無人機(jī)三維測繪關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究

許晟銘

（河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210000）

0.引言

無人機(jī)憑借其機(jī)動靈活、作業(yè)范圍廣、成本低等特點(diǎn)，在各領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。與傳統(tǒng)測繪手段相比，無人機(jī)三維測繪技術(shù)可以快速、精準(zhǔn)地獲取地表信息，從而大大減輕了工作的強(qiáng)度。此外，利用無人機(jī)測繪生成的高精度三維模型，在各行業(yè)領(lǐng)域中作為一種更加立體直觀的場景進(jìn)行展示[1]，從而進(jìn)一步擴(kuò)大了無人機(jī)的應(yīng)用范圍，使其在測繪、國土、礦山、林業(yè)、文物保護(hù)、數(shù)字城市等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

無人機(jī)三維測繪技術(shù)融合了北斗（GPS）、通信、影像處理等不同技術(shù)，通過無人機(jī)搭載一臺自帶減震、優(yōu)化參數(shù)的五鏡頭相機(jī)，拍攝高清影像，經(jīng)過軟件集群處理生產(chǎn)三維模型，在室內(nèi)基于三維模型生產(chǎn)數(shù)字線劃圖，從而滿足各行業(yè)對數(shù)據(jù)的需求。

1.無人機(jī)的優(yōu)勢

1.1 適應(yīng)性強(qiáng)，操作靈活

無人機(jī)三維測繪技術(shù)具有很高的靈活性，和傳統(tǒng)的測量技術(shù)相比，無人機(jī)適用于多種復(fù)雜場景，可以滿足礦山測量、文物保護(hù)、水利應(yīng)用等復(fù)雜場景的作業(yè)。

1.2 大大提高工作效率

無人機(jī)三維測繪技術(shù)的應(yīng)用，可以大幅減少人工操作的工作，進(jìn)而在保證測繪成果質(zhì)量的前提下提高作業(yè)效率[2]。在日常的測繪工作中會有許多小的區(qū)域，容易受到地理環(huán)境的影響，工作效率較低。無人機(jī)可以快速地獲取影像，減輕了工作人員的壓力，提升了工作效率。

1.3 有效降低工作成本

傳統(tǒng)測繪手段以外業(yè)為主，成本投入較高，測繪周期也較長。而無人機(jī)主要以室內(nèi)作業(yè)為主，可以大幅度減少外業(yè)工作量，同時(shí)減少因第三方因素對工作造成的影響，從而降低了勞動力成本，縮短了測量周期，大幅減少了人力、物力、財(cái)力的投入。

1.4 數(shù)據(jù)處理精準(zhǔn)度高

利用無人機(jī)三維測繪技術(shù)，可以在確保安全的情況下高效地完成野外測繪工作。通過無人機(jī)搭載高分辨率的相機(jī)，采用低空飛行的方式，可以獲取高精度的影像，大大提高成像的質(zhì)量[3]。與衛(wèi)星遙感比，無人機(jī)獲取的影像分辨率更高，能夠更加清晰地反映地表的實(shí)際情況。同時(shí)，基于無人機(jī)獲取的高精度三維模型，可以進(jìn)行立體化的測量工作，從而可以有效提高數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。

2.無人機(jī)三維測繪關(guān)鍵技術(shù)

2.1 無人機(jī)航飛

2.1.1 傾斜航空攝影

傾斜攝影測量技術(shù)是通過在飛行平臺上安裝多個(gè)鏡頭，從不同方向獲取地表的影像，包含四個(gè)傾斜方向和一個(gè)豎直方向，其中和地面垂直的一組影像稱為正片，與地面成一定角度的四組影像稱為斜片[4]。通過無人機(jī)搭載五鏡頭傾斜相機(jī)進(jìn)行傾斜航空攝影，可從五個(gè)不同角度采集地面影像，從而獲取地物的三維數(shù)據(jù)，如圖1所示。

圖1 傾斜攝影示意圖

在航線規(guī)劃時(shí)，可根據(jù)精度要求，按照下視鏡頭地面分辨率優(yōu)于3 cm、1.5 cm等進(jìn)行航線規(guī)劃。在進(jìn)行航空攝影時(shí)，嚴(yán)格按照航線設(shè)計(jì)的GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行航攝工作，選擇在能見度不低于1 km、光照條件良好的天氣進(jìn)行航空攝影，以保證影像清晰、色彩鮮明、色調(diào)一致、反差適中、顏色飽和，能較清楚地分辨各類地物。每完成一個(gè)架次的航攝工作，及時(shí)下載數(shù)據(jù)，并進(jìn)行航攝質(zhì)量的質(zhì)檢工作。若出現(xiàn)相對漏洞、絕對漏洞及其他缺陷時(shí)，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)攝或重?cái)z，漏洞補(bǔ)攝按原設(shè)計(jì)航跡線進(jìn)行，并采用同一主距的數(shù)字航攝儀進(jìn)行補(bǔ)攝工作。

2.1.2 控制測量

控制點(diǎn)布設(shè)要完全覆蓋整個(gè)測區(qū)，且分布均勻。在硬化地面使用鋼釘，非硬化地面先打入木樁后使用鋼釘，作為圖根點(diǎn)標(biāo)志，如圖2所示。

圖2 控制點(diǎn)布設(shè)分布示意圖

利用連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站系統(tǒng)支持下的網(wǎng)絡(luò)RTK進(jìn)行測量，獲取每個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)（XCGCS 2000、YCGCS 2000、h大地高）。

2.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

2.2.1 像片控制測量

像控點(diǎn)的布設(shè)及測量為航測內(nèi)業(yè)成圖提供了必要的平面和高程控制成果，是保證成圖精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。測區(qū)均勻布設(shè)像控點(diǎn)，并保證測區(qū)拐點(diǎn)處布設(shè)控制點(diǎn)，個(gè)別困難地區(qū)在保證后處理精度的情況下可適當(dāng)放寬，靈活調(diào)整。像控點(diǎn)全部為地標(biāo)或已有地物像控點(diǎn)，地標(biāo)像控點(diǎn)在航飛前鋪設(shè)地面標(biāo)志，然后進(jìn)行像片判刺和外業(yè)測量。

不同航攝分區(qū)單獨(dú)布設(shè)像控點(diǎn)，不同分區(qū)重疊區(qū)域應(yīng)布設(shè)共用像控點(diǎn)，便于空三成果的分區(qū)接邊。

為檢核內(nèi)業(yè)加密點(diǎn)及項(xiàng)目成果的精度，同時(shí)在測區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)檢查點(diǎn)，檢查點(diǎn)精度同平高控制點(diǎn)精度，檢查點(diǎn)需選在明顯的地物點(diǎn)上，位置應(yīng)遠(yuǎn)離區(qū)域網(wǎng)控制點(diǎn)和全野外高程點(diǎn)，檢查點(diǎn)成果單獨(dú)整理交質(zhì)量檢查部門使用。

2.2.2 空中三角測量

采用軟件ContextCapture Center，通過無人機(jī)搭載的POS系統(tǒng)可以獲取相片的外方位元素，計(jì)算獲取到的所有影像覆蓋范圍內(nèi)的相片，采取分級匹配的模式，在不同級別的相片上進(jìn)行同名點(diǎn)的自動匹配和基于光束法的自由網(wǎng)平差，從而得到較好的匹配結(jié)果。與此同時(shí)，通過編輯連接點(diǎn)并導(dǎo)入控制點(diǎn)坐標(biāo)，結(jié)合差分GPS的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多視角影像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差迭代計(jì)算。通過對局域網(wǎng)平差進(jìn)行多次反復(fù)聯(lián)合解算，最終得到符合精度要求的平差結(jié)果，如圖3所示。

圖3 空中三角測量計(jì)算示意圖

（1）將原始數(shù)據(jù)整理好之后，將做好的block文件或者txt文件導(dǎo)入新建的工程中。導(dǎo)入之后再一次檢查照片和pos數(shù)據(jù)是否一一對應(yīng)；

（2）劃分空三分區(qū)，進(jìn)行無控空三加密，便于后續(xù)控制點(diǎn)刺點(diǎn)工作。無控空三結(jié)束，需檢查影像是否分層，若影像分層，需要對空三進(jìn)行優(yōu)化；

（3）設(shè)置成果坐標(biāo)系；

（4）添加像控點(diǎn)：根據(jù)外業(yè)采集的像控點(diǎn)的地理坐標(biāo)，在關(guān)聯(lián)照片上進(jìn)行刺點(diǎn)，每個(gè)控制點(diǎn)所在影像數(shù)目不得低于3張，優(yōu)化空三加密結(jié)果；

（5）進(jìn)行光束法區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算；

（6）對空三成果進(jìn)行質(zhì)檢：利用檢查點(diǎn)對空三成果進(jìn)行質(zhì)檢，要滿足規(guī)范要求。如若不滿足，分析原因并再次進(jìn)行空三加密操作，直至滿足要求。

2.2.3實(shí)景三維建模

利用ContextCapture Center的三維重建功能，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)景三維模型的全自動計(jì)算。軟件的三維重建算法會自動匹配每個(gè)格網(wǎng)面片的影像紋理，確保各個(gè)三維格網(wǎng)模型頂點(diǎn)放置在最佳位置，從而以更少的瑕疵表現(xiàn)更精細(xì)的細(xì)節(jié)和更銳利的邊緣，大幅提高幾何精度，最終形成三維尺度的密集點(diǎn)云。基于點(diǎn)云可自動生成不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN），同時(shí)基于軟件的自動優(yōu)化算法，可以將錯(cuò)誤匹配的三角網(wǎng)頂點(diǎn)進(jìn)行刪除或修復(fù)，實(shí)現(xiàn)對TIN三角網(wǎng)的平滑優(yōu)化，以達(dá)到最佳的三維表達(dá)效果。最后根據(jù)TIN三角網(wǎng)各頂點(diǎn)的空間位置信息，自動匹配最優(yōu)的視角影像，完成模型紋理的構(gòu)建，最終形成高精度的實(shí)景三維模型，如圖4所示。

圖4 實(shí)景三維模型制作流程圖

2.3 三維立體測圖

在三維模型的基礎(chǔ)上，用SV365智能測繪系統(tǒng)進(jìn)行三維模型的矢量化工作，在此過程中將直接標(biāo)注建筑物的屬性（層高和材質(zhì)），并且矢量化后的建筑物已進(jìn)行了房檐改正，外業(yè)只需核實(shí)，無需再次進(jìn)行此項(xiàng)標(biāo)注工作，矢量化其余要求與立體采集一致。

3.精度檢驗(yàn)

3.1 某農(nóng)村地籍測繪項(xiàng)目

對某地農(nóng)村開展地籍測繪，如表1所示。由于該村落分布不均勻，導(dǎo)致了以下結(jié)果：

表1 某地籍測繪項(xiàng)目精度檢測表 單位：m

3.1.1 碎部點(diǎn)檢測結(jié)果

高精度平面檢測點(diǎn)473個(gè)，粗差0個(gè)，平面中誤差=0.032m；

高精度高程檢測點(diǎn)24個(gè)，粗差0個(gè)，高程中誤差=0.045 m。

3.1.2 房產(chǎn)邊長檢測結(jié)果

量邊167條邊長，相鄰邊87條，房屋邊80條。其中：

較差大于0.2 m以上的有17個(gè)；

較差在0.15 m-0.2 m以內(nèi)的有6個(gè)；

較差在0.10 m-0.15 m以內(nèi)的有8個(gè)；

小于0.10 m的有136個(gè)，其中0.05 m以下的有111個(gè)。

3.2 某開發(fā)區(qū)1∶500地形圖測繪項(xiàng)目

對某開發(fā)區(qū)32 km21∶500地形圖利用無人機(jī)三維測繪技術(shù)進(jìn)行制作，圖幅數(shù)共644幅，坐標(biāo)系統(tǒng)采用CGCS 2000國家大地坐標(biāo)系；高程基準(zhǔn)采用1985國家高程基準(zhǔn)。經(jīng)隨機(jī)抽樣檢驗(yàn)：實(shí)地檢測1∶500地形圖地物點(diǎn)相對于臨近控制點(diǎn)點(diǎn)位檢測中誤差最大為0.29m（限差±0.30 m），高程注記點(diǎn)檢測中誤差最大為0.28 m（限差±0.40 m），數(shù)據(jù)精度基本符合設(shè)計(jì)的要求，如圖5所示。

圖5 某開發(fā)區(qū)1∶500地形圖測繪項(xiàng)目

4.成果應(yīng)用

通過上述過程生成的指定區(qū)域的實(shí)景三維模型、數(shù)字線劃圖（DLG）、數(shù)字正射影像（DOM）、數(shù)字高程模型（DEM），可以更高效地服務(wù)于各行業(yè)領(lǐng)域的數(shù)字化、智慧化應(yīng)用建設(shè)。

4.1 國土測繪

國土測繪是無人機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，無人機(jī)可以很好地服務(wù)于國土測繪的諸多領(lǐng)域，如，地形圖測繪、地籍測量、不動產(chǎn)測繪、國土資源普查、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測等。一方面無人機(jī)從空中進(jìn)行測繪，擺脫了地形、環(huán)境、氣候等的限制，測繪范圍更廣、效率更高；另一方面無人機(jī)替代人工進(jìn)行測繪，也將測繪人員從各種災(zāi)害與危險(xiǎn)中拯救出來，在降低人力成本的同時(shí)，也保障了其安全性。

4.2 城市規(guī)劃

城市規(guī)劃也是無人機(jī)三維測繪的另一大“用武之地”。在城市規(guī)劃中，無人機(jī)三維測繪技術(shù)可以從空中作業(yè)，能減少地面測繪的限制和盲點(diǎn)，提升測繪效率與精度。除此以外，無人機(jī)取代人工，能節(jié)約測繪成本，保護(hù)人員安全，可以作為城市規(guī)劃的重要手段來使用。

4.3 文物保護(hù)

利用無人機(jī)三維測繪技術(shù)可以為文物建立高精度實(shí)景三維模型，實(shí)現(xiàn)文物古跡的三維數(shù)字化。依托無人機(jī)空中無接觸的優(yōu)勢，可以很好地保護(hù)文物的本體結(jié)構(gòu)，不會給文物本體帶來破壞。與此同時(shí)，無人機(jī)測繪文物還能打破空間限制，提升測繪效率和精度，降低測繪成本。對于文物數(shù)據(jù)獲取和后續(xù)修復(fù)保護(hù)來說，無人機(jī)測繪作用明顯。通過建立文物三維數(shù)字化檔案，為文物展示、數(shù)字化修復(fù)、科研、文化交流、基礎(chǔ)培訓(xùn)、數(shù)字產(chǎn)品與衍生品的開發(fā)等提供了數(shù)據(jù)支撐。

4.4 礦山測量

隨著生產(chǎn)的推進(jìn)，各煤礦企業(yè)礦井開采范圍、工業(yè)廣場、生活區(qū)范圍等也在發(fā)生著變化，利用無人機(jī)三維測圖技術(shù)可以進(jìn)行礦山地形圖、影像圖、井上下對照圖等的更新與制作。利用無人機(jī)除了可以獲取高精度的礦山影像，還可以保證人員安全，大大提高礦山測量作業(yè)的效率。

4.5 水利工程

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，應(yīng)用于水利工程建設(shè)、管理的全過程。通過三維實(shí)景模型為水利工程的勘查、設(shè)計(jì)、選址、土石方計(jì)算、進(jìn)度監(jiān)測等提供有效的數(shù)據(jù)依據(jù)，既節(jié)約了時(shí)間，又節(jié)約了成本。三維模型與水文信息的融合，為水利工程提供更直觀的管理模式。

4.6 數(shù)字城市

利用無人機(jī)三維測繪技術(shù)，搭建城市三維模型，以數(shù)字化方式直觀展示城市的三維立體場景，為數(shù)字城市建設(shè)提供基礎(chǔ)的三維數(shù)字底座，無限擴(kuò)展數(shù)字可視化管理應(yīng)用，提升城市整體信息化建設(shè)水平。

5.結(jié)束語

綜上所述，利用無人機(jī)三維測繪技術(shù)實(shí)現(xiàn)對地表的快速三維建模工作，大大提高測繪作業(yè)效率，可以滿足地籍測量、1∶500地形圖等測繪精度的要求。除此以外，無人機(jī)三維測繪技術(shù)還可以服務(wù)于各行各業(yè)的信息化建設(shè)。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，未來無人機(jī)三維測繪技術(shù)將會為越來越多的智慧化行業(yè)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐，進(jìn)而助推數(shù)字中國、實(shí)景三維中國、智慧城市等的建設(shè)。