無人機傾斜攝影技術(shù)在大比例尺地形圖測繪中的應用研究

程玉紅

（山西省基礎(chǔ)地理信息院，山西 太原 030001）

無人機傾斜攝影技術(shù)的基本原理，就是以無人機為平臺，通過搭載多個高分辨率的影像采集設備，從空中不同多角度來采集影像數(shù)據(jù)以便更為完整準確地獲取地面物體信息。無人機傾斜攝影技術(shù)在我國已經(jīng)得到了進一步發(fā)展，多數(shù)地區(qū)的實踐經(jīng)驗均證明，該技術(shù)的出現(xiàn)進一步提高了大比例尺地形圖的測量質(zhì)量與效率，值得關(guān)注。

1 無人機傾斜攝影技術(shù)分析

1.1 無人機傾斜攝影技術(shù)的技術(shù)特征

隨著我國無人機傾斜攝影技術(shù)的進一步發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，該技術(shù)的主要特征表現(xiàn)在以下幾方面：

a）多視影像聯(lián)合平差技術(shù)。該技術(shù)又被認為是整個無人機傾斜攝影技術(shù)的核心技術(shù)，其中的主要內(nèi)容是將攝像劃分為兩種，分別為垂直攝影攝像與傾斜攝影攝像。從技術(shù)角度來看，在無人機傾斜攝影技術(shù)中主要將平差分為3 個部分，分別為直接定向傾斜攝像、無約束的區(qū)域網(wǎng)平差與有約束的區(qū)域網(wǎng)平差。

b）多視攝影的密集匹配。一般在大比例尺地形圖測繪期間，工作人員需要面臨很多問題，而其中的重點就是因為分辨率以及地形變化而對攝影結(jié)果產(chǎn)生的影響，這些因素都會造成影像效果不理想，甚至演變成為影響嚴重的干擾問題。所以單純通過匹配方法難以適應未來需求，且圖像的密集匹配效果也不盡滿意，更無法滿足圖像建模要求。所以針對這種情況，相關(guān)學者開始通過密集實驗來解決無人機傾斜攝影技術(shù)的缺陷，而多視攝影技術(shù)密集匹配的出現(xiàn)，能夠滿足高精度的地形數(shù)據(jù)測繪需要，保證圖像三維建模的精準度更高。

1.2 無人機傾斜攝影技術(shù)在大比例尺地形圖中的應用可行性

無人機傾斜攝影技術(shù)的出現(xiàn)可以通過三維建模等現(xiàn)代化手段來適應復雜環(huán)境下的圖像處理要求，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，該技術(shù)最主要的特征就是能夠?qū)Σ杉降牡匦螖?shù)據(jù)做數(shù)字三維模型處理，通過三維模型的轉(zhuǎn)換來直接獲得地形圖數(shù)據(jù)，因此與傳統(tǒng)的立體測圖技術(shù)相比具有更高的精準度。有研究認為，現(xiàn)代社會發(fā)展對大比例尺地形圖的精準度提出了更高的要求，該技術(shù)的出現(xiàn)適應了社會發(fā)展要求，并彌補傳統(tǒng)技術(shù)在地形測繪中的不足，通過多個鏡頭能夠盡可能多地采集圖形圖數(shù)據(jù)，提高了工作效率，工作人員能夠在地形圖的基礎(chǔ)上大量獲取地理信息資料，滿足測繪的需要[1]。同時，無人機傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展并不是單一的，有學者開始將GIS 技術(shù)、RS 技術(shù)納入到技術(shù)體系中，實現(xiàn)了對無人機傾斜攝影技術(shù)的創(chuàng)新，取得了預期效果[2]。

2 無人機傾斜攝影技術(shù)在大比例尺地形圖的應用實例分析

2.1 案例簡介

該測繪區(qū)位于城市西側(cè)，海拔平均高度為（32.61±8.36）m，在外業(yè)航空攝影中采用了技術(shù)成熟的大疆系列四旋翼無人機，無人機上裝備了兩臺SONY 系列微單相機，與垂直方向形成45°夾角；無人機分別沿著南北、東西航線各飛行一次，用以獲得詳細的地形圖資料；同時再裝備一個SONY 系列單相機做垂直攝影，用以測量地物頂面紋理。本次設計的航線高度為100 m，航向與旁向重疊度分別為80%、75%，共設置航線20 條，獲得有效圖像640張；之后為了提高后續(xù)圖像處理的質(zhì)量，在測量范圍內(nèi)采用均衡布點的方法，用以鞏固無人機傾斜攝影效果。本次項目中的關(guān)鍵技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 無人機傾斜攝影技術(shù)的技術(shù)路線

2.2 實景的三維圖像建模

本文所介紹的案例，以大疆系列無人機為飛行平臺，搭載傾斜相機，通過傾斜攝影的方法獲得了目標區(qū)域內(nèi)的地形資料；在構(gòu)建實景三維模型期間，依靠目前成熟的三維圖像技術(shù)，根據(jù)圖像中地物的地貌特征點、特征線與特征面等進行圖像設置，通過內(nèi)業(yè)編輯形成了地形圖，這種設計方法能夠最大程度上提高外業(yè)測繪深度，提高了大比例尺地形圖的制作精度。因此在實景三維模型的構(gòu)建中，通過設置多個像控點進行解算，通過ContextCapture 軟件（以下簡稱CC 軟件）完成三維圖形建模。

2.2.1 構(gòu)建工程

在加載圖像的影像數(shù)據(jù)之后，設置相機參數(shù)并編輯其中的POS 數(shù)據(jù)；引入目標區(qū)的各個控制點之后檢查各點數(shù)據(jù)精準性，構(gòu)建3D 模型。由于本次項目中用于無人機傾斜攝影技術(shù)的相機為兩個，因此設置兩個相機文件，并根據(jù)相機的采集數(shù)據(jù)分別將其上傳到相對應的文件夾中；以原始的POS 數(shù)據(jù),坐標為WGS-84 坐標系/或者按中文寫成1984 坐標系，采用參數(shù)模型以及大地水準面補償模型轉(zhuǎn)換到當?shù)仄矫妗?/p>

2.2.2 傾斜攝影空中的三角測量

在無人機傾斜攝影技術(shù)中，采用區(qū)域網(wǎng)五點布設法，即在四周分別布設一個點，在中心區(qū)域布設一個點，該方法可以有效滿足傾斜攝影空中三角測量的要求；數(shù)據(jù)處理階段采用空三加密處理的方法，將圖像模型的精度設置為1.82pix，將像控點的平度平面誤差控制在0.032～0.033 m 內(nèi)，同時注意檢查各個監(jiān)測點的精度，避免因為精度問題造成測量質(zhì)量下降。

2.2.3 通過CC 軟件加載三維模型實景圖

通過無人機測量模塊中所儲存的資料，經(jīng)過像對、格網(wǎng)、轉(zhuǎn)換等流程將圖像轉(zhuǎn)變?yōu)?D 模型，該模型采用了OSGB 格式，在轉(zhuǎn)變?yōu)楦叱棠Ｐ椭?，直接加載模型就可以直接獲得實景三維模型。

2.3 采集地形及地物信息

在上述無人機三維模型的基礎(chǔ)上，通過三維實景模型的空間測量，采集模型中的空間算量，并通過旋轉(zhuǎn)模型的方法實現(xiàn)對目標地區(qū)的多角度觀察，及時獲得地形與地物信息采集工作，避免了傳統(tǒng)工作模式下需要大量外業(yè)作業(yè)問題，有效提高了工作效率。

2.4 無人機傾斜攝影技術(shù)的質(zhì)量保證措施

2.4.1 空中測量要點

為最大程度上確保三維模型測量精度，在技術(shù)應用階段需要根據(jù)無人機傾斜攝影技術(shù)的空間測量范圍與技術(shù)精度標準做反復測量。例如在本次工作中，無論是無人機采集的各種數(shù)據(jù)，都需要經(jīng)過預先操作的方法，根據(jù)預先操作時所反饋的結(jié)果調(diào)整無人機的飛行速度、圖像采集頻率等；針對數(shù)據(jù)采集過程中可能出現(xiàn)的精度不準確等問題，可將其作為初始數(shù)據(jù)，這樣有助于提高數(shù)據(jù)采集的精準度。最后在測量過程中注意觀察兩個相機的聯(lián)系，并按照地物頂面紋理來調(diào)整測量圖像，在連接匹配之后再進行校驗，這樣可以進一步提高測量精準度。

2.4.2 三維模型實驗數(shù)據(jù)的要點

在無人機三維模型實驗中，在通過無人機傾斜攝影技術(shù)獲得了目標地區(qū)的圖像信息之后，其三維模擬實驗數(shù)據(jù)處理中應該關(guān)注數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系問題。在本次項目中所采集的影像資料以圖片形式存在，在不同圖片中可能存在關(guān)聯(lián)性差的問題，可能會導致后期三維模型實驗處理中無法構(gòu)建完整的模型，最終影響了數(shù)據(jù)處理效果。所以針對這一問題，應該在兩個傾斜攝影相機的基礎(chǔ)上，結(jié)合地物頂面紋理結(jié)果對圖像做連續(xù)處理，這樣所獲得的三維模型才是連續(xù)的，滿足后續(xù)處理要求。

2.4.3 無人機傾斜攝影中的應用注意事項

a）在無人機傾斜攝影期間，可能會出現(xiàn)自遮擋與建筑物遮擋等問題，這一現(xiàn)象最終會影響圖像處理效果，所以在必要的情況下可以采用多次飛行測量的方法來降低此類問題的發(fā)生。

b）雖然本次實驗中所使用的大疆系列無人機以及SONY 技術(shù)成熟，但是在應用期間還是要充分考慮氣候等因素的影響，所以在作業(yè)時應該選擇光照良好、風力滿意的氣候條件下進行。

c）無人機在飛行期間可能會因為風力等因素影響而出現(xiàn)抖動等情況，造成像素位移，影響圖像清晰度，所以在攝影期間應該將像素控制在1/4 像素之下[3]。

3 無人機傾斜攝影技術(shù)在未來大比例尺地形圖測繪中的發(fā)展趨勢

隨著無人機技術(shù)以及攝像技術(shù)的進一步發(fā)展，在未來無人機傾斜攝影技術(shù)將會得到進一步的完善，不僅表現(xiàn)為各項功能的增強，而且可以適應更復雜環(huán)境下的地圖測繪要求。因此面對未來嚴格的大比例尺地形圖的測繪要求，工作人員應該積極探索無人機傾斜攝影技術(shù)的應用新方向，根據(jù)目前圖像測量的要求來創(chuàng)新應用路徑。例如目前5G 網(wǎng)絡技術(shù)蓬勃發(fā)展，無人機傾斜攝影技術(shù)與5G 的聯(lián)合將會進一步提高數(shù)據(jù)處理效果，各類圖像傳輸?shù)那逦?、速率更高，甚至可以滿足視頻傳輸要求，這樣可以進一步提高無人機傾斜攝影技術(shù)的功能。

4 結(jié)論

無人機傾斜攝影技術(shù)滿足大比例尺地形圖的測繪要求，本文所介紹的案例經(jīng)驗證明，在無人機傾斜攝影技術(shù)的支持下，工作人員獲得了詳細的地形地貌資料，提高了大比例尺地形圖的測繪質(zhì)量與效率，具有顯著優(yōu)勢。因此在未來工作中，工作人員應該積極探索無人機傾斜攝影技術(shù)的應用新方法，從三維圖像建模等技術(shù)入手創(chuàng)新工作方法，爭取進一步提高大比例尺地形圖的測繪質(zhì)量。