無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量三維建模及精度評(píng)定

倪爾瑞

(安徽省第四測(cè)繪院)

1 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)分析

1.1 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，是通過在無人機(jī)底部安裝不同角度的高分辨率攝像頭，在同一地點(diǎn)對(duì)同一地物進(jìn)行多角度拍攝，采集大量的地物紋理及其位置信息，然后對(duì)每個(gè)地物點(diǎn)進(jìn)行立體成像，最終形成三維立體圖，同時(shí)獲取DEM數(shù)據(jù)。

與傳統(tǒng)的攝影測(cè)量技術(shù)相比，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可以獲取目標(biāo)點(diǎn)5個(gè)方向（垂直、左視、右視、前視、后視）的影像，并可生成三維實(shí)景模型。

1.2 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)

就無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)而言，其不僅可以獲取目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)和影像信息，而且可以生成三維實(shí)景模型，真實(shí)地展現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)周圍環(huán)境。同時(shí)，該技術(shù)還具有突出的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①獲取的影像具有高精度、高分辨率，能夠快速搭建研究地區(qū)的二維和三維地理信息；

②生成的三維模型具有可量測(cè)性，使得攝影測(cè)量的應(yīng)用范圍擴(kuò)大；

③可采集地物側(cè)面的紋理，在一定程度上降低了三維建模的成本；

④與正射影像三維GIS相比，無人機(jī)攝影傾斜技術(shù)生成的模型數(shù)據(jù)量較小，為其共享和發(fā)布提供了便利[1]。

2 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的三維建模方法

2.1 三維數(shù)據(jù)的采集

根據(jù)相關(guān)法律及規(guī)范規(guī)定，結(jié)合測(cè)區(qū)的實(shí)際情況，確定航拍的航高、航飛時(shí)間，合理設(shè)計(jì)航線，從而保障無人機(jī)傾斜攝影的質(zhì)量。

①航高的確定，根據(jù)攝影測(cè)量的要求，設(shè)定適宜的航高，保障影像的質(zhì)量。

②航飛時(shí)間的確定，因航攝時(shí)間受天氣條件的限制，所以在確定航飛時(shí)間的過程中，應(yīng)盡量選擇能見度高、晴天、氣流相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間進(jìn)行飛行，從而保障無人機(jī)航飛和攝影的有效性。

③航線的設(shè)計(jì)，根據(jù)航空攝影相關(guān)規(guī)范，合理地設(shè)計(jì)測(cè)區(qū)的航線，一般設(shè)計(jì)為南北向或東西向的直線飛行，如果有特定條件的，應(yīng)以專業(yè)測(cè)繪的需要或者地形走向進(jìn)行航線的設(shè)計(jì)[2]。當(dāng)檢查出現(xiàn)不合格航片時(shí)，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)飛，且按原設(shè)計(jì)航線進(jìn)行補(bǔ)攝。

2.2 三維數(shù)據(jù)的處理

通過Context Capture實(shí)景建模軟件，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并進(jìn)行三維建模。建模流程為：

①同步采集無人機(jī)數(shù)據(jù)和地面數(shù)據(jù)；

②以Context Capture實(shí)景建模軟件為基礎(chǔ)，結(jié)合影像的外方位元素，進(jìn)行全自動(dòng)空三解算；

③通過智能人機(jī)交互技術(shù)，實(shí)現(xiàn)采集獲取影像數(shù)據(jù)的融合，然后生成一體化的三維模型；

④切分和輸出三維模型；

⑤檢查和控制數(shù)據(jù)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，保障成果符合質(zhì)量要求；

⑥輸出數(shù)據(jù)成果[3]。

3 案例分析

3.1 測(cè)區(qū)概況

本項(xiàng)目以皖北某平原地區(qū)為例，測(cè)區(qū)面積約1km2，測(cè)區(qū)內(nèi)地形高差約7m。該測(cè)區(qū)的建筑物密度較大，房屋最高可達(dá)45m，傳統(tǒng)測(cè)繪無法有效測(cè)繪隱蔽地物點(diǎn)。故采用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，對(duì)該測(cè)區(qū)進(jìn)行1:500不動(dòng)產(chǎn)測(cè)繪成圖作業(yè)。

3.2 具體的實(shí)施方案

3.2.1 準(zhǔn)備工作

3.2.1.1 航測(cè)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用大疆M600Pro作為飛行平臺(tái)，如圖1所示，搭載REALCAM524五鏡頭（1個(gè)下視4個(gè)傾斜鏡頭）傾斜相機(jī)總像素1.2億，下視焦距20mm，斜視焦距35mm，為定焦連續(xù)拍攝，最小曝光間隔0.8s。

3.2.1.2 航空攝影技術(shù)參數(shù)設(shè)定

此次航空攝影飛行相對(duì)高度約為80m，地面分辨率優(yōu)于0.02m；采用的是五鏡頭傾斜相機(jī)，單鏡頭2400萬像素，相機(jī)焦距20mm像元分辨率3.9μm；傾斜像片傾斜角為45°，航向和旁向重疊度控制在75%以上，航向上航線的有效航片要超出成圖范圍約80m，旁向至少超出范圍線一條航線。根據(jù)測(cè)區(qū)的要求和實(shí)際情況，航線設(shè)計(jì)如下圖2所示。

3.2.2 像控測(cè)量

本實(shí)驗(yàn)區(qū)布設(shè)了25個(gè)像控點(diǎn)，像控點(diǎn)間距為200m。在實(shí)際的測(cè)量過程中，在確保成果質(zhì)量的前提下，只使用了15個(gè)像控點(diǎn)參與加密，剩余的其他控制點(diǎn)作為檢查點(diǎn)。在布設(shè)像控測(cè)量時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)內(nèi)容：

①像控點(diǎn)全部布設(shè)為平高點(diǎn)，以區(qū)域網(wǎng)為基礎(chǔ)進(jìn)行像控點(diǎn)的布設(shè)，布設(shè)的順序?yàn)?，先布設(shè)目標(biāo)范圍的周邊，后布設(shè)測(cè)區(qū)中間地帶；

②每平方千米范圍內(nèi)像控點(diǎn)布設(shè)數(shù)量應(yīng)在20個(gè)以上；

③根據(jù)航線計(jì)劃圖和村莊分布進(jìn)行像控點(diǎn)的布設(shè)，保證布點(diǎn)均勻且任意一個(gè)自然村應(yīng)具有5個(gè)以上的像控點(diǎn)，使得外圍像控點(diǎn)連線可以包裹目標(biāo)村莊；

圖1 無人機(jī)設(shè)備

④自由圖邊的像控點(diǎn)，應(yīng)將其布設(shè)在圖廓線外。

3.2.3 航空攝影實(shí)施

了解當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件和狀況，選擇恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間進(jìn)行航攝，盡量避開大風(fēng)、雨水天氣。就航攝來說，操作人員和機(jī)組人員應(yīng)早到現(xiàn)場(chǎng)，檢查維護(hù)航攝硬件并使其處于最佳狀態(tài)，等到合適的航攝時(shí)間，按照預(yù)先設(shè)計(jì)的航線進(jìn)行航空攝影工作，力爭(zhēng)在同一架次或相似的氣候條件下完成航飛任務(wù)。

3.2.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

就內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理來說，其流程為：以傾斜影像、控制點(diǎn)為基礎(chǔ)，重建具有高絕對(duì)精度的三維模型；根據(jù)重建的三維模型，進(jìn)行線劃圖的繪制。本測(cè)區(qū)的三維模型，如圖3所示，具有總體美觀、地物清晰的特點(diǎn)，并在三維模型上，通過EPS三維采集軟件進(jìn)行線劃圖采集，如圖4所示。

3.2.5 精度分析

利用全站儀實(shí)地采集的界址（房角）點(diǎn)坐標(biāo)與模型上采集的界址（房角）點(diǎn)坐標(biāo)反算點(diǎn)位距離，計(jì)算中誤差，分析其絕對(duì)精度；將鋼尺實(shí)地勘丈的地物邊長(zhǎng)與采集的地物平面圖上量取地物邊長(zhǎng)相比較，計(jì)算中誤差，分析其相對(duì)精度。

圖2 航線設(shè)計(jì)

3.2.5.1 絕對(duì)精度分析

考慮到全站儀設(shè)站及觀測(cè)誤差，采用同精度計(jì)算中誤差，中誤差計(jì)算公式為:

式中：m為中誤差；n為樣本個(gè)數(shù)；△為測(cè)量值與真實(shí)值之差。

全站儀實(shí)地采集界址（房角）點(diǎn)265個(gè)，剔除粗差點(diǎn)23個(gè)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，該檢測(cè)區(qū)域點(diǎn)位中誤差為4.2cm，點(diǎn)位距離差值如圖5所示。

3.2.5.2 相對(duì)精度分析

鋼尺勘丈無誤差累積，采用高精度計(jì)算中誤差，其中誤差計(jì)算公式為:

式中：m為中誤差；n為樣本個(gè)數(shù)；△為測(cè)量值與真實(shí)值之差。

實(shí)地勘丈邊長(zhǎng)158條，剔除粗差13條。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，該檢測(cè)區(qū)域邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差為5.93cm，勘丈邊長(zhǎng)差值如下圖6所示。

3.2.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

圖3 三維模型

圖4 成圖采集數(shù)據(jù)

圖5 點(diǎn)位距離差值

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)成圖精度較高，能滿足1:500不動(dòng)產(chǎn)成圖精度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

圖6 勘丈邊長(zhǎng)差值

綜上所述，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是現(xiàn)階段測(cè)繪行業(yè)的一種新興的測(cè)量技術(shù)，無需與被測(cè)量物體接觸，能夠保障測(cè)量結(jié)果的高精度和有效性，且在一定程度上節(jié)約了大量的人力和物力。在該技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用過程中，應(yīng)根據(jù)待測(cè)區(qū)域的實(shí)際情況，選擇恰當(dāng)?shù)脑O(shè)備，合理規(guī)劃航測(cè)時(shí)間和航線，并考慮天氣因素，從而保障航測(cè)的有效性、可靠性。