單鏡頭無人機進行傾斜攝影建模精度的探索★

劉才龍，董澤進

(安徽交通職業技術學院土木系，安徽 合肥 230051)

隨著城市信息化發展，二維地圖信息已經滿足不了現代化的發展需求，測繪行業正努力朝三維數字化地圖信息發展，無人機傾斜攝影航拍實景建模是能很好地恢復航拍區域實景的三維模型,而且是高精度的,具有色彩信息多元性數據[1]。對這個新型測量方法，無人機無論是固定翼還是多旋翼，其市價不菲，少則幾十萬元，多則上百萬元，如此高昂的費用投入對大范圍實景建模質量當然有保障，對于有實力的生產單位可以承受，而對于實力有限的單位去做這方面任務實在太難。那么對于小范圍區域的傾斜攝影測量能否用比較經濟航拍器代替。本文就是針對小范圍區域用單鏡頭微型四旋翼無人機代替正常無人機去生產建模，其產生的平面精度到底能否達到大比例尺的要求，引起其精度的影響因素又是哪些進行了一些探索。

1 實景建模基本原理

實景建模基本原理是無人機在實景測繪區域上空按照規劃好的航跡路線航攝，無人機下端安裝一臺五鏡頭合成相機對下面進行拍攝[2]。通過控制系統定時同拍5張不同角度的照片，1張是正拍獲取正片，其余4張是一定角度斜拍，獲取斜片[3]。沿規劃的航線定時航拍時保證航向和旁向所拍的相鄰照片有一定的重疊率，為后期建立立體模型提供了必要的條件[4]。

外業結束后,將航拍序列照片導入到電腦，通過傾斜攝影建模軟件對這些序列照片進行空三計算，再進行圖像配準和圖像融合來完成圖像拼接糾正處理，從而實現恢復現場的實景三維模型，這不僅包含了現場實物大小的恢復而且還包含對現場實景色彩的恢復，為大比例尺地形圖數據獲取與更新打下基礎[5]。

2 微型無人機傾斜攝影測量的思索

微型四旋翼無人機不具備傾斜攝影測量的功能，由于自身輕小，承載能力低，電池容量小導致其兩個關鍵方面很難實現，一是很難承載比較重的五鏡頭合成的相機進行航拍；二是續航能力弱，限制了更大范圍的航拍作業。如果解決這兩個問題就可以實現小型無人機三維傾斜攝影測量，但從小型無人機設計上看這兩個問題都不能解決。唯一的辦法就是如何利用現有的條件去實現。事實上是可以實現的，那就是采用單鏡頭對測繪區域分5個航線獨立進行航拍，1個正拍航線，4個斜拍航線，正拍航線拍正片，斜拍航線拍斜片[6-7]。這是對正常無人機懸掛的五鏡頭作業工作進行分解去完成，最終都能獲取一個航拍位一張正片，四張斜片，獲得了立體像對的基本條件[8]。基于這樣的基本原理推出下面微型四旋翼無人機實景建模過程。

3 微型四旋翼無人機實景建模過程

下面使用大疆微型四旋翼無人機御AIR這款，借助Altizure Beta第三方飛行控制軟件對一個實景區域100 m×100 m小范圍進行傾斜攝影試驗。首先對小型無人機各部件安裝到位，無人機搖控器與手機連接，并打開無人機及搖控器電源，通過手機打開大疆DJl GO 4 APP軟件對無人機進行飛前安全自檢，再打開Altizure Beta APP，對航拍區域進行設置。在APP軟件中通過高德影像地圖就能看到實測區域的影像，對需要航拍區域進行實線框選，然后設置航拍航向與旁向的重疊率及正攝區域與斜拍區域的鏡頭傾斜角度(見圖1)，以及航拍高度的設置。軟件自動規劃出5條航跡線，1條是正拍(見圖2)，4條是斜拍。飛機會按照這五個規劃的航跡線正常拍攝，中間如果快沒電時它會智能自檢并自動飛回起飛位置，更換電池后再按照上次停拍的位置繼續航拍，直至拍完5條航線為止。

將無人機航拍的5條航線的照片導入到電腦中保存留用建模。三維傾斜測量建模軟件國內外常用的軟件有好幾款，這幾款軟件各有其優缺點，其中Context Capture傾斜攝影測量建模軟件雖然使用相對比較復雜且價格較高，但模型紋理效果最為理想，輸出格式多，精細度高,下面就以這款軟件來對航拍區域進行建模[9]。

打開其中的Context Capture Center Master軟件，新建工程項目，添加用于建模的航拍照片，并對像片進行自檢。導入像控點坐標并刺點,提交空三運算，打開引擎軟件Context Capture Center Engine啟動空三運算，運算結束后，進入實景建模環節。點擊右下角“提交新的生產項目”，依據電腦內存配置情況，對整體模型進行切塊設置，再對建模格式及坐標系統進行設置，最后選擇需要建模的瓦片進行建模，最終重建出攝影區域的三維模型及表面的紋理(見圖3)[10]。

4 精度對比及影響因素

通過這種小型無人機建成三維模型形成的外圍結構尺寸精度到底如何，下面在建模時把模型格式轉化為OSGB，有了這種格式就可以在清華山維EPS中打開，依據三維模型,采用“以面代點法”,就可以精確地繪出房屋的平面圖(見圖4)，通過平面圖就可以量出房屋的邊長。下面對照三維模型在圖上量出模型的水平邊長與現場實測值進行對比，為了保證現場實測的房屋的邊長精度,邊長的量取采用了達到毫米級精度的手持激光測距儀進行精密測量，由于其產生的誤差只有幾毫米，因此忽略不計，其測量值設為真值。在測量的若干條邊長值中將測量的部分偏差值特別大的幾個值去除，查其原因是在圖上捕捉面的清晰度導致量距出現大的偏差，但這些值數量較小，統計結果如表1所示。

表1 數據分析

通過22組實測值與圖上對應房邊長度對比，偏差值最大的有-52 mm，最小的有+1 mm，按照一組同精度觀測值中誤差式(1)計算這組數據的中誤差m值為±27 mm。通過這組數據還發現最大的偏差與最小的偏差值出現的比較少，偏差的大小與邊長長度無關。如果由此實景建成的模型通過清華山維軟件生成線劃圖DLG，消除捕捉模型上點位人為誤差，依據國家的《1∶500外業數字測圖技術規程》相近地物點間距中誤差精度規定為±0.12 m,其精度完全可達到大比尺1∶500的平面測圖精度要求[11]。

m=±[ΔΔ]n

(1)

5 結語

通過以上整理出的結果可知：使用單鏡頭微型無人機進行傾斜攝影建模，其平面尺寸精度整體很高，從轉化平面圖方面來看可以滿足大比尺1∶500的平面測圖精度要求，可以用于小范圍的項目作業，個別部分測量值偏大可能與航拍時照片的清晰度有關，這個問題可以通過降低航拍高度和選擇光線充足的天氣作業來解決。