無人機傾斜攝影技術(shù)在大比例尺測圖中的應(yīng)用

林 洪，周伶杰，王繼琮

（1.江西省地質(zhì)科學(xué)研究所，江西 南昌 330000；2.江西省地質(zhì)局贛西地質(zhì)調(diào)查大隊，江西 南昌 330000）

傳統(tǒng)的大比例尺（1：500、1：1000、1：2000）測圖主要采用外業(yè)實測的方法，采集要素多，外業(yè)時間長，作業(yè)效率低，人力消耗大，成本較高，難以滿足目前快速發(fā)展的要求[1，2]。近年來，隨著無人機技術(shù)和圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，無人機傾斜攝影技術(shù)逐漸發(fā)展成測繪行業(yè)的一項新技術(shù)。與傳統(tǒng)的測繪作業(yè)模式不同，無人機傾斜攝影技術(shù)具有高效快捷、成本低廉、靈活便捷、精細準(zhǔn)確、上手簡單、操作方便等優(yōu)點，在城市更新[3]、水土保持監(jiān)測[4]、生態(tài)修復(fù)[5]、礦山地形測量[6]等領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用。

1 無人機傾斜攝影技術(shù)

1.1 工作原理

無人機傾斜攝影技術(shù)[7]有別于傳統(tǒng)的航空攝影技術(shù)，它融合了正射影像和傾斜影像，彌補了正射影像的不足[8]，其原理是借助無人機平臺搭載的航攝儀同時從多個不同角度獲取高重疊度同一地物的環(huán)繞立體影像，以得到地面物體完整準(zhǔn)確的立面信息[9]，并經(jīng)過相關(guān)專業(yè)軟件處理后獲得數(shù)字表面模型（Digital Surface Model，縮寫DSM）、數(shù)字正射影像（Digital Orthophoto Map，縮寫DOM）、三維模型和數(shù)字線劃圖（Digital Line Graphic，縮寫DLG）等[10]，形成最終測繪成果。

1.2 優(yōu)勢

與傳統(tǒng)攝影技術(shù)相比，無人機傾斜攝影技術(shù)的優(yōu)勢有：①外業(yè)勞動強度低、人力投入少、生產(chǎn)成本低；②響應(yīng)速度快、作業(yè)效率高、應(yīng)急能力強；③能夠獲取全面的立體信息，能從多方面真實地反映地物實際情況[8]；④后期成果種類豐富，適用行業(yè)范圍廣。利用無人機低空攝影可獲取高清立體影像數(shù)據(jù)[11]，并經(jīng)相關(guān)三維處理軟件自動生成三維實景模型，獲取準(zhǔn)確的地理參考三維模型，快速得到地理空間信息，以滿足測繪地理信息領(lǐng)域的應(yīng)用。

2 基于無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取流程

無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取步驟主要分為外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和影像成果輸出三個環(huán)節(jié)[12]。基本技術(shù)流程包括：工作區(qū)資料收集與分析、野外像控點布設(shè)、無人機航空攝影、三維實景模型建立、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集處理、成果提交等[13]。

3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

3.1 無人機系統(tǒng)

大疆精靈4RTK是大疆公司2018年發(fā)布的一款小型多旋翼高精度航測無人機，集成RTK模塊，擁有強大的抗磁干擾能力與精準(zhǔn)定位能力，能實時進行厘米級數(shù)據(jù)定位，在百米高空的地面采樣分辨率可達2.74厘米，大幅度減少了傳統(tǒng)航測中所需的地面控制點，簡化作業(yè)流程，降低作業(yè)成本[14]，其主要參數(shù)見表1。

表1 大疆精靈4RTK主要參數(shù)一覽表

3.2 飛行高度確定

根據(jù)《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》，無人機飛行高度一般由地面分辨率、相機性能進行綜合決定，即：

其中：H為攝影航高（m）；GSD為地面分辨率（m）；f為相機鏡頭焦距（mm）；α為相機像元尺寸（mm）。地面分辨率由測圖比例尺決定，不同比例尺的地面分辨率不同，其對應(yīng)關(guān)系見表2，具體選值還應(yīng)結(jié)合地形條件、測圖等高距、航攝基高比及影像用途等進行綜合確定[15]。

表2 測圖比例尺與地面分辨率對應(yīng)關(guān)系表

3.3 重疊率

航攝所獲得的最終影像是由2張相鄰航片重疊而成的，所獲影像之間存在一定程度的重疊，而這種重疊又包括航向重疊和旁向重疊兩種[16]。無人機傾斜攝影規(guī)范規(guī)定，航向重疊度一般應(yīng)為60%～80%，最小不小于53%；旁向重疊度一般應(yīng)為15%～60%，最小不小于8%[15]。對于同一個點，不同角度的航拍照片越多，其生成的三維模型精度就越高，但相應(yīng)的作業(yè)時間也會增加，一般需根據(jù)測圖范圍、測圖比例尺、影像用途等綜合確定航向重疊度和旁向重疊度。

3.4 像控點布設(shè)

像控點的布設(shè)策略取決于建模精度需求、是否有POS數(shù)據(jù)輔助、像幅大小等因素[13]。在大比例尺項目的生產(chǎn)過程中，單鏡頭無人機的POS數(shù)據(jù)精度較低，每平方千米布設(shè)20個左右的像控點和檢查點[2]。像控點的位置應(yīng)盡量選擇平整地面明顯標(biāo)志點，與周圍地物、環(huán)境紋理區(qū)分明顯，色彩差異大，如斑馬線角點、規(guī)則花壇內(nèi)角、平圍墻拐角等便于測量觀測處；也可使用油漆在地面繪制“L”型標(biāo)記；或采用像控紙進行布設(shè)。

4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

當(dāng)前內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要基于計算機視覺原理，利用二維影像構(gòu)建三維模型[17]，主要技術(shù)流程包括：影像預(yù)處理、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、多視影像密集匹配、DSM生成、真正射糾正、三維實景建模等。

傾斜攝影拍攝的影像包含垂直影像和多個角度的傾斜影像，屬于多視角影像。在處理獲取影像的過程中，多數(shù)空三測量系統(tǒng)無法準(zhǔn)確完成，因而需要通過多視影像聯(lián)合平差的方法來處理傾斜攝影測量影像。在POS數(shù)據(jù)、像控點坐標(biāo)作為傾斜影像外方位元素初始值的基礎(chǔ)上，利用金字塔由粗至細的影像匹配方法進行特征點提取，然后對每級影像進行同名點自動匹配和聯(lián)合平差，得到較好的同名點匹配結(jié)果，確保平差結(jié)果的精度[18]。多視影像密集匹配與傳統(tǒng)的單一匹配不同，其具有涵蓋區(qū)域廣、分辨率高，利用同一地物的多視影像同名點和傾斜影像冗余信息，對其錯誤匹配進行改正；最大程度的解決遮擋問題，對盲區(qū)的地物特征進行補充，盡可能獲得同一地物完整準(zhǔn)確的三維數(shù)據(jù)，是獲得建筑物三維空間信息的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[19]。多視影像在完成區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差后可獲得多視影像精準(zhǔn)的外方位元素，經(jīng)基準(zhǔn)匹配單元的多視影像密集匹配后，便生成測區(qū)高密集的三維點云，最后通過構(gòu)建三角網(wǎng)獲得數(shù)字表面模型（DSM）[20]。三維實景建模處理主流的自動化軟件有Bentley公司的Context Capture、Agisoft公司的Photo Scan、Pix4D公司的Pix4D Mapper等[21]，三款軟件在硬件要求、操作難度、運算時間、模型精度等方面均有著不同的表現(xiàn)，各有優(yōu)劣之處。

5 精度評價

精度評價主要采用人工檢查和人機交互檢查的方式對無人機傾斜攝影技術(shù)生產(chǎn)大比例尺測圖成果的質(zhì)量進行檢查，可分為相對精度評價和絕對精度評價[1]。相對精度評價是利用已有的大比例尺地形圖資料檢測實景三維模型、大比例尺測圖成果的相對精度；絕對精度評價是通過對比成果影像與采集好的像控點進行精度誤差驗證，計算點位的平面中誤差和高程中誤差，得出絕對精度[22]。

6 結(jié)論

利用無人機傾斜攝影技術(shù)進行大比例尺測圖，是大比例尺測圖技術(shù)的重大進步，野外作業(yè)周期短，大大降低外業(yè)工作量和工作強度，生成的實景三維模型成果直觀、全面、精度高等優(yōu)勢，可根據(jù)需要輸出多種形式的產(chǎn)品文件，便于項目的生產(chǎn)需要。隨著無人機技術(shù)和處理軟件的快速發(fā)展，無人機傾斜攝影技術(shù)勢必也會得到快速發(fā)展和不斷完善，應(yīng)用范圍也更加廣泛，同時給測繪作業(yè)人員帶來更多福音，加快測繪行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。