基于消費(fèi)級(jí)無人機(jī)傾斜影像的三維測(cè)圖技術(shù)探討

吳獻(xiàn)文，張 鵬，曾 琳

(1. 廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510510； 2. 中測(cè)科技(廣州)有限公司，廣東 廣州 510700)

傾斜攝影技術(shù)是目前測(cè)繪遙感領(lǐng)域新興發(fā)展的一項(xiàng)高新技術(shù)，融合了傳統(tǒng)的航空攝影、近景攝影測(cè)量、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)[1]，突破了正射影像成果不得不從航空垂直地面的角度攝影獲取的限制[2]，可以在飛行平臺(tái)同時(shí)搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從垂直、前視、后視、左視、右視共5個(gè)角度采集影像[3]，獲取地形地貌完整與精確信息。

但是，目前采集傾斜影像的設(shè)備主要為五鏡頭合成相機(jī)，飛行平臺(tái)是體積相對(duì)較大的無人機(jī)機(jī)型，不但價(jià)格昂貴，而且操控復(fù)雜、飛行風(fēng)險(xiǎn)較大，難以普及應(yīng)用。消費(fèi)級(jí)無人機(jī)的出現(xiàn)與普及，為傾斜影像采集與三維模型構(gòu)建，并應(yīng)用于大比例尺三維測(cè)圖帶來良好的契機(jī)。

1 實(shí)景三維測(cè)圖技術(shù)流程

利用傾斜影像進(jìn)行三維測(cè)圖技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)采集(影像采集、像控點(diǎn)測(cè)量)、空中三角測(cè)量、多視影像密集點(diǎn)匹配、數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)生成、紋理貼合、實(shí)景三維建模、三維測(cè)圖及外業(yè)調(diào)繪與補(bǔ)測(cè)等步驟[4]。其中，最關(guān)鍵步驟是通過空中三角測(cè)量解算出像片的外方位元素[5]，在此基礎(chǔ)上，通過多視影像密集匹配算法獲得點(diǎn)云，并紋理貼合生成三維模型，最后進(jìn)行三維測(cè)圖[6]。三維測(cè)圖技術(shù)流程如圖1所示。

2 實(shí)例分析

本文試驗(yàn)實(shí)例為廣東某糖廠計(jì)劃拆遷的廠區(qū)1∶500地形圖測(cè)量，范圍約500 m×400 m，面積約0.2 km2。

2.1 消費(fèi)級(jí)無人機(jī)傾斜影像采集系統(tǒng)

目前用于測(cè)繪的無人機(jī)種類眾多，有固定翼無人機(jī)、旋翼無人機(jī)和復(fù)合翼無人機(jī)等多種機(jī)型，具有不同特點(diǎn)及其適用領(lǐng)域[7]。多旋翼無人機(jī)起降、飛行速度與高度可操控性高，且可低空飛行，適合用于傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取。本文試驗(yàn)選用四旋翼無人機(jī)DJI Phantom 4pro。

DJI Phantom 4pro無人機(jī)由飛行器、云臺(tái)相機(jī)、遙控器及安裝飛控軟件的平板電腦(或智能手機(jī))組成[8]，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 DJI Phantom 4pro主要技術(shù)參數(shù)

2.2 數(shù)據(jù)采集

2.2.1 地面像控點(diǎn)布設(shè)

航空攝影之前，在試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量，用于內(nèi)業(yè)空中三角測(cè)量解算及三維模型精度檢驗(yàn)。在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)選擇道路邊線或中線交叉點(diǎn)、道路標(biāo)記線等作為像控點(diǎn)，采用GNSS RTK測(cè)量方法測(cè)出其坐標(biāo)，為了滿足試驗(yàn)要求，測(cè)量精度須達(dá)到厘米級(jí)。本次試驗(yàn)共測(cè)量15個(gè)像控點(diǎn)，其中10個(gè)像控點(diǎn)成果用于空中三角測(cè)量解算，另外5個(gè)像控點(diǎn)成果用于三維模型精度驗(yàn)證，如圖2所示。

2.2.2 航線設(shè)計(jì)與無人機(jī)影像采集

試驗(yàn)采用研究團(tuán)隊(duì)基于DJI-SDK自主開發(fā)的無人機(jī)地面控制軟件進(jìn)行航線設(shè)計(jì)。飛行前在飛行控制軟件上規(guī)劃航拍區(qū)域，設(shè)定飛行高度、優(yōu)化計(jì)算與否、相機(jī)傾角及影像重疊度等參數(shù)[9]，根據(jù)優(yōu)化算法軟件自動(dòng)生成1次正射和2次傾斜攝影的優(yōu)化飛行規(guī)劃航線，并自動(dòng)預(yù)估航時(shí)，根據(jù)需要智能續(xù)飛(如圖3所示)。本次試驗(yàn)航飛相對(duì)高度100 m，地面分辨率2.99 cm，旁向重疊度75%，航向重疊度80%，共采集1533張影像。

DJI Phantom 4pro無人機(jī)只有一個(gè)鏡頭，為了實(shí)現(xiàn)跟專業(yè)五鏡頭相似的效果，需要由軟件控制調(diào)動(dòng)鏡頭角度，垂直、前、后、左、右分別對(duì)建筑物航拍5遍，實(shí)現(xiàn)傾斜攝影數(shù)據(jù)采集。以廠房所在的煙囪為中心示意，垂直向下鏡頭采集影像與傾斜角度采集影像數(shù)據(jù)對(duì)比如圖4所示。

2.3 全自動(dòng)快速三維模型構(gòu)建

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)通常包括影像預(yù)處理、空中三角測(cè)量、多視影像匹配、DSM生成、真正射糾正和三維建模等關(guān)鍵內(nèi)容[10-11]。本次試驗(yàn)三維模型構(gòu)建采用ContextCapture軟件，將獲取到的符合建模要求重疊度的航空影像進(jìn)行預(yù)處理，并導(dǎo)入ContextCapture軟件，均勻挑選出一定數(shù)量的野外控制點(diǎn)，軟件則自動(dòng)匹配運(yùn)算，進(jìn)行三維模型生產(chǎn)。

2.3.1 空中三角測(cè)量

在ContextCapture自動(dòng)建模系統(tǒng)中加載測(cè)區(qū)影像，人工給定一定數(shù)量的控制點(diǎn)，軟件空中三角測(cè)量中的平差方法采用光束法區(qū)域網(wǎng)平差，其原理是以一張像片的一束光線作為平差單元，以中心投影共線方程作為基礎(chǔ)方程，通過計(jì)算各光束在空間中轉(zhuǎn)換參數(shù)[12]，實(shí)現(xiàn)各模型間公共光線的最佳交會(huì)，把整體區(qū)域納入地面坐標(biāo)系中，恢復(fù)地物空間位置關(guān)系[13]?？罩腥菧y(cè)量結(jié)果如圖5所示。

2.3.2 影像密集匹配

軟件采用高精度密集匹配技術(shù)，對(duì)所有影像中同名點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)匹配。為了更加精確表達(dá)地形地物細(xì)節(jié)，提取更多特征點(diǎn)構(gòu)成密集點(diǎn)云。地形地物越復(fù)雜、越密集的地方，點(diǎn)密度越高；反之，則相對(duì)稀疏。

2.3.3 紋理映射

通過空中三角測(cè)量解算和影像密集匹配后，所有影像之間的點(diǎn)云可計(jì)算構(gòu)成三角格網(wǎng)TIN，再由三角格網(wǎng)TIN構(gòu)成白模型，軟件從影像中提取相對(duì)應(yīng)紋理，并將紋理自動(dòng)映射到對(duì)應(yīng)的白模型上，形成實(shí)景三維模型，如圖6所示。

2.4 三維測(cè)圖

本文試驗(yàn)采用SV360智能三維測(cè)圖系統(tǒng)進(jìn)行地形圖測(cè)量。SV360操作簡(jiǎn)便，建立工程項(xiàng)目，導(dǎo)入三維模型后，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，由作業(yè)員在三維模型基礎(chǔ)上進(jìn)行點(diǎn)、線、面采集，按要求設(shè)定圖層并賦屬性信息，如圖7所示。內(nèi)業(yè)采集編輯完成后，還需對(duì)未能確認(rèn)的屬性與遮擋部分等內(nèi)容進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪與補(bǔ)測(cè)。

2.5 精度分析

成果完成后，主要采用人機(jī)交互檢查方式對(duì)試驗(yàn)區(qū)域的測(cè)圖成果進(jìn)行質(zhì)量檢查，本文試驗(yàn)主要對(duì)平面精度進(jìn)行檢查。

(1) 實(shí)景三維模型精度驗(yàn)證。實(shí)景三維模型生產(chǎn)完畢后，將未參與空中三角測(cè)量的像控點(diǎn)作為模型檢核點(diǎn)，檢查三維模型精度[14]，最終檢查結(jié)果為：X方向平均誤差為0.006 9 m，Y方向平均誤差為0.004 5 m，達(dá)到試驗(yàn)精度要求。

(2) 測(cè)圖成果精度驗(yàn)證。選取建(構(gòu))筑、道路、附屬設(shè)施等地物要素，采用GNSS RTK測(cè)量方法實(shí)地采集檢查點(diǎn)坐標(biāo)，與測(cè)圖成果進(jìn)行比較，經(jīng)符合要求的粗差剔除后，最終檢查結(jié)果為：平面中誤差為±0.065 4 m，成果滿足《CH/T 9008.1—2010基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶500、1∶1000、1∶2000數(shù)字線劃圖》中1∶500地形圖精度要求。

3 結(jié) 語

本文試驗(yàn)采用消費(fèi)級(jí)無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，充分利用了傾斜攝影技術(shù)的自動(dòng)化空中三角測(cè)量與快速建模優(yōu)勢(shì)[15]，短時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出高質(zhì)量、高精度三維模型，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了1∶500地形圖測(cè)量工作，技術(shù)路線可行，產(chǎn)品精度符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。此方法改變了以往測(cè)圖技術(shù)方法，將全野外工作轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕獌?nèi)業(yè)加部分外業(yè)調(diào)繪，大大減少野外工作量，數(shù)據(jù)采集更自主、更高效。實(shí)景三維測(cè)圖技術(shù)整體效率預(yù)期優(yōu)于傳統(tǒng)測(cè)繪方式，特別是采用價(jià)格低廉、操控簡(jiǎn)便的消費(fèi)無人機(jī)作為影像數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，具有推廣普及意義。