無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在三維建模中的應(yīng)用

艾嘉豪，朱大明

（昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明　650000）

0　引言

當(dāng)前，將無(wú)人機(jī)技術(shù)與微型傾斜攝影技術(shù)有效結(jié)合進(jìn)行低空無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量已經(jīng)成為新興的研究熱點(diǎn)[1-5]。莊曉明[6]等人提出使用無(wú)人機(jī)搭載照相機(jī)，使用遙控飛行器對(duì)實(shí)地進(jìn)行不同角度的影像高效迅速地?cái)?shù)據(jù)采集，進(jìn)行三維模型的建立，真實(shí)地反映地面的客觀情況。傾斜攝影技術(shù)所建立的三維模型可真實(shí)反映地物的外觀、坐標(biāo)、高程等信息；借助無(wú)人機(jī)，可迅速采集影像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化三維建模[7]。研究使用無(wú)人機(jī)對(duì)三維模型建模及其建模質(zhì)量效果在如今數(shù)字城市與智慧城市應(yīng)用以及三維測(cè)繪領(lǐng)域中有著重要意義。

1　無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集

1.1　測(cè)區(qū)概況

攝區(qū)屬于高原斷陷湖泊，湖面海拔1720米，三面環(huán)山，一面接著澄江壩子。湖面北部寬闊而深，南面狹小而淺，中部細(xì)長(zhǎng)，形似葫蘆。湖泊徑流區(qū)年平均氣溫大約15.6℃，極端最高氣溫達(dá)33.7℃，最低氣溫–4.4℃，平均降水量942.8 mm，無(wú)霜期310多天。撫仙湖四周耕地1.47萬(wàn)公頃。

1.2　主要作業(yè)設(shè)備

傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)的采集主要是無(wú)人機(jī)所搭載的影像采集系統(tǒng)以及低空航測(cè)無(wú)人機(jī)平臺(tái)。本次項(xiàng)目所采用的是DM-150型無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)2架，相機(jī)采用北京數(shù)維翔圖的3鏡頭傾斜相機(jī)。主要參數(shù)如下：

表1　DM-150型無(wú)人機(jī)參數(shù)Tab.1　The　parameters of DM-150 type UAV

表2　3鏡頭傾斜相機(jī)參數(shù)Tab.2　The paremeters of three tilted camera lenses

利用武漢際上導(dǎo)航AGS200高精度GNSS接收機(jī)，通過(guò)厘米級(jí)動(dòng)態(tài)查分技術(shù)輔助空中三角測(cè)量，可以大量減少后期地面相控點(diǎn)數(shù)量，得以提高工作效率。

1.3　無(wú)人機(jī)低空遙感的特點(diǎn)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影目前是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，因?yàn)樗陨淼膬?yōu)勢(shì)，得到了市場(chǎng)的認(rèn)可，傾斜影像構(gòu)建的三維模型已廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、公共安全、通信、軍事等眾多領(lǐng)域[8]。無(wú)人機(jī)低空遙感與航空攝影測(cè)量相比，有比較明顯的優(yōu)勢(shì)[9-11]：（1）影像獲取快捷方便；（2）低成本,效率高；（3）具有機(jī)動(dòng)性、靈活性和安全性；（4）分辨率高、多角度（視角）；（5）影像獲取時(shí)效性強(qiáng)；（6）對(duì)氣候要求不高。

除上述優(yōu)點(diǎn)以外，還存在不足[10-11]：（1）姿態(tài)穩(wěn)定性差、旋偏角大；（2）像幅小、數(shù)量多、基高比??；（3）非專(zhuān)業(yè)量測(cè)型相機(jī)，影像畸變大；（4）續(xù)航時(shí)間短。

1.4　航線(xiàn)規(guī)劃

航線(xiàn)的規(guī)劃在數(shù)據(jù)采集之前是一個(gè)非常關(guān)鍵的步驟，他可以很好的保證數(shù)據(jù)獲取質(zhì)量。無(wú)人機(jī)的影響數(shù)據(jù)采集和普通的拍照工作大不一樣，普通的拍照工作可以人工控制無(wú)人機(jī)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行隨意無(wú)規(guī)律的拍照，而在無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的工作中，和普通拍照工作大不一樣，飛機(jī)的飛行要保證一定的平穩(wěn)性，并且要根據(jù)實(shí)際情況規(guī)劃路線(xiàn)，并且在此航線(xiàn)中無(wú)人機(jī)的航高要在一定的允許范圍內(nèi)。對(duì)于無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，如果需要其飛行具有一定規(guī)則的航空路線(xiàn)，在不借助航線(xiàn)規(guī)劃的前提下，單靠人工通過(guò)遙控控制無(wú)人機(jī)得以操作飛行方向是不容易實(shí)現(xiàn)的，除此之外，數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中還要保證飛行速度保持勻速，以便影像采樣率均勻且影像穩(wěn)定，再則，在空中作業(yè)過(guò)程中，會(huì)受到空氣流速度的影響，使無(wú)人機(jī)平衡性被打破，導(dǎo)致得到的影響數(shù)據(jù)模糊，最后，根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范要求，建模對(duì)于像片的采樣率和重疊率有比較高的要求，光靠人工操作遙控器飛行不好把握的，最后導(dǎo)致飛行獲取數(shù)據(jù)的質(zhì)量不高，從而致使需要重飛等操作，降低工作效率，所以，可見(jiàn)因此航線(xiàn)規(guī)劃在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集前是很有必要的。一般而言,理想的測(cè)區(qū)形狀為矩形,也就是傳統(tǒng)航空攝影中所使用的測(cè)區(qū)形狀。矩形測(cè)區(qū)的航線(xiàn)規(guī)劃較為簡(jiǎn)單,采用平行航線(xiàn)折返拍攝即可。但實(shí)際情況中,測(cè)區(qū)的形狀很可能是非規(guī)則的多邊形甚至是長(zhǎng)條帶形狀,這會(huì)增加航線(xiàn)規(guī)劃和執(zhí)行的難度[12]。

航攝相對(duì)航高按下式計(jì)算：

式中：H——攝影相對(duì)高度，單位為米（m）；

f——鏡頭焦距，單位為毫米（mm）；

a——像元尺寸，單位為毫米（mm）；

GSD——地面分辨率，單位為米（m）。

測(cè)區(qū)所采用像元尺寸為0.00641mm，地面分辨率為0.1m，鏡頭焦距計(jì)劃選擇35mm，故可以計(jì)算得相對(duì)航高為550m

航向攝影基線(xiàn)按下式計(jì)算式中：

Bx——實(shí)地上攝影基線(xiàn)長(zhǎng)度，單位為米（m）；

Lx——像幅長(zhǎng)度，單位為毫米（mm）；

Px——像片航向重疊度，以百分比便是

m= H/ f——攝影比例尺分母

根據(jù)實(shí)地情況，部分航線(xiàn)如圖1所示。

2　無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理

2.1　空中三角測(cè)量控制點(diǎn)加密

光線(xiàn)束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量，以投影中心點(diǎn)、像點(diǎn)和相應(yīng)的地面店三點(diǎn)共線(xiàn)為條件，以單張像片為解算單元，借助像片之間的公共點(diǎn)和野外控制點(diǎn)，把各張像片的光束連城一個(gè)區(qū)域進(jìn)行整體平差，結(jié)算處加密點(diǎn)坐標(biāo)。由每個(gè)像點(diǎn)的坐標(biāo)觀測(cè)值可以列出兩個(gè)相應(yīng)的誤差方程，按照最小二乘法平差，求出每張像片外方位元素的6個(gè)待定參數(shù)，從而得出各個(gè)加密點(diǎn)的坐標(biāo)。

圖1　航線(xiàn)規(guī)劃示例圖Fig.1　Example diagram of route planning

2.2　DSM生成

由于低空飛行較常規(guī)的影像的幾何變形較大，首先在匹配前需要對(duì)原始影像進(jìn)行幾何粗改正處理，包含姿態(tài)角改正和比例尺改正；其次建立改正后影像的影像金字塔，并利用Harris算子逐級(jí)提取特征點(diǎn)，為密集匹配過(guò)程做準(zhǔn)備，但我們?cè)诖诉^(guò)程中，應(yīng)保證特征點(diǎn)分布均勻。密集匹配處理過(guò)程中應(yīng)用金字塔匹配，多視匹配、邊緣特征匹配等匹配策略，快速、高可靠性地匹配密集的DSM點(diǎn)云。最后DSM點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行粗差剔除，三維點(diǎn)云的保證特征濾波處理、影像紋理的地理識(shí)別與分類(lèi)等處理。

2.3　三維模型的建立與精度分析

2.3.1模型的建立

圖2　模型成果圖Fig.2　The diagram of model results

本次模型建立使用的是Bentley ContextCapture軟件進(jìn)行三維建模。ContextCapture對(duì)于應(yīng)用真實(shí)背景三維模型以助力基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)、施工或運(yùn)營(yíng)的組織而言，此款軟件的建模效果是比較理想的。借助ContextCapture，用戶(hù)可利用數(shù)碼相機(jī)所拍攝的照片，為當(dāng)前環(huán)境輕松生成高分辨率的三維模型。此模型具有逼真的精美細(xì)節(jié)、清晰的邊緣以及精確的幾何特性。用戶(hù)可以按照自己的需求，以所需求的尺寸或分辨率創(chuàng)建模型。

2.3.2精度分析

利用Bentley ContextCapture軟件對(duì)像控點(diǎn)進(jìn)行空三加密，加密部分結(jié)果如下：

表3　部分片區(qū)成果統(tǒng)計(jì)Tab.3　Part of the results statistics

表4　部分成果統(tǒng)計(jì)表Tab.4　Part of the results statistics

由上精度可以看出，基本定向點(diǎn)殘差、檢查點(diǎn)誤差結(jié)果精度完全滿(mǎn)足 CH/Z3003-2010《低空數(shù)字航空攝影內(nèi)業(yè)規(guī)范》要求。通過(guò)模型定向點(diǎn)與檢查點(diǎn)的誤差情況來(lái)看，二者確實(shí)存在一定的差距，模型平面精度最大不超過(guò) 0.5 m，而高程精度最大0.65 m。這個(gè)精度要達(dá)到高精度測(cè)繪級(jí)別成果需求還有一定距離；從模型尺度精度質(zhì)量表中數(shù)據(jù)看，模型對(duì)于實(shí)體對(duì)象的幾何尺度描述相對(duì)還是比較精確的，符合一般的日常實(shí)體量測(cè)需求。

3　結(jié)論

在飛行與建模過(guò)程中，出現(xiàn)像片受側(cè)風(fēng)影響，姿態(tài)不夠理想，部分航飛質(zhì)量不高，少量影像存在偏色和影像模糊的現(xiàn)象，傾斜三維模型有少量的扭曲變形等問(wèn)題，但是經(jīng)過(guò)重飛，色彩規(guī)劃處理等操作，以保證最后成果精度。利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量三維模型制作，不僅可以得到真實(shí)地物地貌的外觀，平面位置以及高程信息等屬性，大大提高了真實(shí)感，還具有低成本和高效性的的特點(diǎn)，通過(guò)精度分析可以得到，建立模型的精度大范圍可以達(dá)到亞米級(jí)，雖然不能達(dá)到高精度三維模型的建立，但是可以滿(mǎn)足日一些小比例尺生產(chǎn)需求。