無人機測量技術在實景三維建模中的應用

毛 燁

（江蘇南京地質工程勘查院，江蘇 南京 210041）

0 引言

攝影測量的發展經歷了三個階段［1-3］，從最早的模擬攝影測量階段到解析攝影測量階段，再到數字攝影測量階段。目前，常用的攝影測量技術是數字攝影測量。

無人機攝影具有成本低、易于獲取影像、獲取影像的方式靈活等優點，且獲取的影像信息完整。無人機的飛行高度在1 000 m 以下，可忽略云層對其造成的影響，當其與被攝物體的距離非常近時，能最大程度地獲取物體的高分辨率影像［4］。無人機既可獲取正射影像圖，也可獲取傾斜影像圖?；趦A斜影像建立的三維模型具有豐富的紋理及空間信息。傾斜攝影測量技術是無人機技術最完美的詮釋［5］，其能夠多角度、多方面地處理場景中的細節，且獲取的影像清晰度和精度高，能直接反映地物特征和地物的空間信息。無人機設備的成本低［6］、工作方式簡單、對地形氣候的要求低、能實時傳輸數據，且無人機能進入危險區域進行工作，從而大大降低工作人員作業的危險程度。因此，無人機的應用范圍也在逐漸擴大，從傳統的測繪行業向其他行業擴展，如地質災害監測、農作物監測管理、城市規劃、土地利用調查等。隨著無人機的應用范圍越來越廣，傾斜攝影測量技術和三維建模已成為研究重點。如何實現無人機快速產業化，并提高三維建模的效率，使其精度水平達到要求，是無人機建模的目標［7］。

為了強化建設區域的防火防震以及布設安全設施，本研究采用無人機測量技術對某科技創業園進行三維建模，使用GPS-RTK 對像控點進行測量，將無人機拍攝的相片導入ContextCapture 軟件中，在完成內業空三加密后，進行三維模型重建，再對模型上的坐標和實地檢測點進行比較，檢測模型質量。

1 無人機航攝

根據任務要求來確定無人機的作業區域，收集該區域內的地形圖等資料，并對資料進行詳細分析，從而確定設備和作業區域的空域條件是否滿足作業要求，再根據具體情況來制定詳細的測繪實施計劃。

航線規劃是針對任務性質和任務范圍（面積），并在綜合考慮天氣、地形等因素的基礎上，規劃如何實現任務要求的技術指標，在保證飛行安全的前提下，實現任務范圍的最大覆蓋及重點目標的密集覆蓋［8-9］。結合某科創園的地理位置，此次飛行航線的示意圖如圖1所示。

圖1 航線示意圖

2 外業控制測量

在攝影測量過程中，要保證每張相片中的影像重疊區域都有一定數量的控制點和像控點，用于矯正相片中的偏差，并把模型糾正到地面坐標系中去［10］。

由于無人機采用低空航拍的方式，導致無人機地面像控點布設與傳統低空攝影測量存在不同，主要有以下2 點：①相片框幅小、像片數量多，造成外業像控點的點位數量多，外業布設工作量增大；②無人機體積小、質量輕，其姿態在航拍過程中變化大，航拍照片的航向傾斜與旁向旋轉角度擺動大，外業像控點的布設位置、分布會影響空三解算的整體精度及航拍工作任務完成情況。

本研究測區范圍為圖2 中的實線框區域，面積約為170 000 m2，航攝和三維建模的范圍就是該區域。測區屬溫帶季風性氣候，年均氣溫為14.1 ℃，年降水量為892.3 mm，年日照總時數為2 315 h，可常年作業。

圖2 測區范圍

2.1 控制點資料

本研究收集到11 個控制點，為E 級GPS 點、國家四等水準點。平面坐標和高程坐標均為地方坐標系，其高斯平面坐標和水準高程見表1。

表1 已知點成果表

經過實地現場踏勘，控制點的標石保存完好，均勻分布在測區內，可以利用。

2.2 其他資料

測區內1∶500 比例尺的建筑圖可用于本研究的精度評定。像控點可通過外業全部測定，高精度的像控點在增加外業工作量的同時，還限制了像控點的位置。因此，可通過外業來測定少量的控制點，通過內業空三加密的方式來獲取大量控制點。檢查像控點時要結合內業和外業，在野外可進行抽樣檢測，在進行空三加密時，可進行最后的精密檢查。若出現不合格的像控點，要返回外業重新測量。像控點的具體坐標見表2。

表2 像控點坐標

3 三維建模

三維建模分為數據質量檢查與預處理、數據處理與產品制作兩步。采用目標定位、運動目標檢測與跟蹤、數字攝影測量、序列圖像快速拼接、影像三維重建等技術，對通過無人機獲取得到的圖像數據進行處理，并按照相應規范來制作出二維或三維測繪產品。

3.1 三維建模關鍵技術

3.1.1 空中三角測量。根據航片上兩側的像點坐標和極少量的地面控制點從而求出地面加密點的五方空間坐標，即為空中三角測量，也稱為攝影測量加密。該技術可為產品提供定向控制點和相片定向參數。

3.1.2 影像匹配。在數字攝影測量過程中，由計算機來代替人工觀測，將同名的像點自動確定在一起，此過程被稱為影像匹配。隨著相機傳感器的發展，以及不同鏡頭的影像灰度不同，普通匹配算法的穩定性不夠會導致圖像變形嚴重。因此，需要一種全新的、兼容性好的匹配算法，而尺度不變特征變換算法（Scale Invariant Feature Transform，SIFT）能很好地解決此問題，該算法是基于圖像尺寸理論，對各種影響因素的抗性好，不易產生較大的偏移。影像特征點提取步驟見圖3。

圖3 特征點提取步驟

3.2 數據整理

對航攝影像進行分類整理，首先檢查影像數據的完整性，保證數據具有較強的可靠性。其次檢查影像的拷貝時間，保證時間的連續性，從而確保影像連續真實。最后刪除錯誤的影像，對檢查不過關的相片進行相關區域補攝。

3.3 影像處理

本研究建模采用的是ContextCapture 全自動三維建模系統。該系統在完成空三解算后，顯示新區塊，點擊提交即可重建。此時，每張照片外方位元素和內方位元素都已存在。在生成的重建中，點擊空間框架，可在該選項下設置空間區域來限制重建范圍。在瓦片選項中，將模式設為默認設置，最好能將模式設置為合適的瓦片大小，從而確定合適的輸出瓦片大小。空三成果如圖4所示。

圖4 空三成果

3.4 模型修補

3.4.1 水面約束。由于水面的特征點幾乎完全相同或特征不明顯，軟件匹配算法不能很好地兼容水面的匹配度，導致水面模型出現空洞或水面不平整。在處理水面時，軟件中有一個特殊的約束工具，需要用戶手動給水平面添加水面約束，從而保證輸出模型的水面平整。

3.4.2 壓平部分區域。為了得到地形數據，要對模型進行壓平操作，尤其是森林區域。利用Reality Modeling-Extract 工具組中的Quick Ground Extraction工具對其進行壓平操作。在頂視圖中（該工具必須在頂視圖中使用）選擇實景模型，然后在指定區域中繪制矩形或多邊形，根據區域的選擇方式來進行壓平。

3.4.3 模型反轉問題。對缺少坐標信息的照片，在完成空三解算后，模型將會倒置或歪斜，可通過添加連接點，然后在下一次進行空三解算前進行Z軸約束，從而使模型正常。

4 質量檢查

4.1 步驟檢查

4.1.1 無人機航攝。按照無人機操作手冊對其進行設置，保證其能夠安全起飛和降落，并按照預定航線來完成航拍任務。在后續建模檢查中發現，建筑物墻角等區域因遮擋而導致紋理陰暗不清，要重新設計飛行區域，并進行2次小范圍的補攝。

4.1.2 像控點測量。選取地物點并做好標注，使用GPS-RTK 來測量像控點坐標，記錄并檢查，保證檢查點的坐標在誤差范圍內、像控點的精度滿足要求。

4.1.3 空中三角測量。導入控制點坐標，編輯連接點。出現一次模型傾斜問題，確定是連接點坐標輸入錯誤，經改正后重新進行空三加密，得到正確的模型位置關系，可進行下一步操作。

4.1.4 三維建模。在上述步驟無誤的前提下，重建三維模型結構，得到的三維模型與實際相符，則確認操作正確無誤。

4.2 精度分析

4.2.1 像控點坐標。見表3。

表3 像控點坐標

4.2.2 檢查點圖上坐標。見表4。

表4 圖上點坐標

4.2.3 檢查點實測坐標。見表5。

表5 實測點坐標

4.2.4 精度分析。根據1∶500 的航攝規定，dx≤5 cm、dy≤5 cm、di≤5 cm。因此，精度達到預定要求，本次試驗的精度評定為合格。

表6 精度分析

5 結語

作為一項新興技術，無人機在大比例成圖方面，與衛星、有人機測繪相比，無人機具有巨大優勢。無人機結構簡單、操作靈活、作業準備時間短、對起降場地的要求不高、可在云下飛行，且無人機在具有密集建筑的城市區域、山區地形起伏大或人員不容易測量區域、多云區域、不適合大型有人機測繪區域都能發揮最好。無人機測繪的時效性好，不受重訪周期的限制，可根據任務需求隨時起降。另外，無人機測繪的針對性強，可對重點目標進行長時間監測。

由于載荷重量的限制，測繪無人機搭載的導航定位與姿態測量系統（POS）一般精度較低。在無人機飛行前，一般會設計規劃飛行航線（包括任務航線），但實際的飛行軌跡受風力、導航系統精度等因素的影響，一般會出現一定程度的偏差。同時，無人機在飛行過程中不能保證姿態穩定，傾斜角較大，對后期數據處理提出更高要求。在無人機數據處理方面，存在著數據量過大、對計算機配置要求高、處理時間長等問題。連續相片的重疊度不規則、姿態信息不精準也會使處理過程出現錯誤。

綜上所述，在大比例成圖方面，無人機測繪與衛星、有人機測繪相比，具有巨大的成本優勢；在安全方面，無人機的優勢明顯，在特定危險作業區域（如火山爆發地區、地震等地質災害地區）能快速準確地獲取影像信息，避免作業人員因進入危險區域作業而出現傷亡。在設備出現故障時，能將損失降低到最小，且無人員傷亡。無人機測繪符合未來發展需求，具有廣闊的市場前景。