基于無人機(jī)傾斜攝影測量的大比例尺測圖技術(shù)研究

陳會(huì)明

摘 要：利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)小范圍內(nèi)大比例尺地形圖的快速采集工作。以無人機(jī)傾斜攝影測量為對象，闡述了其發(fā)展現(xiàn)狀及系統(tǒng)特點(diǎn)，并著重介紹了無人機(jī)實(shí)景三維建模流程和基于無人機(jī)正射影像的大比例尺測圖技術(shù)。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)傾斜攝影;三維建模;大比例尺測圖

中圖分類號 P231文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2021）04-0169-02

由于受空域申請、航空攝影周期、項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)等因素影響，傳統(tǒng)的航空攝影測量工作在小區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行快速地形測繪及應(yīng)急測繪保障等方面無法滿足實(shí)際工作要求。而低空無人機(jī)航空攝影測量具有靈活、高效、機(jī)動(dòng)、快速、生產(chǎn)周期短、作業(yè)成本低等優(yōu)勢，在測繪領(lǐng)域形成了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。筆者以無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了無人機(jī)實(shí)景三維模型，利用實(shí)景三維模型的正射影像成果快速生產(chǎn)處理一批小區(qū)域的地形圖。

1 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀 傾斜攝影測量技術(shù)是近10年發(fā)展起來的一項(xiàng)非常成熟的技術(shù)，克服并突破了傳統(tǒng)航測只從垂直角度攝影的局限性。無人機(jī)通過搭載5鏡頭相機(jī)，分別從5個(gè)方向進(jìn)行拍攝，快速高效地獲取地表數(shù)據(jù)，真實(shí)反映了地表的客觀情況，能滿足人們在三維模型方面的多種需求。同時(shí)，由于是超低空航攝，獲得的影像數(shù)據(jù)具有超高分辨率，在測繪領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。

傾斜攝影測量技術(shù)是一項(xiàng)高科技成果，在各行各業(yè)均有廣泛應(yīng)用。以無人機(jī)航空技術(shù)為基本前提，搭載多鏡頭傾斜相機(jī)，對小區(qū)域進(jìn)行快速測繪工作，相對于傳統(tǒng)的地面測繪工作而言，其自動(dòng)化程度高，節(jié)省人力、物力及成本。隨著傾斜攝影測量技術(shù)的進(jìn)步，用無人機(jī)搭載非量測型相機(jī)進(jìn)行地形圖測繪，配合實(shí)景三維建模技術(shù)，獲得正射影像成果，測圖周期在可控范圍內(nèi)，時(shí)效性有所保證，將大大提高大比例尺測圖的工作效率。

1.2 測量系統(tǒng)及特點(diǎn) 無人機(jī)傾斜攝影測量主要是通過無人機(jī)平臺(tái)搭載5鏡頭相機(jī)，同時(shí)從5個(gè)方向進(jìn)行攝影，即通過1個(gè)垂直拍攝的鏡頭和4個(gè)傾斜鏡頭來獲取地表影像，實(shí)現(xiàn)大重疊度的多角度視角。拍攝像片時(shí)，飛機(jī)自動(dòng)記錄飛行的有關(guān)參數(shù)，如航高、飛機(jī)速度、重疊度和曝光點(diǎn)的POS數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)對傾斜影像進(jìn)行分析和整理。傾斜攝影過程中，無人機(jī)可同時(shí)拍攝5個(gè)角度的影像數(shù)據(jù)。在這個(gè)連續(xù)時(shí)段中，同一個(gè)地物可以在多個(gè)像片上找到其影像。內(nèi)業(yè)建模人員可以根據(jù)地物多個(gè)角度的影像快速實(shí)現(xiàn)地物的結(jié)構(gòu)分析，并且可以選擇眾多影像中最清晰的1張對其進(jìn)行紋理制作。通過建立三維模型和紋理的自動(dòng)映射，可以建立其與實(shí)地完全相似的立體幾何模型，為用戶提供實(shí)景三維數(shù)據(jù)，用戶可以獲得極高的體驗(yàn)感，極大地拓展了無人機(jī)影像應(yīng)用范圍。無人機(jī)傾斜攝影具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，靈活性高、經(jīng)濟(jì)且快速等優(yōu)點(diǎn)。航空攝影采用無人機(jī)平臺(tái)，能夠在小區(qū)域范圍內(nèi)快速高效地獲取該區(qū)域高分辨率的空中影像，逐步擴(kuò)大了超低空無人機(jī)的應(yīng)用范圍，應(yīng)用前景廣闊。對于國家航空航天監(jiān)測體系而言，無人機(jī)無疑是一種重要的影像獲取手段，逐漸從實(shí)驗(yàn)室階段過渡到實(shí)際應(yīng)用階段。

2 無人機(jī)傾斜影像實(shí)景三維建模技術(shù)流程

利用傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行實(shí)景三維模型構(gòu)建主要的步驟包括無人機(jī)傾斜影像獲取、像片控制測量、自動(dòng)空中三角測量、多視角影像密集匹配、帶控制點(diǎn)的區(qū)域網(wǎng)平差、全自動(dòng)三維建模、數(shù)字表面模型和數(shù)字正射影像的生成。國際上主流的傾斜攝影測量數(shù)據(jù)處理軟件有法國Accute3D公司的Context Capture、瑞士PIX4D公司的PIX4D mapper系統(tǒng)、法國 ASTRIUM公司的Street Factory等。從自動(dòng)化程度和模型精度來看，Context Capture軟件存在較大的優(yōu)勢，該軟件運(yùn)行后無需人工干預(yù)，建模精度最高，在紋理映射時(shí)可以補(bǔ)償瓦片之間的數(shù)據(jù)差異，在空三和三維建模方面具有較大的優(yōu)勢。

2.1 數(shù)據(jù)采集

2.1.1 地面像片控制點(diǎn)的布設(shè) 在影像獲取前，為保證研究區(qū)有足夠數(shù)量的像片控制點(diǎn)，用于對空中三角測量和模型精度進(jìn)行驗(yàn)證，需要進(jìn)行像片控制點(diǎn)的布設(shè)。本項(xiàng)目采用基于網(wǎng)絡(luò)RTK的模式來采集地面像片控制點(diǎn)。像片控制點(diǎn)一般布設(shè)在區(qū)域網(wǎng)周邊，布設(shè)成平高點(diǎn)。由于高重疊度、多視角影像、計(jì)算機(jī)密集匹配等因素，外業(yè)布設(shè)的像片控制點(diǎn)基線跨度可適當(dāng)放寬，但檢查點(diǎn)的精度需滿足精度指標(biāo)要求。平高點(diǎn)布設(shè)在道路交叉口、斑馬線的角點(diǎn)、體育場地標(biāo)記線的拐角等部位。像片控制點(diǎn)的施測需按GNSS RTK作業(yè)規(guī)范進(jìn)行。本次采集點(diǎn)共9個(gè)，5個(gè)用于像片控制點(diǎn)，4個(gè)作為檢查點(diǎn)。

2.1.2 航線設(shè)計(jì)與傾斜影像采集 采用大疆精靈4 RTK版進(jìn)行航線規(guī)劃與設(shè)計(jì)。航線設(shè)計(jì)采用直線敷設(shè)，平行于攝影區(qū)域邊界，保證首末航線能覆蓋測區(qū)。在地圖軟件中進(jìn)行合理規(guī)劃，如飛行高度的設(shè)置、重疊度和相機(jī)的傾斜角度，保證可以獲取滿足要求的傾斜影像。無人機(jī)起飛前，選擇晴天但日照陰影較短、無風(fēng)的時(shí)間段進(jìn)行拍攝，以便獲取清晰可靠的影像。

2.2? 全自動(dòng)快速三維模型構(gòu)建

2.2.1 自動(dòng)空中三角測量 空中三角測量是完成三維重建之前最重要的工作。以Smart3D Capture自動(dòng)空三為例，首先根據(jù)自動(dòng)空中三角測量獲取各影像的外方位元素，分析和確立影像匹配的單元大小，進(jìn)行基于特征的影像匹配和按像素逐級進(jìn)行密集匹配，在并行算法的作用下，提高并行計(jì)算效率。無人機(jī)影像是多個(gè)視角的影像，傾斜影像之間存在較大的畸變，增加了影像匹配的難度。在影像匹配時(shí)加入POS數(shù)據(jù)可以輔助多視影像的匹配，粗略地得到原始影像的外方位元素，進(jìn)行相關(guān)算法的粗匹配，可以剔除一些誤匹配點(diǎn)，從而可以再重新進(jìn)行精確匹配。根據(jù)外業(yè)像片控制點(diǎn)，結(jié)合共線方程進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，從而解決影像之間的拓?fù)潢P(guān)系重建。

2.2.2 數(shù)字表面模型生成及真正射影像糾正 多視角影像的密集匹配完成后，可以獲取較高精度的數(shù)字地面模型DSM，通過對DSM數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，將各種特征進(jìn)行融合，形成最終的數(shù)字表面模型。DSM在地形表達(dá)方面具有無與倫比的優(yōu)越性，將取代傳統(tǒng)DEM模型，在新空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施中發(fā)揮重要作用。利用多視角影像進(jìn)行真正射的糾正可以基于數(shù)字高程模型DEM和各種分布的尺度差異較大的地物來進(jìn)行，通過幾何多特征進(jìn)行物方語義提取;同時(shí)在相方根據(jù)密集匹配的結(jié)果建立與物方的同名點(diǎn)的關(guān)系，進(jìn)行聯(lián)合糾正，然后進(jìn)行勻光處理，獲取真正射影像。

2.2.3 紋理貼合 三維白膜的紋理貼合是城市三維模型構(gòu)建中的重要組成部分。早期的紋理貼合主要基于白膜框架，外業(yè)拍攝影像，采用人工方式進(jìn)行紋理貼合，數(shù)據(jù)處理效率低，而且地物的紋理表面還是出現(xiàn)失真等現(xiàn)象。目前，大多數(shù)三維重建均采用自動(dòng)紋理映射。模型和紋理影像可以進(jìn)行自動(dòng)配準(zhǔn)，基于計(jì)算機(jī)視覺原理建立地物點(diǎn)與各影像之間的投射關(guān)系，即實(shí)現(xiàn)模型點(diǎn)與多視紋理影像點(diǎn)之間的關(guān)系，經(jīng)過篩選得到影像清晰的紋理，將多視影像點(diǎn)投影到模型中，實(shí)現(xiàn)三維模型的自動(dòng)紋理貼合。

3 基于無人機(jī)正射影像的大比例尺地形圖測繪

3.1 空中三角測量精度 空三精度檢查按照《數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范》規(guī)定進(jìn)行。一般從像方和物方2個(gè)方面進(jìn)行檢查，而物方的精度檢查最為常見，就是對比加密點(diǎn)和檢查點(diǎn)的坐標(biāo)差。空三運(yùn)算的精度指標(biāo)一般包括是否有漏偏的情況，該情況是否合理;連接點(diǎn)是否正確，空三是否存在斷層現(xiàn)象;檢查點(diǎn)和像控點(diǎn)的殘差、連接點(diǎn)的誤差是否在允許范圍內(nèi)。通過計(jì)算 4個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)的實(shí)測三維坐標(biāo)與區(qū)域網(wǎng)平差得到的三維坐標(biāo)間的誤差，來衡量區(qū)域內(nèi)空中三角測量精度。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，空三加密點(diǎn)相對于檢查點(diǎn)實(shí)測坐標(biāo)和高程之間的誤差均小于規(guī)定的平面誤差和高程誤差，說明該方法建立的三維模型在幾何精度上符合要求。

3.2 基于正射影像的線劃圖采集 數(shù)字線劃圖的采集工作需要在有關(guān)數(shù)據(jù)的支撐下進(jìn)行采編，保證數(shù)據(jù)有固定的格式和完善性。使用無人機(jī)進(jìn)行大比例尺地圖測繪時(shí)，應(yīng)構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)字表面模型DSM，因此要嚴(yán)格規(guī)范操作步驟，減少人工采集誤差，從而保證工作的正確性;測繪系統(tǒng)會(huì)根據(jù)需要自動(dòng)匹配形成DSM，根據(jù)數(shù)據(jù)和影響再進(jìn)行濾波處理，將數(shù)據(jù)和影像轉(zhuǎn)化成DEM的格式，從而進(jìn)行相應(yīng)操作，使用全數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)，生產(chǎn)滿足制圖要求的DOM正射影像數(shù)據(jù)。

3.3 高程點(diǎn)的補(bǔ)測 數(shù)字線劃圖需要一定數(shù)量的碎部高程點(diǎn)，可以從經(jīng)過地面控制點(diǎn)校正后的實(shí)景三維模型上采集，達(dá)到大比例尺地形圖對碎部高程點(diǎn)的密度和數(shù)量要求，從而滿足大比例尺測圖規(guī)范的要求。對于個(gè)別精度較低的高程點(diǎn)，可以采用實(shí)測的方法進(jìn)行補(bǔ)測高程點(diǎn)。

4 小結(jié)

通過研究無人機(jī)三維實(shí)景模型的建立過程表明：（1）采用無人機(jī)傾斜攝影獲得影像，結(jié)合高精度地面控制點(diǎn)，在一定環(huán)境下可以全自動(dòng)化生成高精度的城市三維模型，生產(chǎn)的模型整體性好、地物無縫銜接、場景真實(shí)、紋理逼真，是一種經(jīng)濟(jì)高效的城市三維模型生產(chǎn)方法。（2）利用生成的真正射影像TDOM，結(jié)合地面像片控制點(diǎn)和模型刺點(diǎn)，完成了基于無人機(jī)正射影像的大比例尺外業(yè)測圖工作。經(jīng)過精度檢查表明，利用無人機(jī)真正射影像進(jìn)行大比例尺的測圖完全能滿足常規(guī)的地形測繪工作，是一種精度高且作業(yè)速度快的實(shí)用方法。

參考文獻(xiàn)

[1]曹瀟雷，董燕.基于ContextCapture的無人機(jī)傾斜影像建模方法研究[J].軟件，2019，40（3）：207-210.

[2]萬雷，黃維，任宏旭，等.無人機(jī)1∶500比例尺測圖關(guān)鍵影響因素分析及應(yīng)用研究[J].城市勘測，2019（6）：71-74.

[3]趙文全.無人機(jī)航空測量在地形測繪中的應(yīng)用[J].地產(chǎn)，2019（17）：22.

[4]陳相男.無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)及其應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2018（9）：55-56.

[5]歐軍.無人機(jī)航測內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究[J].科技資訊，2017，15（27）：3-4. （責(zé)編：徐世紅）