消費(fèi)級(jí)無人機(jī)傾斜攝影三維建模與測(cè)圖分析

劉攀 王倩

（1甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2軍地聯(lián)動(dòng)應(yīng)急測(cè)繪技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，甘肅 蘭州 730050）

伴隨電子信息技術(shù)、無人機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)發(fā)展迅速。常規(guī)數(shù)字測(cè)圖采用RTK、全站儀等測(cè)量?jī)x器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)字化成圖產(chǎn)品單一、生產(chǎn)成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺點(diǎn)不斷顯現(xiàn)出來[1]。無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)可以有效克服常規(guī)測(cè)量手段的缺點(diǎn)，成為大比例尺測(cè)圖的重要手段，采用消費(fèi)級(jí)多旋翼無人機(jī)進(jìn)行小區(qū)域三維模型建立，在地形圖測(cè)繪、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、古建筑保護(hù)等方面的應(yīng)用越來越廣泛[2-4]。

當(dāng)前，傾斜攝影測(cè)量主要選用工業(yè)級(jí)固定翼或多旋翼無人機(jī)作為平臺(tái)，搭載五鏡頭傾斜攝影相機(jī)。工業(yè)級(jí)無人機(jī)和傾斜攝影五鏡頭相機(jī)價(jià)格昂貴，各品牌價(jià)格從幾萬到幾十萬不等。而消費(fèi)級(jí)無人機(jī)價(jià)格經(jīng)濟(jì)，智能化程度高，操縱簡(jiǎn)便，影像分辨率也高，如民用無人機(jī)龍頭企業(yè)大疆公司的Phantom（精靈）系列就具備高效、便捷等優(yōu)勢(shì)[5]。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 消費(fèi)級(jí)無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量

Phantom系列無人機(jī)有一個(gè)可調(diào)節(jié)俯仰角的鏡頭，通過軟件控制鏡頭，分別在前后左右和垂直方向航拍5遍，以實(shí)現(xiàn)與專業(yè)五鏡頭類似的效果。后期的內(nèi)業(yè)處理中采用幾何糾正、影像匹配等方式，能從紋理照片數(shù)據(jù)中進(jìn)行紋理特征提取并自動(dòng)貼片，從而構(gòu)建可視化實(shí)景三維模型。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

飛行平臺(tái)：大疆Phantom4 Pro提供飛行動(dòng)力，接受航線規(guī)劃軟件的指令和飛行航線控制。

圖1 無人機(jī)傾斜攝影示意圖

地面站：通過航線規(guī)劃軟件設(shè)置并發(fā)送飛行、航線等指令，接收飛機(jī)的狀態(tài)參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示無人機(jī)器飛行狀態(tài)。

表1 大疆Phantom4 Pro主要參數(shù)

三維建模軟件：Context Capture，通過導(dǎo)入影像、選刺像控點(diǎn)、空三加密及模型構(gòu)建等操作即可建立真三維模型，兼容不同來源的影響數(shù)據(jù)，后期可采用多源數(shù)據(jù)融合對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)。

立體測(cè)圖軟件：EPS，可實(shí)現(xiàn)裸眼3D在實(shí)景三維模型上進(jìn)行采集作業(yè)，對(duì)操作人員的要求大大降低。

2 項(xiàng)目實(shí)例分析

以蘭州市七里河區(qū)某區(qū)域進(jìn)行三維實(shí)景模型構(gòu)建為例，測(cè)區(qū)長(zhǎng)、寬均為0.7km，面積約0.5km2，地勢(shì)平坦，建筑物多，測(cè)區(qū)中有兩棟高層建筑物。技術(shù)路線見圖2。

圖2 技術(shù)路線

2.1 地面像控點(diǎn)布設(shè)

借助google地圖采用區(qū)域網(wǎng)法對(duì)測(cè)區(qū)像控點(diǎn)布設(shè)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在測(cè)區(qū)周圍布設(shè)平高點(diǎn)，內(nèi)部根據(jù)需要設(shè)置足量的像控點(diǎn)。現(xiàn)場(chǎng)結(jié)合油漆噴繪、像控板、道路標(biāo)記線等多種形式進(jìn)行布設(shè)，優(yōu)先選取道路標(biāo)記線，當(dāng)沒有標(biāo)記線時(shí)進(jìn)行噴繪。共選取16個(gè)像控點(diǎn)，采用網(wǎng)絡(luò)RTK平滑5次測(cè)得平均三維坐標(biāo)以保證精度，其中8個(gè)點(diǎn)將用于成果點(diǎn)位精度檢驗(yàn)。

2.2 航線規(guī)劃與影像獲取

使用Altizure軟件進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，采用折線型航線進(jìn)行影像采集。本次航飛的相對(duì)航高是120m，航向重疊80%，旁相重疊70%，地面分辨率達(dá)到3cm，滿足CH/Z 3005-2010《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》中地面分辨率的要求。

2.3 內(nèi)業(yè)處理

2.3.1 空三測(cè)量

運(yùn)用：Context Capture加載測(cè)區(qū)的影像，選刺8個(gè)像控點(diǎn)，采用光束法區(qū)域網(wǎng)平差，將模型納入地面坐標(biāo)系。

2.3.2 影像匹配

同名點(diǎn)自動(dòng)匹配，極大降低工作量，提取大量特征點(diǎn)構(gòu)成密集點(diǎn)云，在地形復(fù)雜、地物繁雜的地區(qū)進(jìn)行密集匹配。見圖3。

圖3 三維模型

2.3.3 紋理映射

通過計(jì)算和匹配后構(gòu)建三角格網(wǎng)TIN，進(jìn)而生成白模型，再將紋理從采集的影像中進(jìn)行提取、映射，得到實(shí)景三維模型。

2.3.4 三維成圖

采用EPS進(jìn)行地形圖測(cè)繪，導(dǎo)入三維模型后進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)置，繪圖員在三維模型上進(jìn)行各類要素的采集，大大降低了外業(yè)工作量，減輕了外業(yè)勞動(dòng)輕度。繪制完成后需要進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪，對(duì)有疑問部分和遮擋部分進(jìn)行補(bǔ)測(cè)等處理。

2.4 精度檢驗(yàn)

使用RTK測(cè)量8個(gè)未使用的像控點(diǎn)進(jìn)行檢查，此8個(gè)點(diǎn)均勻分布在測(cè)區(qū)內(nèi)，在三維模型基礎(chǔ)生成的地形圖上采集8個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。

表2 實(shí)測(cè)坐標(biāo)與三維模型坐標(biāo)對(duì)比表

X方向中誤差為0.032m，最大誤差為0.042；Y方向中誤差為0.036m，最大誤差為0.057m；H中誤差為0.052m，最大誤差為0.066m。

3 結(jié)論

在小范圍采用消費(fèi)級(jí)無人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影，構(gòu)建測(cè)區(qū)的實(shí)景三維模型，并進(jìn)行大比例尺測(cè)圖，能夠滿足大比例尺地形圖測(cè)繪的精度要求，并具有以下優(yōu)點(diǎn)：硬件價(jià)格低，有效降低生產(chǎn)成本；外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度小，提高作業(yè)效率；數(shù)據(jù)獲取智能化程度高；入門簡(jiǎn)單，影像獲取迅速便捷。