無人機傾斜攝影三維建模實施方案研究

李乃強，陳 鈺

(1.江蘇省測繪工程院，江蘇 南京 210013；2.南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210019)

0 引 言

傳統(tǒng)大范圍三維城市數(shù)字建模方法主要是測量建模的方法，主要采用外業(yè)人員手工拍照的方式得到建筑物的結構和紋理，然后通過內業(yè)人員的處理，結合正射影像、測區(qū)平面矢量圖、屋頂矢量圖等數(shù)據(jù)建立白模，再將拍攝的紋理分析模型的細部結構貼在白模上。傳統(tǒng)建模方法雖然能在模型精細度上有很好控制，但存在生產工藝復雜、生產成本高、工作強度大、模型生產效果不確定等問題，無法滿足城市大范圍快速建模的需要。無人機傾斜攝影是以快速化、高精度的方式全面感知復雜場景，快速構建三維場景。技術優(yōu)點主要有靈活機動、云下傾斜攝影影像分辨率高、大比例尺、操作簡便、運行成本低等。但無人機技術目前屬于發(fā)展階段，技術手段并不完善，存在一些弊端，包括無人機體積小重量輕、在操控系統(tǒng)的控制下自動飛行穩(wěn)定性差等。

無人機搭載的傾斜相機云臺，分別通過5個不同方向的相機對測區(qū)進行影像采集，根據(jù)傾斜相機設備參數(shù)結合五鏡頭POS點信息，進行空三加密測量，獲取每張像片的外方位元素，再基于影像確定房屋兩側點及基準面，建立初始幾何模型，最終通過紋理映射及紋理坐標的建立、紋理的定位及輪廓線的配準、紋理的優(yōu)選及渲染等進行建筑物三維模型構建。本文以MD4-1000無人機為例，詳細介紹了傾斜攝影內外業(yè)技術路線、流程工序關鍵點、質量控制措施等內容。

MD4-1000無人機采用對稱的四旋翼設計(圖1、圖2)，垂直起降，最高可飛到1 000 m，一般在500 m以下執(zhí)行航拍任務，一個架次飛行25 min左右。能夠在山地、樓頂?shù)榷喾N場地起降，機動性較強。機身、機翼全部采用碳纖維材料制造，重量輕、硬度高。航拍過程中，可以向地面站傳回實時畫面，遙控器能夠顯示飛機的實時位置、電量等信息，便于了解飛機的飛行狀態(tài)。飛機下部的機載云臺可以分別掛載數(shù)碼相機、攝像機、傾斜攝影相機等設備以完成多種低空航拍任務。無人機在高壓電磁環(huán)境下具有良好的抗干擾性和安全性。支持GPS、北斗定位，能夠按設計航線自動航拍、自動懸停、自動返航。

圖1 MD4-1000四旋翼無人機

圖2 傾斜攝影鏡頭

1 技術路線

1.1 外業(yè)采集流程

(1)規(guī)劃飛行區(qū)域

通過用戶提供的界址坐標信息，在谷歌地球軟件上將任務區(qū)域的范圍標注出來，同時將區(qū)域范圍及周邊區(qū)域的圖址信息緩存到本地并記錄任務區(qū)域內最高點的海拔值。

運行飛控軟件進行任務規(guī)劃設計。在滿足精度要求和飛行安全的前提下，任務規(guī)劃需合理安排歸航點的位置；選取合適的航向和旁向重疊度、計算攝區(qū)最高點航向和旁向重疊度, 計算攝區(qū)最低點地面分辨率。

(2)設定航線及飛行參數(shù)

按照地面分辨率和重疊度等參數(shù)，計算曝光點坐標，統(tǒng)計本次航攝的航線數(shù)、相片數(shù)、基線長度、旁向間距、總航程等參數(shù)。

(3)飛行采集拍照

設定任務并進行飛行采集，獲取照片文件(圖3)。

圖3 外業(yè)采集成果

1.2 內業(yè)生產流程

無人機測量系統(tǒng)內業(yè)處理流程(圖4)，最后生成內業(yè)數(shù)據(jù)處理成果(圖5、圖6)。

2 項目流程工序關鍵點

2.1 外業(yè)工序關鍵點

2.1.1 測區(qū)劃分

在數(shù)據(jù)采集工作開始前，需要進行測區(qū)劃分以及測區(qū)作業(yè)時間段規(guī)劃兩項工作。主要遵循以下原則或標準：

(1)測區(qū)劃分標準：根據(jù)工作量、時間以及工作人員對測區(qū)進行劃分，合理分工采集。

(2)測區(qū)作業(yè)時間段規(guī)劃：按項目的實施計劃來合理安排各測區(qū)的數(shù)據(jù)采集時間，時間段規(guī)劃以周為單位。

圖4 內業(yè)處理流程圖

圖5 數(shù)據(jù)解算

圖6 貼圖后三維成果

2.1.2 測區(qū)任務規(guī)劃

任務規(guī)劃是針對每個測區(qū)數(shù)據(jù)采集的前期準備工作(以天為單位)，成功的任務規(guī)劃是順利獲取滿足質量要求數(shù)據(jù)的保證。在任務規(guī)劃階段，主要包括采集前期準備及作業(yè)規(guī)劃、采集方案確定兩個階段。

2.1.3 基站布設

在GPS動態(tài)差分定位中，隨著移動站與基站的距離增加，移動站的定位精度會降低。因此，為了提高移動測量系統(tǒng)的POS定位精度(GPS定位精度達到厘米級)，需要在已知點上架設基站。

基準站的架設可參考《全球定位系統(tǒng)實時動態(tài)測量(RTK)技術規(guī)范》(CH/T2009-2010)圖根點測量規(guī)范，移動站與基準站的最大距離一般控制在7 km以內。

2.2 內業(yè)工序關鍵點

通過軟件解析、融合外業(yè)采集成果，建立三維模型。主要參考《低空數(shù)字航空攝影測量內業(yè)規(guī)范》(CH/Z 3003-2010)規(guī)范。

3 質量控制措施

3.1 數(shù)據(jù)采集要求

外業(yè)數(shù)據(jù)采集應按以下要求進行：

(1)作業(yè)員按照任務規(guī)劃中原則選擇合適硬件，并根據(jù)設計的采集時間、采集模式等進行數(shù)據(jù)采集；

(2)作業(yè)員需要隨時關注天氣等外界因素的影響，強烈的陽光以及陰天會導致影像質量降低；

(3)作業(yè)員在數(shù)據(jù)采集過程中需要嚴格按照系統(tǒng)使用說明書或相關操作規(guī)范來操作系統(tǒng)，避免誤操作帶來數(shù)據(jù)質量的降低以及系統(tǒng)的損壞；

(4)在城區(qū)以及高架等對GPS信號存在遮擋的區(qū)域，采集過程中，為了保證數(shù)據(jù)的精度，應盡量減短GPS信號中斷的時間，在GPS信號中斷后，由于慣性導航的精度隨著時間的推移而快速降低，因此需要盡快將移動測量系統(tǒng)行使到GPS信號良好的區(qū)域，恢復組合定位定姿系統(tǒng)的精度后再進行數(shù)據(jù)采集；

(5)只在晴天、多云等空氣可見度高的情況下采集數(shù)據(jù)，陰雨、沙塵、霧霾等不良天氣不得進行數(shù)據(jù)采集；

(6)日景采集應避開陽光過強或過弱的時間采集，如黃昏、清晨等日照光線不足的時段。

3.2 外業(yè)階段質量控制措施

(1)制定詳盡的作業(yè)規(guī)范和質量檢查規(guī)范；

(2)所有參與人員培訓合格后上崗；

(3)實行“二級檢查，一級驗收”制度，保障項目質量。

3.3 內業(yè)階段質量控制措施

(1)制定詳盡的作業(yè)規(guī)范和質量檢查規(guī)范；檢查內容包括成果覆蓋完整性、成果規(guī)格一致性，成果內容完整性、規(guī)范性；成果精度質量等；

(2)所有參與人員培訓合格后上崗；

(3)實行“二級檢查，一級驗收”制度，保障項目質量。

3.4 數(shù)據(jù)安全措施

(1)執(zhí)行項目前，涉及項目人員統(tǒng)一組織學習國家保密相關法律，包括《中華人民共和國測繪法》、《中華人民共和國國家安全法》和《中華人民共和國保守國家秘密法》等法律，從思想上高度重視地理信息安全的重要性，提高保密安全意識，通過了保密相關法律測試，并簽訂了保密協(xié)議。

(2)嚴格按照《中華人民共和國測繪法》、《基礎測繪條例》法律法規(guī)進行外業(yè)地理信息數(shù)據(jù)采集。

(3)嚴格執(zhí)行《重要地理信息數(shù)據(jù)審核公布管理規(guī)定》，對重要自然和人文地理實體的位置、高程、深度、面積、長度等位置信息數(shù)據(jù)和重要屬性信息數(shù)據(jù)保密。

(4)做好測繪資料的保密管理，防止資料泄密或遺失；做好工作計算機的維護管理工作，電腦要安裝防病毒軟件，與外界的計算機互聯(lián)網保持物理隔絕，測繪資料和作業(yè)數(shù)據(jù)嚴禁對外提供。

4 結 語

無人機傾斜攝影技術改變了傳統(tǒng)測繪的作業(yè)方式，通過無人機低空多鏡頭攝影獲取高清晰立體影像數(shù)據(jù)，自動生成三維地理信息模型，快速實現(xiàn)地理信息的獲取，具有效率高、成本低、數(shù)據(jù)精確、操作靈活、側面信息可用等優(yōu)點。能夠滿足測繪行業(yè)的不同需求，將在城市空間數(shù)據(jù)建設中有著巨大的發(fā)展?jié)摿Γ稍谛滦突A測繪、智慧城市、應急測繪等多個領域發(fā)揮重要作用。本文介紹的無人機傾斜攝影內外業(yè)技術路線及質量控制措施等內容，將為同類項目的開展提供有益借鑒。