RTK輔助的城市免像控無人機傾斜攝影建模分析

饒維冬 張林杰 黃 筱 馮 剛 馬云龍 左 強 熊 豪

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司, 貴州 貴陽 550081)

0 引言

智慧城市、數字城市、實景三維中國[1-3]等概念的提出和普及對測繪成果的真實、立體、時序化反映都提出了更高的要求,同時也促進了地理信息技術的不斷更新。攝影測量中的傾斜攝影測量技術應運而生,傾斜攝影測量具有高度的真實性與立體性已廣泛應用到了多個領域中[4]。

無人機傾斜攝影是由無人機搭載一個或多個(通常兩個或五個)數碼相機攝影系統來獲取多角度的地面影像,通過后續內業的數據檢查、空三加密等數據處理步驟完成最終實景三維模型的建立[5]。以往的傾斜攝影數據處理受限于影像定位定姿系統(position and orientation system,POS)的精度,在空三加密時需要在測區具有一定數量、分布均勻的像控點,對于城市、荒山等測區將大大增加航測工作量和延長生產周期[6]。而現有無人機已集成了全球導航衛星系統(global navigation satellite system,GNSS)和慣性測量單元(inertial measurement unit,IMU),GNSS提供位置信息,IMU則提供姿態信息,二者能夠形成一個良好的互補。且GNSS系統已發展成多模多頻,不僅增加了可視衛星數量,還極大地優化了衛星的空間結構,提高了定位的準確性和可用性[7-8],因此探索免像控的無人機傾斜攝影建模對于攝影測量未來的發展具有一定意義。國內對免像控的攝影測量已作了比較多的研究,如文獻[9]提出了利用無人機免像控快速構建高精度數字地表模型(digital surface model,DSM);文獻[10]總結了針對河湖環境布設控制點困難問題,驗證了基于無人機免像控技術在河湖遙感監測中的可行性;文獻[11-12]總結了適用于大比例尺、帶狀地形圖測量的免像控無人機航攝,但針對城市免像控無人機傾斜攝影建模相關的分析較少。因此從滿足成果精度要求的前提出發,以節約項目成本和兼顧作業效率為原則,探索城市免像控的無人機傾斜攝影建模的適用性具有一定的現實意義。

1 傾斜攝影測量與免像控航測技術

1.1 傾斜攝影測量

攝影測量是從非接觸成像系統,通過記錄、量測、分析與表達等處理,獲取地球及其環境和其他物體的幾何、屬性等可靠信息的工藝、科學與技術[13]。其中傾斜攝影測量多在同一飛行平臺搭載多臺傳感器(通常為五鏡頭)進行數據采集,可同時獲取垂直與傾斜多角度地面影像。鏡頭朝向垂直于地面拍攝的影像通常稱為正射影像,而鏡頭朝向與地面呈一定角度(大于5°)拍攝的影像常稱為傾斜影像。相較于傳統單一的正射影像,傾斜攝影測量能夠得到地面物體更為精細的信息,如清晰的建筑物側面紋理信息。正射、傾斜影像示意圖如圖1所示。

圖1 正射、傾斜影像示意圖

1.2 免像控航測技術

多角度采集到的地面影像配合控制點、影像POS進行空三加密測量即可將影像坐標轉換到指定的空間坐標系下,此時影像上的每個像素點都有了統一坐標系下的三維坐標。由共線方程可知,地面控制點實際是為了求解方程中的未知數a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3,從而將各像素點轉換到指定空間坐標系下。

(1)

式中,(x,y)表示像點的像平面坐標;f為像片主距;(X,Y,Z)表示物方點的物方空間坐標;(XS,YS,ZS)為攝站點的物方空間坐標;a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3為三個外方位角元素得到的矩陣[14]。

在免像控攝影測量中影像曝光時刻的三維位置與姿態即外方位元素由POS提供,POS精度的提高既提高外方位元素的精度,又提高了像點坐標的精度,即可有效地進行免像控的攝影測量[15]。

2 傾斜攝影數據采集與處理

2.1 飛馬D2000傾斜攝影測量系統

使用的無人機為飛馬D2000搭載DOP3000五鏡頭傾斜模塊,無人機及攝影模塊見圖2。

圖2 飛馬D2000與DOP3000五鏡頭傾斜模塊

2.2 測區概況與航線規劃

測區位于貴州省貴陽市,地處云貴高原。測區呈矩形,面積約1.2 km2,高差約200 m,包括河流、道路、橋、住宅等地物類型。

在進行外業航飛數據采集之前首先需進行規劃航線,本次飛行設計地面分辨率(ground sampling distance,GSD)為1.5 cm,為使最低點的分辨率也滿足要求,無人機采用了仿地變高飛行。航線規劃航向重疊率80%,旁向重疊率65%。測區總面積約1.2 km2,本次實際航飛面積約1.5 km2,飛行1個架次,飛行時間約30 min,共獲取4 992張影像,航片影像清晰、色彩均勻,滿足本次項目的使用要求。

2.3 數據處理

數據處理采用ContextCapture軟件,該軟件是一款可由照片或點云自動生成三維實景模型的軟件,具有兼容性強、自動化程度高的優點，已廣泛應用于三維實景建模。在軟件中的數據處理主要包括影像數據、POS數據導入,區域網聯合平差,空三加密,多視影像匹配等步驟,處理完成后可得到免像控的傾斜模型。

外業數據采集與處理的詳細步驟如圖3所示。

圖3 數據采集與處理流程圖

傾斜攝影模型相較于傳統正射影像擁有了更為詳細與豐富的側面紋理信息,本次建模完成后模型色彩均勻、清晰,測區傾斜模型見圖4。

圖4 建模完成的測區傾斜攝影模型

3 免像控建模與精度分析

為驗證基于實時動態載波相位差分技術(real time kinematic,RTK)實時得到的影像POS應用于傾斜攝影建模的精度,數據采集完成后在測區采集了40個點，如房角、公路地標線等特征檢查點。

將檢查點導入在ContextCapture軟件已建好的模型中,將特征檢查點的坐標與模型中實際位置的坐標進行比對可得出免像控傾斜攝影建模的精度,各特征檢查點的誤差詳見表1。

表1 免像控傾斜攝影建模精度表 單位：cm

由表1可得,平面中誤差為7.1 cm,高程中誤差為8.7 cm,滿足了《城市測量規范》(CJJ/T 8—2011)中對于1∶500大比例尺地形圖的精度要求[16]：平面中誤差不大于圖上0.5 mm(即不大于0.25 m),高程中誤差不大于0.15 m。表明RTK輔助的城市免像控傾斜攝影建模模型既能夠滿足1∶500大比例尺的成圖應用需求,也能夠提供具有豐富紋理信息的三維模型。

4 結束語

通過在測區內的特征檢查點,論證了RTK輔助的無人機免像控航攝技術用于城市傾斜攝影建模的可行性,且相較于需提前布設地面控制點的傳統無人機航攝技術,免像控航攝技術減少了工作量,簡化了對于復雜地形、城市等難以進入、遮擋嚴重地區的測量工作。傾斜攝影建模也將為高效議政和決策提供數據基礎,促進城市發展、治理、運行效能整體提升,助力城市數字化轉型。