無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用

黃權(quán)進(jìn)

（貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局一總隊(duì)，貴州 貴陽(yáng) 551400）

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是多種技術(shù)的結(jié)合衍生，涵蓋了無(wú)人機(jī)技術(shù)、GPS定位技術(shù)、傾斜航空攝影技術(shù)等，將其應(yīng)用于測(cè)繪層面，是因?yàn)闊o(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)能更快地成圖且精度有保障，是當(dāng)前廣泛應(yīng)用于我國(guó)地形圖測(cè)繪、建筑工程測(cè)量、水利水電測(cè)量等領(lǐng)域的新興測(cè)繪技術(shù)。

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量原理

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)也就是利用無(wú)人機(jī)搭載多臺(tái)高分辨率相機(jī)在空中進(jìn)行拍攝，并且實(shí)現(xiàn)垂直角度和傾斜角度等多角度拍攝，全方位立體采集目標(biāo)區(qū)域圖像。一般而言，為了實(shí)現(xiàn)攝影目標(biāo)，無(wú)人機(jī)會(huì)搭載五鏡頭的攝影系統(tǒng)，借助GPS系統(tǒng)獲取目標(biāo)區(qū)域的數(shù)據(jù)，并將其運(yùn)用特殊處理技術(shù)形成數(shù)字影像構(gòu)建三維模型[1]。

2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量原理

2.1 傾斜攝影實(shí)現(xiàn)多角度拍攝

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的關(guān)鍵之一是能實(shí)現(xiàn)多角度拍攝，即攝影過(guò)程中既能實(shí)現(xiàn)垂直攝影又能實(shí)現(xiàn)傾斜攝影。傾斜攝影是利用無(wú)人機(jī)飛行角度進(jìn)行拍攝，也稱為多視影像聯(lián)合平差，是傳統(tǒng)攝影技術(shù)無(wú)法企及的優(yōu)勢(shì)之一。

2.2 傾斜攝影數(shù)據(jù)采取全面

傳統(tǒng)攝影測(cè)繪不會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)物出現(xiàn)較大的形變、分辨率也不會(huì)變化太大，但傾斜攝影多角度拍攝則會(huì)導(dǎo)致形變和分辨率發(fā)生較大變化，不利于進(jìn)行實(shí)景匹配。因此，為了解決形變和分辨率衍生出了密集匹配技術(shù)，利用大量的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行細(xì)化描述，精準(zhǔn)獲取區(qū)域目標(biāo)的地理信息，多維度進(jìn)行匹配，將目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的物體三維模型構(gòu)建出來(lái)，為繪制高精度的地形圖提供便利。

2.3 傾斜攝影可直接構(gòu)建三維模型

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取的影像經(jīng)過(guò)處理后，能直接進(jìn)行三維模型的構(gòu)建，利用所獲取的多角度數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，以大基數(shù)數(shù)據(jù)支撐三維模型圖構(gòu)建，在此基礎(chǔ)上還能進(jìn)行方法演變，通過(guò)紋理構(gòu)建三維模型或者借助軟件構(gòu)建三維模型，整體來(lái)說(shuō)比傳統(tǒng)攝影更加直接方便。

3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在大比例尺地形圖中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

3.1 有助于優(yōu)化減少數(shù)據(jù)誤差

無(wú)人機(jī)傾斜攝影在大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)之一，是能夠有效減少數(shù)據(jù)誤差。首先，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)能有效保障拍攝的相片的原始分辨率，只要將航飛的參數(shù)即航高、鏡頭焦距等設(shè)置妥當(dāng)，就能有效提高攝影的分辨率，保障數(shù)據(jù)的精確度。其次，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)能保障空三加密的精度，以往的技術(shù)在進(jìn)行空三加密時(shí)會(huì)出現(xiàn)匹配錯(cuò)誤的現(xiàn)象，而無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可以采取人工干預(yù)，不斷優(yōu)化空三成果精度，盡可能保障地形圖繪制精度。最后，地形圖的繪制工作需要進(jìn)行人工采集，一些矢量會(huì)因?yàn)槿说囊曈X(jué)誤差而發(fā)生變化，無(wú)人機(jī)傾斜攝影相對(duì)只需要調(diào)整角度就能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，一定程度上保障了數(shù)據(jù)的精確性和地形圖繪制的質(zhì)量[2]。

3.2 有效提高地形圖繪制效率

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在地形圖繪制中，能夠結(jié)合GPS技術(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)的定位，在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)合理布設(shè)GPS就能幫助提高無(wú)人機(jī)獲取的地理位置的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，并且通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)生成的效果圖，能更加直觀地幫助繪制人員觀察地形，同時(shí)也可以減少核對(duì)人員的工作量。大比例尺地形圖跨度大，以往需要核對(duì)人員親臨現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行核查，但運(yùn)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)就能減少這一環(huán)節(jié)工作，同時(shí)也能保障地形圖繪制的準(zhǔn)確度，極大地提高了大比例尺地形圖繪制工作的開展效率，也為繪制質(zhì)量提供了保障。

3.3 控制成本

傳統(tǒng)大比例地形測(cè)繪外業(yè)測(cè)量人員投入多、成本開支大，而利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行大比例尺地形測(cè)繪能有效減少人員的投入，從而控制外業(yè)成本。

4 實(shí)際案例應(yīng)用

案例研究區(qū)域位于貴州省清鎮(zhèn)市新店鎮(zhèn)鴨店河老街，項(xiàng)目要求測(cè)量老街1∶500地形圖，便于統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)。

4.1 外業(yè)設(shè)備及參數(shù)設(shè)置

一般而言，無(wú)人機(jī)傾斜攝影在測(cè)繪領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)是外業(yè)傾斜攝影航線設(shè)計(jì)，也就是在開展無(wú)人機(jī)傾斜攝影之前，優(yōu)先將無(wú)人機(jī)的拍攝航線設(shè)定好，設(shè)定無(wú)人機(jī)的分型高度、分辨率要求等相關(guān)參數(shù)，并在設(shè)計(jì)圖中標(biāo)注明確，這樣方便后期數(shù)據(jù)處理時(shí)，進(jìn)行實(shí)際比例尺的換算，從而保障大比例尺地形圖的繪制精度[3]。

（1）人員設(shè)備。本次地形測(cè)量外業(yè)人員2名，分別負(fù)責(zé)像控點(diǎn)的采集和無(wú)人機(jī)飛行。采用大疆精靈4Pro無(wú)人機(jī)執(zhí)行飛行任務(wù)，Phantom 4 Pro v2.0相機(jī)配備2000萬(wàn)像素。像控點(diǎn)使用中海達(dá)RTK V30連接CORS站，強(qiáng)制對(duì)中桿對(duì)中進(jìn)行外業(yè)采集。

（2）參數(shù)設(shè)置。航向設(shè)置為70、旁向設(shè)置為60，由于高差相對(duì)較大所需飛行高度定為150m，共航飛5個(gè)架次，用時(shí)90min共采集影像847片。

4.2 像控點(diǎn)的布設(shè)

像控點(diǎn)的布設(shè)在無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量中是非常重要的一個(gè)階段，像控點(diǎn)的布設(shè)精度及位置分布直接影響整個(gè)項(xiàng)目的質(zhì)量及成圖精度。像控點(diǎn)坐標(biāo)成果表如表1所示。

表1 像控點(diǎn)坐標(biāo)成果表

（1）像控點(diǎn)宜布置在明顯的標(biāo)志物上，以控制內(nèi)外業(yè)的精度。

（2）布設(shè)像控點(diǎn)的標(biāo)志物不宜過(guò)小，一般在70～80cm。采集的點(diǎn)位應(yīng)在標(biāo)志物相對(duì)明顯的一端，以保證在內(nèi)業(yè)處理過(guò)程中不易出錯(cuò)。

（3）像控點(diǎn)應(yīng)選擇在開闊且平坦地區(qū)布設(shè)，避免布設(shè)在容易遮擋的地方。

（4）標(biāo)志物應(yīng)選擇持久存在以及顏色對(duì)比鮮明的物質(zhì)，如噴漆、深色膠帶等。

4.3 數(shù)據(jù)處理

無(wú)人機(jī)在地圖測(cè)繪中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于可以全方位多角度進(jìn)行攝影，并且在無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理層面，本案例中使用的ContextCapture Center Master空三數(shù)據(jù)處理軟件，不僅能夠在線自動(dòng)校準(zhǔn)，保障數(shù)據(jù)處理的精確性，還能自動(dòng)處理低空影像進(jìn)行空中三角控制平差。其改變了傳統(tǒng)的建模方式，將自動(dòng)、人工、半自動(dòng)合理切換運(yùn)用。也提高了數(shù)據(jù)獲取的精確度，從而可以精準(zhǔn)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)、三維模型圖、空三加密成果的數(shù)據(jù)。并且ContextCapture Center Master空三數(shù)據(jù)處理軟件還能配合其他軟件，靈活搭配，拓寬了數(shù)據(jù)處理及影響應(yīng)用的范圍。ContextCapture Center Master空三數(shù)據(jù)處理軟件也能提高生成DEM、DOM的效率，加快運(yùn)算速度，總體來(lái)說(shuō)，優(yōu)勢(shì)還是較為顯著的。另外，ContextCapture Center Master空三數(shù)據(jù)處理軟件還能借助南方影像處理平臺(tái)，對(duì)平臺(tái)內(nèi)的信息和資源進(jìn)行良好運(yùn)用，也能及時(shí)檢測(cè)云處理平臺(tái)的硬件系統(tǒng)等運(yùn)行情況。云處理平臺(tái)切實(shí)為無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理提供了強(qiáng)大的后臺(tái)支撐，極大地提高了無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理的工作效率，加快了大比例尺地形圖的繪制進(jìn)程[4]。

將外業(yè)采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入ContextCapture Center Master，開始第一次空三計(jì)算，計(jì)算成功后輸入像控點(diǎn)進(jìn)行第二次空三計(jì)算，最終完成三維模型的提取。通過(guò)對(duì)三維圖形的可視化處理就能夠真實(shí)還原地表的影像數(shù)據(jù)，便于直觀明了地觀察到地表全貌和地形分布特征，最終繪制項(xiàng)目所需1∶500地形圖。

4.4 自檢自查

測(cè)繪工程是一門嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)科，所以自檢自查是任何測(cè)繪項(xiàng)目必不可少的一環(huán)，通過(guò)自檢自查能有效避免錯(cuò)誤并保證測(cè)量精度[5]。本案例利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行1∶500地形圖測(cè)繪通過(guò)內(nèi)外業(yè)的自檢自查，保證了項(xiàng)目所需的精度。

5 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影的數(shù)據(jù)獲取涵蓋了攝影時(shí)間、飛行、影像分辨率、補(bǔ)攝重?cái)z等，都是影響質(zhì)量的關(guān)鍵。因此，在進(jìn)行無(wú)人機(jī)傾斜攝影作業(yè)時(shí)，要設(shè)計(jì)好航線，將飛行的時(shí)長(zhǎng)、高度以及攝影旁向重疊度燈預(yù)先設(shè)定好，將相關(guān)數(shù)據(jù)嚴(yán)格控制在設(shè)定的取值內(nèi)，再進(jìn)行飛行拍攝。在拍攝完成后，要檢查獲取的影像質(zhì)量，分辨率、顏色飽和度、層次等都要達(dá)到預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)，一旦出現(xiàn)較明顯的質(zhì)量問(wèn)題，就要適時(shí)考慮補(bǔ)攝或者重?cái)z，以保障數(shù)據(jù)獲取的質(zhì)量及精度。文章分析了無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在大比例尺地形圖繪制中應(yīng)用，詳細(xì)闡述了無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的具體應(yīng)用及相關(guān)質(zhì)量控制內(nèi)容。由此可見，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在建筑工程測(cè)繪、大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用價(jià)值，不僅能有效滿足具體的精度測(cè)量要求，還能切實(shí)提高測(cè)繪工作的開展效率，為測(cè)繪工作質(zhì)量提供保障。實(shí)踐也表明該技術(shù)在其他廣大領(lǐng)域同樣得到了良好的應(yīng)用，相信今后無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用范圍也會(huì)更加廣闊，能夠?yàn)楦嘈袠I(yè)工作的開展提供便利。