基于精靈4-RTK 的大比例尺傾斜攝影測量成圖精度分析

傅必紅

（湖南省勘測設(shè)計院，湖南 長沙410014）

1 引言

近年來隨著測繪技術(shù)裝備水平的不斷提高，攝影測量繪制大比例尺地形圖在經(jīng)歷了模擬攝影測量、解析攝影測量和數(shù)字?jǐn)z影測量三個階段的演變后，現(xiàn)已進(jìn)入了全數(shù)字?jǐn)z影測量階段［1］。 目前傾斜攝影測量在獲取影像建立三維模型的應(yīng)用中，精靈4-RTK 無人機(jī)有著機(jī)動靈活、獲取數(shù)據(jù)周期短、成本低、影像分辨率高、建筑側(cè)面紋理信息豐富等優(yōu)勢，因而在測繪行業(yè)內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。 目前市場上主要有法國Acute3D 公司旗下的Context Capture、瑞士Pix4D 公司的Pix4D Mapper 和俄羅斯的Photoscan等建模軟件，他們在計算機(jī)協(xié)同處理、自動化建模、無像控點(diǎn)的影像特征匹配算法等方面有著各自的優(yōu)勢［2］ 。

本文利用大疆公司生產(chǎn)的精靈4-RTK 和法國Acute3D 的Context Capture 軟件，通過項(xiàng)目實(shí)例詳細(xì)闡述了傾斜攝影測量以及三維測圖的實(shí)施過程和方法，并對生產(chǎn)出的地形圖進(jìn)行精度分析論證，以推動精靈4-RTK 傾斜攝影測量在大比例尺測圖中的應(yīng)用。

2 技術(shù)流程圖

基于精靈4-RTK 傾斜攝影測量繪制大比例尺地形圖的技術(shù)流程圖［3］如圖1 所示。

3 傾斜航測數(shù)據(jù)采集

3.1 飛行前準(zhǔn)備

飛行前首先通過GOOGLE EARTH 劃定航測區(qū)域邊界，作為外業(yè)航測邊界柵欄。

圖1 技術(shù)流程圖

3.2 像控點(diǎn)布設(shè)

像控點(diǎn)是空中三角測量的解算基礎(chǔ)，它的精度、可靠性、密度和分布形式都直接影響模型的解算精度。 本文研究測區(qū)面積約0.1 km2，東西向長約330 m，南北向長約300 m。 在此航攝區(qū)域內(nèi)共布設(shè)5 個像控點(diǎn)和12 個檢查點(diǎn)。 像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)的坐標(biāo)通過HNCORS 采集，每個點(diǎn)獨(dú)立觀測3 次，取中數(shù)為該點(diǎn)的測量成果。

3.3 影像數(shù)據(jù)獲取

在無人機(jī)航測獲取影像數(shù)據(jù)的過程中影響航測數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要因素有：相對航高、像片重疊和航線設(shè)置方式等參數(shù)，在航線布設(shè)的過程中應(yīng)設(shè)置合理的參數(shù)，以保證航攝像片的質(zhì)量。

（1） 航高設(shè)置。 航高設(shè)置公式為：

式中，H為相對航高；f為相機(jī)焦距；GSD為地面分辨率；α為像元大小［4］。 本次航攝實(shí)驗(yàn)區(qū)域地勢較平坦，視野條件較好，將航高設(shè)為100 m，計算可得到地面分辨率GSD為2.74 cm／ pix。

（2） 像 片 重 疊。 依 據(jù) 規(guī) 范 《 GBT 27920. 1—2011》5.1.1.3 制作真正射影像圖時，航向重疊度一般應(yīng)為80%，旁向重疊度一般應(yīng)為60%。 在精靈4-RTK傾斜攝影測量過程中需要考慮地物變形和遮擋的問題，為了獲取質(zhì)量較高的三維模型紋理，將兩者都設(shè)置為80%。

（3）航線設(shè)置。 本次航線設(shè)計由DJI GS RTK App 直接導(dǎo)入飛行前準(zhǔn)備的測區(qū)邊界文件，為了使精靈4-RTK 的單相機(jī)擁有和多鏡頭航攝一樣的效果，飛行方式選擇APP 內(nèi)置的攝影測量3D（井字飛行），DJI GS RTK App 會根據(jù)起飛起點(diǎn)、像片重疊和航高等參數(shù)自動計算最優(yōu)航線，如圖2。

圖2 航線布置圖

（4）數(shù)據(jù)采集。 在DJI GS RTK App 中檢查飛行器航測參數(shù)和現(xiàn)場環(huán)境后，完成自動航攝飛行，并對像片質(zhì)量進(jìn)行快速檢查，對不符合質(zhì)量要求的像片予以剔除并補(bǔ)拍。

4 三維實(shí)景重建

4.1 空中三角測量

空中三角測量是利用像片與所攝目標(biāo)之間的空間幾何關(guān)系，根據(jù)少量像片控制點(diǎn)，計算待求點(diǎn)的平面位置、高程和像片外方位元素的測量方法。 空中三角測量中首先檢查像片質(zhì)量和數(shù)量，再將其導(dǎo)入Context Capture 中讀取像片的POS 信息，輸入相機(jī)焦距等參數(shù)，再導(dǎo)入像控點(diǎn)坐標(biāo)，分別對每個像控點(diǎn)在像片上進(jìn)行判刺，每個同名像控點(diǎn)應(yīng)至少判刺4張清晰可見的像片，然后進(jìn)行第一次不引入像控點(diǎn)的自由空中三角測量解算，第二次引入像控點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行絕對空中三角測量解算，最后獲得空中三角測量結(jié)果。 本實(shí)例共判刺像控點(diǎn)5 個，解算連接點(diǎn)共111 077 個。

4.2 三維實(shí)景建模

在完成空中三角測量解算后，Context Capture能夠完成全自動化構(gòu)建三維模型，主要步驟是通過高密度點(diǎn)云構(gòu)建TIN 模型，然后對TIN 進(jìn)行紋理影像的配準(zhǔn)和貼附形成三維實(shí)景模型。

5 三維立體測圖

三維立體測圖是基于傾斜三維實(shí)景模型進(jìn)行的立體測圖，通過提取特征點(diǎn)三維坐標(biāo)繪制大比例尺地形圖，不再依托于傳統(tǒng)攝影測量硬件系統(tǒng)。 本文利用湖南中圖通地理遙感信息服務(wù)有限公司自主研發(fā)的基于CAD 的裸眼立體測圖軟件PSG 3D 繪制大比例尺地形圖，二三維聯(lián)動測圖如圖3 所示。

圖3 PSG 3D 聯(lián)動測圖

6 精度分析

為驗(yàn)證基于精靈4-RT 的傾斜攝影測量獲取的大比例尺地形圖的精度，根據(jù)測區(qū)情況，通過全站儀和RTK 進(jìn)行全野外特征點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。 本文提取均勻分布在整個測區(qū)的12 個檢查點(diǎn)和15 個房角特征點(diǎn)。 根據(jù)對比分析測區(qū)檢查點(diǎn)和特征點(diǎn)成果，得到表1、表2 精度統(tǒng)計表。

表1 檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計表

表2 三維立體測圖房角特征點(diǎn)精度統(tǒng)計表

通過對表1、表2 進(jìn)行統(tǒng)計分析可以看出，地物點(diǎn)平面中誤差為0.015 m， 三維立體測圖模擬地物特征點(diǎn)平面中誤差0.111 m，均小于0.20 m；地物點(diǎn)高程中誤差為0.085 m，小于0.17 m，實(shí)測中誤差均滿足《1 ∶500 1 ∶1 000 1 ∶2 000 外業(yè)數(shù)字測圖規(guī)程》（GB ／ T 14912—2017）精度要求。

7 結(jié)語

本文驗(yàn)證了基于精靈4-RTK 的大比例尺傾斜攝影測量的可行性，實(shí)驗(yàn)表明產(chǎn)品精度滿足國家規(guī)范要求。 目前，在電池能量密度不斷提高和相機(jī)參數(shù)不斷優(yōu)化下，精靈4-RTK 的傾斜攝影測量繪制大比例尺地形圖技術(shù)以它的高效性、低成本和靈活機(jī)動等優(yōu)勢，將會在城市規(guī)劃、數(shù)字城市、工程建設(shè)和應(yīng)急測繪中得到更加廣泛的應(yīng)用。