無人機傾斜攝影測量在大比例尺測圖技術(shù)中的應用研究

苗小芒

（鄭州工業(yè)應用技術(shù)學院 河南 新鄭 451100）

1 引言

無人機傾斜攝影系統(tǒng)即無人駕駛航空器，其采用無線電遙控設(shè)備及計算機程序進行自主操縱，系統(tǒng)中安裝導航裝置及自動駕駛儀，并搭載高分辨率多視角航空攝影設(shè)備，提前規(guī)劃好拍攝線路實現(xiàn)對目標區(qū)域的拍攝，獲取相關(guān)地物紋理信息。該系統(tǒng)可快速采集到野外影像數(shù)據(jù)，再通過數(shù)據(jù)處理軟件批量處理采集到的原始數(shù)據(jù)，最終獲得符合要求的數(shù)字化產(chǎn)品。飛機拍攝時會將攝影設(shè)備拍攝瞬間的姿態(tài)角及地理坐標同步記錄下來，利用Context Capture等專業(yè)航空攝影測量軟件處理數(shù)據(jù)，再通過密集匹配、構(gòu)建三角網(wǎng)、紋理映射等步驟，最終構(gòu)建出測量區(qū)域的實景三維模型。無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)集無人機技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、POS定位技術(shù)及GPS差分技術(shù)為一體，大大提高了數(shù)據(jù)測量及處理的效率[1]。

2 無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)的組成

無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)的主要構(gòu)成包括以下幾個部分。

2.1 無人機飛行平臺系統(tǒng)

無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)對無人機飛行平臺系統(tǒng)的基本要求就是平穩(wěn)的飛行姿態(tài)及更強的抗干擾能力。無人機飛行平臺包括機體、飛行控制系統(tǒng)、發(fā)動機、起飛著陸設(shè)備及其他輔助結(jié)構(gòu)等。目前，大部分無人機飛行平臺機體都采用重量較輕的玻璃鋼與碳纖維復合材料，能夠保證飛行平臺的穩(wěn)定性。飛行控制系統(tǒng)主要控制無人機的整個飛行過程，發(fā)動機則為無人機提供動力，起飛著陸設(shè)備主要用于無人機的起飛與著陸等。

2.2 導航及控制系統(tǒng)

飛行導航系統(tǒng)與控制系統(tǒng)包括飛控系統(tǒng)、GNSS接收機、GNSS/INS慣性導航系統(tǒng)及各類傳感器，包括紅外姿態(tài)、高度及速度傳感器。飛行導航與控制系統(tǒng)的主要作用就是對飛行器的飛行姿態(tài)及飛行軌跡進行控制，以保證飛行任務順利完成。其中GNSS/INS慣性導航系統(tǒng)主要對移動目標的空間位置及姿態(tài)進行測量，該系統(tǒng)可以向地面控制中心實時反饋曝光時刻影像的經(jīng)緯度、飛行高度及姿態(tài)等數(shù)據(jù)信息。

2.3 任務設(shè)備及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

任務設(shè)備的主要作用是采集、存儲測量到的影像數(shù)據(jù)，包括攝影機、攝影機控制系統(tǒng)及相關(guān)輔助裝置。目前無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)中采用的任務設(shè)備包括專業(yè)級與非專業(yè)級兩種，前者通常用于數(shù)字城市的構(gòu)建，其拍攝的影像幅面更大，但是其成本高，目前普及應用還不現(xiàn)實；非專業(yè)級的航攝相機精度基本可滿足一般的攝影測量要求。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的主要作用是向地面計算機存儲系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)，主要輸出內(nèi)容包括無人機與遙感設(shè)備的飛行參數(shù)及采集到的影像數(shù)據(jù)，實時測量無人機的高度、方位、航速、航向、飛行軌跡、飛行姿態(tài)等。

2.4 地面監(jiān)控系統(tǒng)

地面監(jiān)控系統(tǒng)的主要作用是對無人機的飛行姿態(tài)進行監(jiān)控，規(guī)劃測量區(qū)域的航線，并針對突發(fā)情況進行實時響應處理。地面監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)無人機的應用領(lǐng)域不同可分為大型系統(tǒng)與小型系統(tǒng)兩種，前者主要應用于軍事領(lǐng)域，后者更適用于民用領(lǐng)域，成本低、實用性更強。小型地面監(jiān)控系統(tǒng)可對無人機的飛行情況進行實時監(jiān)控，記錄相關(guān)飛行數(shù)據(jù)；監(jiān)控系統(tǒng)還具備導航地圖功能及航線制定功能，監(jiān)控人員可根據(jù)導航地圖制定飛行航線，并判斷無人機的精確位置，保證無人機工作過程中的安全性，提高工作效率。

3 無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)作業(yè)流程

無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)的作業(yè)流程包括制訂測量任務、申請空域、航線設(shè)計、飛行作業(yè)、數(shù)據(jù)檢查、影像處理及成果提交等步驟。航拍前技術(shù)人員要對被測量區(qū)域的基本概況有一定了解，確定測量范圍后選擇適用的攝影設(shè)備，確定攝影比例尺、航高、拍攝時間、無人機起降具體位置等。無人機飛行作業(yè)需經(jīng)過空域部門的批準才能進行，申請通過后開始設(shè)計航線及飛行作業(yè)，根據(jù)數(shù)字航空攝影規(guī)范調(diào)整無人機的航高、像片重疊度、航線參數(shù)等[2-3]。

3.1 航高確定

航高是無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置中一個重要參數(shù)，其包括絕對航高與相對航高、真實航高與攝影航高等，其中絕對航高是無人機相對于平均海平面的高度，相對航高則是指無人機相對于某一基準面的高度，真實航高是指相對于實際地面的高度，攝影航高則是指相對于攝影分區(qū)的平均平面高度。不同的航高計算公式也有所差異，實際應用時通常選擇攝影航高，可根據(jù)下式計算：

式（1）中：H：攝影航高

f：物鏡鏡頭焦距，由相機系統(tǒng)設(shè)定

GSD：航攝影像地面分辨率，由測圖比例尺決定

a：像元尺寸，由相機系統(tǒng)設(shè)定

其中，測圖比例尺決定GSD，通常成圖比例尺為1:500，影像地面分辨率小于0.05 m；成圖比例尺在1:1000，影像地面分辨率取值0.18～0.12 m；成圖比例尺1:2000，影像地面分辨率取值0.15～0.25 m。

3.2 設(shè)置相片重疊度及航線參數(shù)

相片重疊度分為兩種，即航向重疊度（縱向重疊）與旁向重疊度（橫向重疊），其中航向重疊度是指無人機作業(yè)過程中，同一航線上有前后兩張相鄰的相片對應同一部分地面影像，雖然兩張相片重疊部分對應同一地面，但是由于拍攝位置不同，所以相片影像也存在差異；旁向重疊度是指旁向重疊部分長度與整個相片長度的比值。由低空數(shù)字航空攝影規(guī)范可知，一般情況下無人機的航向重疊度為60%～80%，旁向重疊度為15%～60%，最小要大于8%。

3.3 航線參數(shù)設(shè)置

航線參數(shù)設(shè)置主要包括飛行航向及航線長度的確定，可用下式計算得出：

上式中，Bx：實地攝影長度；Dx：實地航線間隔寬度；Lx：像幅長；Ly：像幅寬；px：航向重疊度；qy：旁向重疊度；H：航高；f：物鏡鏡頭焦距。

3.4 數(shù)據(jù)處理

無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)采集到被測區(qū)域的原始數(shù)據(jù)后，要先進行影像質(zhì)量的檢查，剔除不合格數(shù)據(jù)，補拍不合格區(qū)域。影像質(zhì)量檢查會對最終的成果效果產(chǎn)生直接影響，而飛地質(zhì)量、影像質(zhì)量則是影響影像質(zhì)量的兩大重要因素，因此要仔細檢查航向重疊度、旁向重疊度、相片傾角與旋角、航線彎曲度與航高差等飛行質(zhì)量，也不能忽略影像清晰度、色調(diào)的一致性、層次是否鮮明或者反差是否合理等。此外，還要剔除重影、模糊、位置偏移、陰影、反光及存在明顯不清晰點等影像問題，剔除后的影像如果會對后續(xù)建模及測圖產(chǎn)生影響需要補拍；影像質(zhì)量檢查完畢后即可進行幾何校正、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差等處理，保證數(shù)據(jù)在三維空間中呈現(xiàn)出空間位置與姿態(tài)數(shù)據(jù)，最后相片上每個像素對應真實的地理坐標位置[4]。

4 無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)在大比例尺測圖技術(shù)中的應用實例

無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)的應用實例為測區(qū)面積約1.5 km2的山地，測區(qū)范圍內(nèi)高差150 m，一至二層房屋面積占測區(qū)總面積的2/3，余者為較裸露地形。

第1步規(guī)劃航線，結(jié)合所用的無人機性能及測區(qū)地形，任務區(qū)分為兩個架次，旁向重疊度、航向重疊度取80%，地面采樣分辨率0.05 m，規(guī)劃時為保證測區(qū)邊緣模型的完整性可將航線外擴兩個航高。第2步測量像控點，根據(jù)范圍線與地形情況設(shè)置23個像控點，每個像控點間距300 m。采集像控點時在測區(qū)隨機均勻采集35個平高點作為檢測點，主要是可以明顯反映在地形圖上的點位，比如房角點、道路交叉口等。第3步獲取影像數(shù)據(jù)，按照規(guī)劃好的航線拍照，采集數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)采集完成后查看影像質(zhì)量，經(jīng)過剔除、處理最終獲得有效影響15895張，整理POS數(shù)據(jù)，POS與影像一一對應。第4步采用Smart3D2019、EPS自動化建模軟件進行建模，先對兩架次影像進行重命名及預處理，整理POS數(shù)據(jù)，加載影像并將POS數(shù)據(jù)導入系統(tǒng)，提交空三任務，解算空中三解測量任務，導入23個像控點，并進行像控點點位轉(zhuǎn)刺，提交平差任務，像控點平面中誤差控制在0.005 m，高程中誤差控制在0.003 m；提交重建任務，確定平面規(guī)則格網(wǎng)劃分方式，最終完成實景三維模型。第5步制作大比例尺地形圖，將第3步完成的三維實景模型恢復到EPS軟件中，通過其中的三維采集功能的五點房命令采集模型數(shù)字線劃圖，采集完成后進一步完善房屋屬性；基于模型上打點采集高程，經(jīng)出裸露地形范圍線設(shè)置高程點密度，系統(tǒng)可自動提取高程點；基于正射影像采集平面位置，通過淹沒的方式采集等高線；如房屋有房檐直接在EPS軟件中改正即可。針對無法精準采集的點位可以通過空三成果采集立體像；針對無法辨別的獨立地物屬性，則需要進行補測，最終得到完整的地形圖成果。最后，利用35上平高檢測點對采集地形圖成果進行精度檢測。本研究中，35個檢測點很好地滿足了1:500地形圖的精度要求[5]。

5 結(jié)語

綜上所述，在大比例尺地形圖測繪工作中應用無人機傾斜攝影系統(tǒng)能夠更好地滿足測繪需求，獲得詳細的地形地貌資料。當然，在實際工作中技術(shù)人員要不斷探索無人機傾斜攝影技術(shù)應用的新思路、新方法，以更好地改進大比例尺地形圖的測繪質(zhì)量。