無人機傾斜攝影測量技術及其應用

彭海濤

摘要：無人機傾斜攝影作為一種先進的影像獲取手段，正在應用于各個行業(yè)及領域之中。其中無人機傾斜攝影測量技術的要求最為復雜，無論是在地面分辨率、航攝參數(shù)設置、鏡頭相機參數(shù)的要求上，還是獲取影像后的模型建立與數(shù)據(jù)采編上，都應遵循一定的規(guī)則。

關鍵詞：無人機;傾斜攝影;測量技術;應用

1 無人機傾斜攝影技術

無人機傾斜攝影技術是指通過利用多角度相機，來采集地面物體不同角度及不同高度的影像，憑借其高分辨率的航測影像技術，將具有豐富的地理信息數(shù)據(jù)，通過三維建模的方式來呈現(xiàn)真實場景的技術。

其技術路線是利用傾斜攝影系統(tǒng)，結合無人機的快速便捷的采集能力，將采集的數(shù)據(jù)快速生成三維模型。其中傾斜攝影系統(tǒng)共分為三大部分：一是飛行平臺，包括小型飛機或無人機;二是航飛操作人員;三是儀器部分，包括傳感器（相機、GPS定位裝置）和姿態(tài)定位系統(tǒng)。本文將對此技術路線的無人機硬件、飛行控制軟件、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行詳述。

2 無人機低空攝影

2.1 試驗數(shù)據(jù)介紹

試驗區(qū)為靈武市上元名城小區(qū)，范圍大約為1000m2，有高層建筑，地勢總體較為平坦，拍攝當天天氣晴朗，植被遮擋較少，適宜拍照。

根據(jù)測區(qū)實際情況，相對航高設計為160m，地面采樣間隔0.09m，航向和旁向重疊度均為70%。在完成地面站設置工作后，完成起飛工作，駕駛員操縱操作桿控制飛機起飛，地面站同時監(jiān)視飛機的姿態(tài)、飛速、航高、以及坐標位置，拍攝得到不同角度的影像。

2.2 像控點布設

控制點布設均勻地覆蓋在整個測區(qū)，標志清晰可見，方便像片刺點。試驗布設12個像控點，所有像控點皆為平高點。采用GPS靜態(tài)進行測量。試驗坐標系統(tǒng)采用西安獨立坐標系統(tǒng)。

2.3 數(shù)據(jù)處理關鍵技術方法

通過ContextCapture軟件對傾斜影像進行了處理，ContextCapture具有較高的自動化程度，無需過多的人工干預，且運行過程穩(wěn)定。

數(shù)據(jù)處理關鍵技術流程如下：

2.3.1 多視影像匹配

影像匹配主要通過SIFI特征匹配算法建立不同像片之間的聯(lián)系，獲取大量同名點用于后續(xù)的空中三角測量。SIFI特征匹配算法具有運算速度快、抗噪能力強等優(yōu)點，其可分為3個步驟：①檢測圖像;②生成SIFI特征描述符;③SIFI特征向量匹配。

2.3.2 空中三角測量

空中三角測量是傾斜攝影測量的核心步驟，通過前方交會和后方交會，利用區(qū)域內均勻分布的少量的控制點坐標，求解未知點坐標和影像的外方位元素，得到加密點的高程和平面位置，用于模型的絕對定向和后續(xù)產(chǎn)品的生成。目前無人機傾斜攝影測量內業(yè)數(shù)據(jù)處理多采用光束法區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差，其利用2種不同觀測手段得到的數(shù)據(jù)進行平差，將GPS/IMU的初始信息，即像片的POS姿態(tài)數(shù)據(jù)作為外方位元素的初始值和控制點坐標數(shù)據(jù)聯(lián)合進行平差。

光束法區(qū)域網(wǎng)平差是以一張拍攝像片的一束光線作為平差基本單元，平差過程以共線方程作為平差的數(shù)學模型，以相鄰像片公共點對相交且坐標相等、外業(yè)測量控制點與內業(yè)像片標定控制點坐標相等為平差條件，列出已知控制點和待定加密點的誤差方程，進行平差計算，求解出每張像片的外方位元素，然后前方交會求出加密點地面坐標。具體流程是將傾斜影像帶有的POS數(shù)據(jù)作為初始外方位元素，然后通過自動選點、自動相對定向、構建自由航帶網(wǎng)等技術實現(xiàn)相對空中三角測量，之后通過控制點的半自動量測，加入控制點。通過光束法區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差實現(xiàn)絕對空中三角測量，并將整個模型納入到指定的坐標系統(tǒng)中。

2.3.3 多視影像密集匹配技術

密集匹配是傾斜攝影測量三維建模的關鍵技術之一，其目的是生成密集點云數(shù)據(jù)，在航帶重建完成之后，根據(jù)空中三角測量解算的外方位元素構建立體相對，使用多視影像匹配技術生產(chǎn)密集點云。相比傳統(tǒng)單一視角的立體匹配，多視影像匹配有2個優(yōu)勢：①多角度拍攝會產(chǎn)生大量的冗余信息，可用于矯正錯誤匹配信息，進而得到高精度的點云數(shù)據(jù);②多視角拍攝能夠減少拍攝盲區(qū)，盡可能實現(xiàn)全方位的模型特征重建。

2.3.4 構建不規(guī)則三角網(wǎng)

在生成密集點云的基礎上，通過構建不規(guī)則三角網(wǎng)實現(xiàn)每一個地物模型的重建，是實景三維建模的關鍵步驟之一。像片的重疊度和地物的復雜程度影響著三角網(wǎng)的構建密度，像片重疊度越高，三角網(wǎng)的構建越是密集;地物越復雜，就需要更加復雜和密集的三角網(wǎng)去反映地物的特征信息。

2.3.5 紋理映射

完成模型的初步重建之后，需要進行模型的貼圖工作，實現(xiàn)二維空間和三維物體表面之間一一對應的關系，得到符合真實色彩的三維模型。傾斜攝影測量能夠獲取地物多個角度的影像，在眾多影像中選取最優(yōu)的目標影像是紋理映射技術的關鍵，可通過計算每一個不規(guī)則三角網(wǎng)和對應影像區(qū)域的幾何關系實現(xiàn)三角網(wǎng)和目標影像的配準，之后將配準好的紋理貼圖到不規(guī)則三角網(wǎng)上，完成紋理映射。

2.3.6 核線重采樣

根據(jù)空三解算的外方位元素獲得核線影像，核線影像不僅能夠達到立體視覺效果，而且能夠增加同名像點搜索的速度。核線重采樣就是找到核線影像原始影像的坐標變換關系，此時原始影像坐標可能在幾個像元之間，就需要對原始影像進行重采樣得到核線影像的灰度值。常用的重采樣方法有雙線性內插法、最鄰近像元、立方卷積等方法。

3 應用實例

測區(qū)位于靈武市生態(tài)紡織園產(chǎn)業(yè)工人保障房，測區(qū)占地面積為30萬m2。依據(jù)作業(yè)需求，需要建立測區(qū)三維實景模型，并繪制符合精度要求的1∶500數(shù)字線劃地圖。作業(yè)采用中海達D6無人機搭載中海達miniQ5傾斜相機進行航攝工作，飛行高度設為100m。采用賓得R422NM全站儀進行平面精度檢驗，采用天寶DiNi03型水準儀進行高程精度檢驗。

測區(qū)共計布設像控點8個，精度檢查點20個，單體建筑空間精度檢查點10組。利用ContextCapture進行影像匹配及模型建立工作。利用清華山維EPS進行數(shù)字線劃圖的制作。（1）模型中檢查點平面誤差最大值達到0.110m，平均值為0.072m，檢查點的平面中誤差為0.074m，小于GB/T23236-2009《數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范》對于平地環(huán)境下1：500測圖比例尺平面檢查點最大限值應小于0.175m的要求。（2）模型中檢查點高程誤差最大值達到0.265m，平均值0.079m，檢查點高程中誤差為0.095m，小于GB/T23236-2009《數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范》對于平地環(huán)境下1：500測圖比例尺高程檢查點最大限值應小于0.15m的要求。（3）測區(qū)模型精度已達到測繪級精度，可以在測繪領域中應用。

4 結語

文中通過完整的技術流程及檢驗流程，將無人機傾斜攝影測量的基本要求及航攝方法進行了研究，得出以下結論：（1）無人機傾斜攝影測量技術在一定領域可以替代傳統(tǒng)測繪方法，在保證精度的同時，提高了作業(yè)效率，降低了人力資源的投入與項目成本的投入，使測繪成果可視化、數(shù)字化。（2）隨著無人機技術的發(fā)展，搭載更為高級的傳感器進行飛行作業(yè)可以獲取更為豐富的數(shù)據(jù)信息，將會進一步拓展無人機測量技術的應用領域。（3）無人機傾斜攝影測量技術在完善的航攝方案的支持下，可以對地物的表面紋理信息進行全面的采集，通過重疊影像特征點匹配法建立的模型滿足1：500數(shù)字線劃地圖制作的基本要求。

參考文獻：

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