR 打開DRO 功能；每次飛行前請(qǐng)格式化清空SD 卡確保相機(jī)擁有足夠的空間。④飛前相機(jī)檢查時(shí)，注意取下相機(jī)鏡頭蓋。

5）像控點(diǎn)布設(shè)：①像控點(diǎn)靶標(biāo)應(yīng)采用方形靶標(biāo)；②像控點(diǎn)靶標(biāo)邊長(zhǎng)尺寸應(yīng)≥1 m；③地物特征象控應(yīng)選取在影像上可見的特征地物，地物選取時(shí)應(yīng)選取地物明顯的直角或者鈍角測(cè)量，不宜選取銳角作為特征像控，地物點(diǎn)不可選用房角、電線桿等具有較大高差的地物進(jìn)行測(cè)量，宜選用井蓋、道路班線等地物特征。④像控點(diǎn)需以成果目標(biāo)坐標(biāo)系為基準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量，分布方式在測(cè)區(qū)內(nèi)均布即可，勿靠近航飛區(qū)邊緣。⑤像控點(diǎn)的數(shù)量無論何種測(cè)區(qū)均不可以少于5 個(gè)，取測(cè)區(qū)四角與中心進(jìn)行分布，如有其他需求，視測(cè)區(qū)情況適當(dāng)增加。⑥像控點(diǎn)量測(cè)應(yīng)采用GPS 多點(diǎn)平滑采集，不得采用單點(diǎn)采集，且平滑采集精度δ小于等于0.006 m。

3.2 內(nèi)業(yè)傾斜數(shù)據(jù)三維建模及修飾

采用三維建模軟件半自動(dòng)對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行三維建模工程，將得到的數(shù)據(jù)成果的OSGB 和OBJ 成果，以及畸變影像和空三成果導(dǎo)入模型修飾軟件進(jìn)行模型修飾工作。

內(nèi)業(yè)模型修飾直接對(duì)照原始影像勾勒交互式建模，突破傳統(tǒng)立體像對(duì)作業(yè)方法，無需佩戴立體眼鏡，自動(dòng)檢索多角度影像，可在任意表面實(shí)現(xiàn)推入、拉出等布爾運(yùn)算進(jìn)行結(jié)構(gòu)物的快速操作，并達(dá)到測(cè)圖級(jí)精度成果，測(cè)圖與建模同步完成，二、三維矢量完全對(duì)應(yīng)便于后期分析應(yīng)用。

整個(gè)傾斜攝影建模與測(cè)圖和模型修飾按照上述流程：

1）航拍獲取垂直和傾斜影像通過自由網(wǎng)平差和帶控制點(diǎn)的絕對(duì)定向，進(jìn)行航空影像的定位定姿。

2）通過航空影像對(duì)街景影像進(jìn)行定向處理。

3）測(cè)圖階段主要利用雙視或立體模式，在垂直航空影像上進(jìn)行空間點(diǎn)的坐標(biāo)獲取，因?yàn)榻ｋA段可以以角點(diǎn)為依據(jù)，所以只需要進(jìn)行部分關(guān)鍵角點(diǎn)的測(cè)量。

4）建模階段，利用DP Modeler 軟件在多視影像背景下，快速進(jìn)行模型構(gòu)建。

5）勾勒建筑體幾何細(xì)節(jié)：空三成果與影像數(shù)據(jù)集成Dp-Modeler 平臺(tái)，通過自動(dòng)檢索多角度影像，從多角度精細(xì)勾勒三維模型建筑細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)測(cè)圖與建模同步完成，多個(gè)視口聯(lián)動(dòng)保證了平面和高程位置的高精度。

6）紋理自動(dòng)映射：通過攝影測(cè)量算法，實(shí)現(xiàn)模型貼圖自動(dòng)從影像中采集，一鍵完成模型貼圖，無需調(diào)整UV。

4 傾斜攝影無人機(jī)三維建模成果

傾斜攝影通過不同角度的拍攝，可以獲取被攝物體的各個(gè)側(cè)面的紋理信息，從而獲得多種數(shù)據(jù)，數(shù)字正射影像，數(shù)字高程模型，數(shù)字表面模型，數(shù)字線化圖，三維點(diǎn)云模型以及真三維模型，如圖5、6 所示。

圖5 傾斜攝影原始影像

圖6 三維模型成果

5 結(jié) 語

本文針對(duì)無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，包括無人機(jī)傾斜攝影的平差算法、匹配方式及可以生成的成果，為公路勘察設(shè)計(jì)提供參考。