無人機傾斜攝影測量在實景三維模型測圖中的應(yīng)用

田振東 秦少林 杜新紅 李艷貴

（1.輝縣市春誠測繪有限公司，河南 輝縣 453600；2.輝縣自然資源和規(guī)劃局，河南 輝縣 453600）

1 引言

近年來，無人機航測技術(shù)憑借機動靈活、作業(yè)高效迅速、可高頻監(jiān)測關(guān)鍵區(qū)域、成本低廉等特點，在應(yīng)急保障和小區(qū)域地形圖測繪領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢[1]。但傳統(tǒng)航測技術(shù)只能從垂直角度獲取影像，且影像畸變嚴重，傾斜角和旋偏角較大，外業(yè)工作量大。無人機傾斜攝影技術(shù)作為一項新興的測繪手段，其獲取的傾斜影像可讓用戶從多個角度觀察地面上的各種建筑、自然景象等，更加真實反映實際物體的情況，利用傾斜攝影測量技術(shù)進行三維測圖成為了一種可能[2]。

無人機傾斜攝影測量技術(shù)通過無人機搭載傳感器設(shè)備，從多角度獲取高分辨率和多方位影像數(shù)據(jù)，通過內(nèi)業(yè)處理軟件生成實景三維模型，并在此基礎(chǔ)上運用裸眼三維采編軟件在模型中直接測量坐標、采集成圖[3]。通過實景三維模型能多角度查看地物，房屋結(jié)構(gòu)、屋檐、飄樓、陽臺、層數(shù)等細節(jié)信息，都可直接在三維場景下采集、標注，大大減少了外業(yè)調(diào)繪的工作量。無人機傾斜攝影裸眼三維測圖，相比傳統(tǒng)測量具有機動靈活、外業(yè)工作量少、勞動強度低、生產(chǎn)效率高、精度高、測量限制少等優(yōu)點，避免了野外測量受天氣影響大、勞動強度大、安全隱患多、工序復(fù)雜、成本高等缺點，在智慧城市、不動產(chǎn)測繪、城市規(guī)劃、國土資源管理、拆遷建設(shè)、全域土地綜合整治等需要大比例尺地形圖的項目中具有廣闊的應(yīng)用前景[4]。

本文通過無人機飛行平臺搭載傾斜相機，采用傾斜攝影的方式獲取高重疊度影像數(shù)據(jù)，利用集群處理影像數(shù)據(jù)，輸出實景三維模型，采用裸眼三維模型立體量測技術(shù)，實現(xiàn)外業(yè)調(diào)繪的高精度大比例尺地形圖測繪，并通過具體實驗驗證此技術(shù)路線的可行性。

2 傾斜攝影三維測圖技術(shù)

傾斜攝影三維測圖是基于實景三維模型對地形、地貌數(shù)據(jù)進行“裸眼”測圖。用低空無人機搭載多臺傳感器，同時從垂直、左側(cè)、右側(cè)、前方、后方五個不同的角度采集影像，獲取豐富的建（構(gòu)）筑物頂面、側(cè)視及地形的高分辨率紋理，通過自動化三維建模軟件，制作實景三維模型。在內(nèi)業(yè)測圖中，裸眼即可清晰看到地物的特征及細節(jié)，直接觀測立體影像，采集地形圖各類要素，如房檐改正距離、建筑物層數(shù)、植被屬性、路寬等，在實景三維模型上即可準確判斷，極大減少了外業(yè)工作量，提高成圖效率和成圖質(zhì)量[2]。基于無人機傾斜攝影測量的大比例尺三維測圖技術(shù)流程如圖1 所示，主要包括無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)采集、空三加密、模型構(gòu)建、裸眼立體測圖、外業(yè)調(diào)繪。

圖1 傾斜三維測圖作業(yè)流程

（1）傾斜數(shù)據(jù)采集。根據(jù)作業(yè)區(qū)地形類型和成圖精度要求的不同采集外業(yè)數(shù)據(jù)，踏勘研究區(qū)，選取飛行器與相機，設(shè)計無人機飛行航線、飛行時間，以獲取地表影像數(shù)據(jù)、像控點信息。航攝完成后對航攝影像、POS 數(shù)據(jù)、像控信息等各項參數(shù)進行全面檢查，檢查無誤后，及時將航攝數(shù)據(jù)提交內(nèi)業(yè)處理。

（2）空三解算。傾斜攝影數(shù)據(jù)空中三角測量使用多視角聯(lián)合平差，空三解算自動化程度更高，算法復(fù)雜，計算量大，人工干預(yù)少。將機載POS 提供的6 個外方位元素引入攝影測量區(qū)域網(wǎng)平差中，利用后處理軟件采用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型和算法實現(xiàn)對多視影像的自動匹配，得到同名連接點，構(gòu)建自由網(wǎng)，實現(xiàn)傾斜攝影影像的空三加密。

（3）模型構(gòu)建。采用分塊計算，經(jīng)過空三加密后，自動選擇不同視角上的最佳像對模型，生成三維尺度的密集點云。然后采用不規(guī)則三角網(wǎng)方法，對點云數(shù)據(jù)成果進行分割，構(gòu)建TIN 數(shù)據(jù)，進而生成白模數(shù)據(jù)。根據(jù)三維TIN 的空間位置信息，獲取最佳視角影像紋理，自動賦予模型紋理，輸出osgb 格式三維模型成果。

（4）裸眼立體測圖。目前國內(nèi)大多數(shù)實景裸眼三維采集軟件均能實現(xiàn)360°無死角視圖作業(yè)，對同一地物可通過不同角度進行點線量測。將傾斜攝影建立的高精度實景三維模型加載到三維測圖軟件中，裸眼直接觀測立體影像，采集地形圖各類要素。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集采用二三維聯(lián)動一體化測圖模式，加載實景三維模型數(shù)據(jù)，實現(xiàn)二維或三維環(huán)境下采集各種地物類型的特征點或特征線、地貌、高程信息，完成地形圖繪制。

（5）外業(yè)調(diào)繪。以內(nèi)業(yè)采集數(shù)據(jù)為底圖進行實地調(diào)繪，對內(nèi)業(yè)不能準確繪制的地形地物進行查缺補漏，最終完善地形圖。

3 應(yīng)用實例

3.1 測區(qū)概況

鹿邑縣位于豫皖交界的河南省東部，屬河南省周口市。地理坐標介于北緯33°43′～34°51′，東經(jīng)115°25′～115°37′。鹿邑東西長54.6 公里，南北寬40.5 公里，總面積1238 平方公里，耕地面積124 萬畝，境內(nèi)地勢平坦、低緩傾斜，西北高、東南低，地面要素主要以居民地、耕地為主。鹿邑縣全域地形圖測繪項目需要獲取地面分辨率優(yōu)于0.03 米傾斜影像數(shù)據(jù)。本文選取張店鎮(zhèn)為生產(chǎn)區(qū)進行分析，技術(shù)路線如上文所述。測區(qū)DOM 如圖2 所示。

圖2 測區(qū)局部DOM

3.2 無人機數(shù)據(jù)獲取與處理

結(jié)合測區(qū)地形地貌，項目采用飛馬V10 垂直起降無人機系統(tǒng)，全畫幅傾斜攝影五拼相機作為航攝儀，設(shè)計適宜的飛行時間段進行航飛，飛行平均航高為400m；影像地面分辨率為3cm；航向重疊度為75%，旁向重疊度為70%。航攝完成后，首先全面檢查航攝影像、POS 數(shù)據(jù)等各項參數(shù)，檢查無誤后，對外業(yè)航攝數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包括創(chuàng)建工程，導(dǎo)入影像、飛行文件、像控點坐標，對原始影像數(shù)據(jù)進行勻光勻色和畸變差改正。其次，使用Context Capture 軟件經(jīng)過影像匹配、空三加密、生成TIN 和紋理貼圖等工序，建立高精度實景三維模型。最后經(jīng)核查修改，提交下一步高精度測圖工作。實景三維模型成果如圖3 所示。

圖3 測區(qū)局部實景三維模型

3.3 三維數(shù)字測圖

地形圖要素采集采用航天遠景裸眼三維測圖模塊，該系統(tǒng)直接與AutoCAD、南方CASS 等軟件結(jié)合，擺脫了傳統(tǒng)三維采編中立體眼鏡的束縛，通過創(chuàng)建并加載傾斜攝影實景三維模型，分別對房屋、道路、植被、斜坡、獨立地物、管線、水系等地物地貌以及等高線進行繪圖，實現(xiàn)多窗口二三維聯(lián)動一體化聯(lián)動采編。二三維聯(lián)動采編如圖4 所示。

圖4 二三維聯(lián)動采編

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集完后，需對無法測量、識別的地物進行實地調(diào)繪與補繪，主要包括：①對內(nèi)業(yè)漏測和難以準確判繪的圖形信息（如遮蓋區(qū)域、光纜標），尤其對地物遮擋造成的實景三維模型局部模糊、變形，少量地物要素難以準確采集的情況；②部分線狀懸空的地物，如電力線、通訊線等，實景三維建模較難，難以準確辨別其走向和連接關(guān)系；③對內(nèi)業(yè)難以獲取的屬性信息進行調(diào)繪，如單位名稱、路名、村莊名字等，最終上圖編輯形成數(shù)字化地形圖，如圖5 所示。

圖5 局部實景三維模型+DLG

4 精度分析

為檢驗基于三維模型量測地形圖的可行性和精度，在測區(qū)采用RTK技術(shù)均勻量測平面和高程點各50個點。以這些實地量測的檢查點坐標作為已測地形圖的檢核點，分析地形圖的平面和高程精度（如圖6、圖7 所示），地形圖的平面精度統(tǒng)計如表1 所示，高程精度統(tǒng)計如表2 所示。經(jīng)對比分析，得出平面中誤差0.083m，高程中誤差0.132m，滿足大比例尺測圖精度要求。

表1 檢查點部分平面精度統(tǒng)計

表2 檢查點部分高程精度統(tǒng)計

圖6 平面誤差分布

圖7 高程誤差分布

5 結(jié)語

本文討論了基于無人機傾斜攝影測量構(gòu)建裸眼實景三維模型測圖的方法，并以鹿邑縣張店鎮(zhèn)1∶500 地形圖測量為例，分析了地形圖所能達到的精度水平，表明該技術(shù)路線可行，精度符合相關(guān)規(guī)范要求，相較傳統(tǒng)測繪大大減少了外業(yè)工作，整體效率有所提高，同時還得到了高分辨率DOM、實景三維模型等成果。