無人機傾斜攝影在大比例尺測圖中的應(yīng)用研究

沈建波 黃 薏 呂曉芳

(1.上海中房測繪有限公司，上海 200434； 2.北京新武測信息技術(shù)有限公司，北京 100083)

1 概述

無人機傾斜攝影是近年來發(fā)展起來的一項新型測繪技術(shù)。隨著飛行平臺搭載的各種新型傳感器的不斷發(fā)展，無人機傾斜攝影技術(shù)以其機動、靈活、經(jīng)濟、便捷等顯著特點，在應(yīng)急數(shù)據(jù)獲取及快速成圖方面顯示出了獨特的優(yōu)勢，得到了遙感和攝影測量等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[1,2]。目前，大比例尺地形圖主要采用全站儀及GPS RTK測量，在地形復(fù)雜地區(qū)，傳統(tǒng)方式作業(yè)周期長、效率低且成本高。而無人機低空傾斜攝影具備慢速、低空及小型的優(yōu)勢，可以有效彌補傳統(tǒng)航測與地面?zhèn)鹘y(tǒng)測量的不足[3-5]。本文通過與傳統(tǒng)實測地形成果的對比研究，分析無人機傾斜攝影技術(shù)在1∶500大比例尺地形測圖中的精度與可靠性。

2 無人機傾斜攝影系統(tǒng)

海燕無人機傾斜攝影系統(tǒng)是由飛行荷載平臺及控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、地面控制模塊及數(shù)據(jù)處理模塊等組成的一套經(jīng)濟性、實用性和小型性的專業(yè)化系統(tǒng)。

2.1 飛行荷載平臺及控制模塊

采用六旋翼無人機作為飛行荷載平臺(如圖1所示)，其具有成本低、飛行姿態(tài)平穩(wěn)、速度可控等優(yōu)點，主要作用是承載傾斜攝影系統(tǒng)，在特定區(qū)域上空按設(shè)計的高度與規(guī)劃的航向飛行。

飛行控制模塊包括監(jiān)測飛行、姿態(tài)控制、遙控及定位裝置等部分組成，其主要用于管理無人機搭載的相關(guān)設(shè)備，實現(xiàn)飛行姿態(tài)的控制，并能將飛行數(shù)據(jù)有效的傳輸至操控人員。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

是指采用多相機多鏡頭，對地面進行多角度、多重疊度的拍照，獲取地面影像的傾斜攝影系統(tǒng)。本項目中所采用的是一套雙相機系統(tǒng)。雙相機左右對置安裝，三相位擺動，按航線方向飛行一次獲取六個方向的傾斜影像。整套系統(tǒng)能提供獨立于平臺的定位系統(tǒng)，可記錄與相機同步的定位信號采集，用于后續(xù)數(shù)據(jù)處理的位置參數(shù)。

2.3 地面控制與數(shù)據(jù)處理模塊

地面控制模塊可以在飛行前用來進行航線規(guī)劃及設(shè)置飛行參數(shù)，飛行時用來實時了解飛行參數(shù)并幫助控制飛行以及在數(shù)據(jù)處理階段統(tǒng)計導(dǎo)航記錄數(shù)據(jù)和檢查飛行狀況等操作。

數(shù)據(jù)處理模塊主要是包含三維建模在內(nèi)的數(shù)據(jù)處理。三維建模是影像數(shù)據(jù)的處理過程，通過使用傾斜影像三維建模軟件，通過對具有一定重疊區(qū)域的影像進行自動特征匹配、空三解算、三維重建、紋理映射等處理，得到目標區(qū)域的精細三維模型。

3 試驗及分析

3.1 試驗區(qū)概況

本次試驗選取農(nóng)村地籍更新調(diào)查中的徐行鎮(zhèn)小廟村部分區(qū)域作為試驗區(qū)。試驗區(qū)面積2.2 km2，地勢起伏平緩，主要為農(nóng)田、農(nóng)村宅基地等。

3.2 技術(shù)流程

主要包括測區(qū)資料收集與踏勘、項目技術(shù)設(shè)計與航線設(shè)計、像控點布設(shè)與測量、數(shù)據(jù)采集及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理等。

1)技術(shù)設(shè)計。根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況及設(shè)計要求，設(shè)計航向條數(shù)23條，航線總長度26 km，飛行高度設(shè)置為海拔高80 m～100 m，地面分辨率優(yōu)于2 cm。在測區(qū)均勻布設(shè)了65個控制點(檢查點)，控制點前期均采用GPS RTK進行測量，點位設(shè)置成棋盤樣式的控制靶標或明顯地物特征點，各點間距約100 m～300 m(如圖2所示)。

2)數(shù)據(jù)采集。將設(shè)計航線載入飛控模塊，控制無人機按照設(shè)計航線飛行及地面數(shù)據(jù)采集。最終得到像片約16 500張，單張照片覆蓋范圍為80 m～120 m，航向重疊度與旁向重疊度分別達到80%和60%，并經(jīng)過飛控數(shù)據(jù)和導(dǎo)航數(shù)據(jù)的相關(guān)檢查，各項指標均滿足設(shè)計要求。

3)數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理一般采用Smart3D,ArcMap等軟件實現(xiàn)，處理過程包括圖像畸變糾正、像控點立體量測、自動空三解算、三維模型的處理與DLG線劃圖生成。

3.3 成果輸出

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理生成實景三維模型3DM,真正射影像TDOM,1∶500線劃地形圖DLG等產(chǎn)品，如圖3～圖5所示。

4 精度驗證

傾斜攝影三維模型的精度主要有三維模型的絕對定向精度和三維建模的相對精度兩個方面指標。其中絕對精度與定向控制點的精度有關(guān)，相對精度為模型內(nèi)任意兩點的距離量測精度。

4.1 絕對定向精度

我們通過對比平面檢查點及地物點的坐標與傳統(tǒng)數(shù)字測量的坐標來驗證絕對定向精度。

4.1.1檢查點精度

根據(jù)技術(shù)設(shè)計，在測區(qū)共布設(shè)了65個平面控制點，其中選取覆蓋測區(qū)并分布均勻的9個控制點作為平差處理的固定點，多余點位作為檢查點。表1為部分檢查點的平面誤差情況。

根據(jù)精度統(tǒng)計，56個檢查點的平面坐標點位較差最大值為9.7 cm,最小值為1.3 cm,點位中誤差為4.5 cm，基本達到了1∶500測圖規(guī)范的要求。

4.1.2地物點坐標檢測

根據(jù)現(xiàn)場布設(shè)的平面控制點，利用全站儀對小廟村的部分地形數(shù)據(jù)進行了全覆蓋抽樣檢測，共檢測界址點、主要房角點共170個，中誤差±3.6 cm。粗差(>10 cm)點9個，粗差率5.3%；粗差(>14 cm)點3個，粗差率1.7%，如表2所示。這表明傾斜攝影三模建模的絕對精度(定向精度)完全滿足設(shè)計要求。

4.2 相對精度

相對精度主要通過實地量測建筑物的邊長或明顯地物特征點間距進行對比。

現(xiàn)場利用測距儀丈量建筑物邊長及特征點間距共115條。其中建筑物邊長81條，中誤差±5.3 cm，剔除粗差后中誤差±3.4 cm。粗差(>10 cm)邊8條，粗差率10%；粗差(>14 cm)邊3條，粗差率3.7%。其中特征點間距34條，中誤差±10.0 cm，剔除粗差后中誤差±3.4 cm。粗差(>40 cm)邊1條，粗差率3.0%，如表3所示。

表1 檢查點平面誤差情況表

表2 地物點坐標檢測精度統(tǒng)計表

表3 邊長與間距檢測精度統(tǒng)計表

5 結(jié)語

無人機傾斜攝影生成的實景三維模型具有全要素、精度高、可量測和全場景等優(yōu)勢，通過智能識別、輔助人工引導(dǎo)和自動提取等技術(shù)手段，根據(jù)項目要求可以輸出多樣化的產(chǎn)品形式。經(jīng)過對比驗證，生成的大比例尺線劃圖精度完全滿足相關(guān)規(guī)范要求。隨著傾斜攝影技術(shù)的快速發(fā)展與不斷成熟，將會給傳統(tǒng)測繪方式帶來革命性的變化。