無(wú)人機(jī)傾斜攝影在城市三維建模中的應(yīng)用研究

王娟娟 耿以凡

摘? 要：為了驗(yàn)證旋翼無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的可行性及精度，該文以北京市高新區(qū)為例，采用旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)其進(jìn)行了傾斜攝影，利用ContextCapture進(jìn)行了三維實(shí)景建模，并采用外業(yè)實(shí)測(cè)控制點(diǎn)、檢查點(diǎn)及測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)模型的平面精度及測(cè)量精度進(jìn)行了驗(yàn)證，最終對(duì)基于旋翼無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行三維實(shí)景建模的可行性、精度及效率做出客觀評(píng)價(jià)，為后期的行業(yè)應(yīng)用提供了一定的技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：旋翼無(wú)人機(jī)? 傾斜攝影? 三維實(shí)景建模? 空三加密? 精度驗(yàn)證

中圖分類號(hào)：P231 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）11（c）-0176-02

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展雖然只有幾年時(shí)間，但國(guó)內(nèi)已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了研究，并已有自主開(kāi)發(fā)的傾斜攝影測(cè)量平臺(tái)，如劉先林院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制的SWDC.5系統(tǒng)、上海航遙公司的AMC580系統(tǒng)、中測(cè)新圖公司研制的TOPDC-5系統(tǒng)攝影系統(tǒng)等，它的迅速發(fā)展使得目前高昂的三維城市建模成本得以大幅降低，為數(shù)字城市建設(shè)及地形復(fù)雜的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)等方面的應(yīng)用提供了全新的解決方案。由于無(wú)人機(jī)飛行高度低，且攜帶的輕型傳感器所拍攝出的像片分辨率高，顏色真實(shí)，能夠大幅提高所構(gòu)建模型的紋理質(zhì)量，近幾年國(guó)內(nèi)的一些科研院所及大型無(wú)人機(jī)生產(chǎn)商先后進(jìn)行了固定翼無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)的組裝搭載測(cè)試并取得建模研究成功。旋翼無(wú)人機(jī)擁有垂直起降，對(duì)起飛著陸地點(diǎn)要求低、機(jī)動(dòng)靈活且能夠超低空飛行等特點(diǎn)，使其在對(duì)影像精度要求極高的傾斜攝影測(cè)量城市實(shí)景三維建模方面有很大的發(fā)展空間。因此，該文以實(shí)驗(yàn)區(qū)為例，對(duì)基于旋翼無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行城市三維實(shí)景建模技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)其可行性、精度及效率進(jìn)行評(píng)估。

1? 旋翼無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)

1.1 旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)

旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)由旋翼飛行器及地面操控系統(tǒng)組成，可自主或遙控飛行，對(duì)起飛著陸地點(diǎn)要求很低，能夠垂直起降，且高度智能化，能以各種姿態(tài)飛行。這些特點(diǎn)使得其在測(cè)繪領(lǐng)域有了很大的發(fā)展空間。而在傾斜攝影測(cè)量方面，為了保證模型的精細(xì)程度，往往需要貼近地面及建筑物進(jìn)行城市超低空飛行，旋翼無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)、靈感、安全性及垂直起降等優(yōu)勢(shì)，無(wú)疑是城市傾斜攝影在最佳載體。此次實(shí)驗(yàn)采用的是由北京某公司研制的四旋翼無(wú)人機(jī)——蜻蜓5S，其輕便小巧，能夠折疊隨身攜帶，主要由飛控、通信系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)和電池組成。

1.2 傾斜傳感器集成

傾斜攝影傳感器由多個(gè)鏡頭組成，較為常見(jiàn)的有3鏡頭和5鏡頭，鏡頭通過(guò)不同的方向和角度進(jìn)行組合，使得其在同一曝光點(diǎn)獲取建筑不同角度的影像，一般情況下，中間為下視鏡頭，側(cè)視鏡頭以40°向內(nèi)、向外或旋轉(zhuǎn)分布于東南西北4個(gè)方向，同時(shí)傳感器還需集成GPS/IMU慣導(dǎo)系統(tǒng)，在曝光的同時(shí)獲取曝光點(diǎn)的位置及姿態(tài)信息。此次實(shí)驗(yàn)采用的5S傾斜相機(jī)采用了第一排兩個(gè)鏡頭，第二排3個(gè)鏡頭的分布方式，其第一排中間鏡頭為正射鏡頭，其他為側(cè)視鏡頭，側(cè)視鏡頭與正射鏡頭偏角為30°，鏡頭統(tǒng)一采用CMOS傳感器，有效像素3600萬(wàn)。

2? 數(shù)據(jù)獲取及建模處理

2.1 實(shí)驗(yàn)概況

實(shí)驗(yàn)區(qū)位于北京市某高新區(qū)，實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)地形為平地，面積約為1km2。此次實(shí)驗(yàn)首先用旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行傾斜攝影并對(duì)其飛行質(zhì)量進(jìn)行檢查，然后利用ContextCapture系統(tǒng)進(jìn)行空三加密、密集匹配、不規(guī)則三角網(wǎng)建立及紋理映射等過(guò)程，實(shí)現(xiàn)三維實(shí)景建模，最后利用外業(yè)檢查點(diǎn)對(duì)其成果精度進(jìn)行檢驗(yàn)，具體流程見(jiàn)圖1。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

于2016年3月11日采用蜻蜓5S傾斜攝影系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了傾斜攝影，航高250m，10條航線，共獲取影像785張，地面分辨率約為0.043m，通過(guò)對(duì)影像質(zhì)量檢查分析，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%，通過(guò)對(duì)GSP及IMU的分析，其飛行穩(wěn)定、航線彎曲度、航高保持良好，像片紋理清晰，層次豐富，色調(diào)均勻。

2.3 三維實(shí)景建模

（1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

此次實(shí)驗(yàn)采用ContextCapture傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行空三加密及實(shí)景建模，該系統(tǒng)可將正射與傾斜影像同時(shí)導(dǎo)入，并支持僅輸入GPS數(shù)據(jù)直接進(jìn)行多視角匹配的空中三角測(cè)量。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備主要包括原始影像數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、POS數(shù)據(jù)預(yù)處理、相機(jī)參數(shù)和制作導(dǎo)入索引。影像資料準(zhǔn)備需將原始數(shù)據(jù)按照5個(gè)不同的方向進(jìn)行文件組織，并保證同一曝光點(diǎn)影像數(shù)據(jù)與POS數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng);相機(jī)參數(shù)主要含焦距、像素大小、主點(diǎn)坐標(biāo)及檢校文件等。導(dǎo)入索引文件制作需要將之前準(zhǔn)備好的影像文件、POS信息及相機(jī)參數(shù)等信息按照ContextCapture提供的模板填寫并制作索引文件?？刂茢?shù)據(jù)方面，此次實(shí)驗(yàn)區(qū)地形為平地，共布設(shè)像控點(diǎn)10個(gè)，檢查點(diǎn)27個(gè)，采用Trimble GeoExplorer 60000 SERIES GPS進(jìn)行了實(shí)地量測(cè)。

（2）空中三角測(cè)量。

此次實(shí)驗(yàn)空三加密采用了10個(gè)控制點(diǎn)及8個(gè)檢查點(diǎn)。平差過(guò)后控制點(diǎn)平面最大殘差0.039m，高程最大殘差為-0.019m，檢查點(diǎn)平面最大殘差0.034m，高程最大殘差為0.056m，因目前并無(wú)明確的傾斜攝影空中三角測(cè)量規(guī)范，與傳統(tǒng)數(shù)字航空攝影測(cè)量空三加密精度指標(biāo)對(duì)比，其精度遠(yuǎn)高于1∶500空中三角測(cè)量要求的基本定向點(diǎn)最大殘差平面不大于0.13m，高程不大于0.11m的規(guī)范要求。

（3）三維實(shí)景建模。

空三加密完成后，直接基于優(yōu)化后的空三加密成果，設(shè)定三維建模的范圍、瓦片大小以及匹配方式等參數(shù)，利用ContextCapture自動(dòng)進(jìn)行“影像金字塔構(gòu)建”“點(diǎn)云匹配”“不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建及優(yōu)化”“三角網(wǎng)簡(jiǎn)化”“自動(dòng)關(guān)聯(lián)紋理”等過(guò)程，完成整個(gè)三維模型的自動(dòng)創(chuàng)建與紋理的自動(dòng)關(guān)聯(lián)。

2.4 三維模型精度分析

（1）檢查點(diǎn)精度驗(yàn)證。

該文將利用外業(yè)控制點(diǎn)對(duì)三維模型的絕對(duì)精度進(jìn)行分析驗(yàn)證，但因當(dāng)前行業(yè)內(nèi)并沒(méi)有相應(yīng)的規(guī)范對(duì)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)所建的三維模型精度做出明確的規(guī)定，因此此次檢測(cè)主要按照數(shù)學(xué)精度檢測(cè)方法中高精度檢測(cè)的要求，利用外業(yè)實(shí)測(cè)的27個(gè)檢查點(diǎn)，與內(nèi)業(yè)直接在三維模型上量測(cè)得到的三維坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)。

利用中誤差計(jì)算公式計(jì)算檢查點(diǎn)的坐標(biāo)偏差可得：

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該次實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)20個(gè)檢查點(diǎn)的X方向中誤差為0.064m，Y方向中誤差為0.069m，均方根中誤差（RMS，Root Mean Square）即平面位置中誤差為0.095m，Z方向即高程中誤差為0.08m，可看出其平面及高程誤差均小于10cm（兩個(gè)像素），且高程精度略高于平面精度。

（2）基于模型的量測(cè)精度驗(yàn)證。

結(jié)果表明，直接基于模型進(jìn)行量測(cè)構(gòu)筑物的誤差要大于地面標(biāo)志，分析其原因，主要是由于傾斜攝影所建的三維模型主要是由點(diǎn)云構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)并關(guān)聯(lián)紋理形成，而三角網(wǎng)的精細(xì)程度又受影像分辨率所影響，無(wú)法模擬構(gòu)筑物的直線輪廓邊緣，達(dá)不到現(xiàn)實(shí)中的棱角分明，導(dǎo)致內(nèi)業(yè)量測(cè)時(shí)不能準(zhǔn)確捕捉到建筑的拐角，使其存在一定的量測(cè)誤差。而高度方面受模型底部精細(xì)程度所限，經(jīng)常無(wú)法捕捉到準(zhǔn)確的構(gòu)筑物高度，此次實(shí)驗(yàn)中有兩個(gè)標(biāo)志點(diǎn)無(wú)法通過(guò)內(nèi)業(yè)獲取其高度信息。

3? 結(jié)語(yǔ)

（1）數(shù)據(jù)獲取方面，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)的影像獲取、檢查以及后期的三維實(shí)景建模驗(yàn)證，可看出輕型四旋翼無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，機(jī)動(dòng)靈活，對(duì)起降場(chǎng)地基本無(wú)要求，完全可以應(yīng)用于傾斜攝影測(cè)量三維實(shí)景建模工作。傾斜傳感器方面，除了傳統(tǒng)的以正射為中心，側(cè)視圍繞四周的模式外，此次實(shí)驗(yàn)的平行排列方式也可滿足傾斜影像獲取需求，后續(xù)工作中可嘗試更為靈活的相機(jī)組合方式。

（2）精度方面，通過(guò)外業(yè)檢查點(diǎn)對(duì)模型的絕對(duì)精度的驗(yàn)證情況來(lái)看，基于輕型四旋翼無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)所建的三維實(shí)景模型其平面和高程中誤差均可達(dá)到兩個(gè)像素以內(nèi)，并且其高程精度略高于平面精度。

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