無人機(jī)傾斜攝影大比例尺地形圖關(guān)鍵技術(shù)與質(zhì)量評(píng)價(jià)

喻艷梅

（湖南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410151）

0.引言

地理空間信息是國(guó)家發(fā)展的基礎(chǔ)，數(shù)字化地形圖在城市規(guī)劃、智慧城市、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、災(zāi)害應(yīng)急處理等各個(gè)領(lǐng)域都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，可以促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展[1]。在部分工程項(xiàng)目實(shí)施過程中，對(duì)地形圖的精度要求較高，如，地震、滑坡等自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，為及時(shí)開展有效的救援工作，需快速繪制災(zāi)區(qū)大比例尺地形圖，此類情況對(duì)繪圖的生產(chǎn)周期、精度質(zhì)量、數(shù)據(jù)采集等工作提出了很高的要求。面對(duì)此類任務(wù)，傳統(tǒng)的數(shù)字化測(cè)圖往往無法及時(shí)完成?，F(xiàn)階段，航測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，其中傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在傳統(tǒng)航測(cè)的基礎(chǔ)上，融合了多視角攝像傳感器，可從垂直和傾斜五個(gè)不同角度進(jìn)行影像數(shù)據(jù)的采集。同時(shí)，飛行器平臺(tái)搭載著其他數(shù)據(jù)傳感器，可實(shí)現(xiàn)航向、航高、重疊度等姿態(tài)信息的采集，結(jié)合少量的地面控制點(diǎn)，進(jìn)行空三測(cè)量處理，實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)解算處理，通過軟件實(shí)現(xiàn)測(cè)區(qū)三維模型構(gòu)建，進(jìn)一步完成4D（DRG數(shù)字柵格地圖、DLG數(shù)字線化圖 、DEM數(shù)字高程模型、DOM數(shù)字正射影像圖）產(chǎn)品快速生產(chǎn)。

本文從傾斜攝影測(cè)量技術(shù)大比例地形圖生產(chǎn)過程中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)出發(fā)，針對(duì)傾斜攝影影像匹配、非量測(cè)相機(jī)畸變改正進(jìn)行了探討，提出了相應(yīng)的解決方案，對(duì)三維模型及大比例尺地形圖進(jìn)行了質(zhì)量評(píng)價(jià)，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示該方案可實(shí)現(xiàn)大比例尺地形圖快速、精確繪制。

1.關(guān)鍵技術(shù)

1.1 傾斜攝影測(cè)量地形圖生產(chǎn)技術(shù)路線

通常將五鏡頭相機(jī)搭載在無人機(jī)平臺(tái)上，多角度獲取地面影像數(shù)據(jù)，以傾斜影像為主要數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)處理軟件，結(jié)合無人機(jī)平臺(tái)的其他傳感器所獲取的相關(guān)影像方向、位置等信息，進(jìn)行空中三角測(cè)量、多視角影像匹配、密集匹配、構(gòu)建三角網(wǎng)、數(shù)字表面模型生產(chǎn)、紋理映射等過程處理，實(shí)現(xiàn)三維實(shí)景模型構(gòu)建。利用實(shí)景三維模型結(jié)合EPS軟件進(jìn)行大比例尺地形圖繪制，實(shí)景三維模型可從多個(gè)視角進(jìn)行觀察繪圖，細(xì)節(jié)全面，測(cè)量坐標(biāo)方便，降低了外業(yè)調(diào)繪工作難度，工作效率高。

1.2 非量測(cè)相機(jī)檢校

傾斜攝影無人機(jī)平臺(tái)體積質(zhì)量較小，考慮生產(chǎn)實(shí)際和成本，通常搭配非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)。受不確定因素影響，此類相機(jī)通常存在鏡頭畸變問題，當(dāng)鏡頭畸變較大時(shí)，會(huì)造成設(shè)計(jì)像點(diǎn)位置與實(shí)際像點(diǎn)位置發(fā)生偏移，影響后期空三解算與影像匹配，增大解算誤差，降低數(shù)據(jù)精度[2，3]。

相機(jī)鏡頭畸變類型（如圖1所示）：無變形、徑向畸變、像主點(diǎn)畸變和切向畸變。

圖1 畸變類型

受相機(jī)鏡頭畸變影響，在實(shí)際數(shù)據(jù)采集過程中，首先需進(jìn)行傾斜無人機(jī)相機(jī)鏡頭檢校，求解相機(jī)內(nèi)方位元素及畸變參數(shù)[4]。考慮直接線性變換法（DLT），不需要內(nèi)外方位元素，計(jì)算簡(jiǎn)單，精度高。利用該方法進(jìn)行相機(jī)檢校，主要原理是通過攝影測(cè)量共線方程原理，對(duì)物點(diǎn)坐標(biāo)與像點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行直接轉(zhuǎn)換。中心投影共線方程如式（1）所示：

式（1）中，（x，y）為像點(diǎn)坐標(biāo)；（x0，y0）為像主點(diǎn)坐標(biāo)；f為相機(jī)的主距；（X，Y，Z）為像點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)在物方空間的三維坐標(biāo)；（XS，YS，ZS）為攝站點(diǎn)在物方空間的三維坐標(biāo)；（ai，bi，ci）為相關(guān)系數(shù)。

考慮物鏡偏心、徑向、仿射畸變改化公式，如式（2）所示：

式（2）中，pi，ki分別為物鏡的偏心畸變差系數(shù)和徑向畸變差系數(shù)；mi為仿射變換系數(shù)為向徑。

由上式可知：在相機(jī)檢校過程中至少各需要8個(gè)相對(duì)的控制點(diǎn)實(shí)現(xiàn)解算。

1.3 多視角影像密集匹配

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可通過多鏡頭從不同方向?qū)Φ匦蔚孛策M(jìn)行全方位信息采集，因此傾斜影像可提供大量的冗余信息，利用多視角影像匹配技術(shù)，將影像相互關(guān)聯(lián)，進(jìn)行密集匹配處理，生成密集點(diǎn)云，為后期三維模型精度提供了保障[5]。基于物方面元的多視立體匹配算法（PMVS，Patch-based Multi-view Stereo）以面表示地形物方點(diǎn)，結(jié)構(gòu)（如圖2所示），面元中心為坐標(biāo)c（p），法向量為n（p）。

圖2 面元結(jié)構(gòu)

PMVS算法主要分為以下三個(gè)步驟（如圖3所示）：

圖3 PMVS算法流程

1.3.1 分別利用Harris算子和DOG算子提取特征點(diǎn)，利用核線幾何約束條件確定特征匹配點(diǎn)。

1.3.2 利用前方交會(huì)原理構(gòu)建物方面元，并利用共軛梯度算法，獲取最優(yōu)面元，作為種子，為下一步擴(kuò)散做準(zhǔn)備。

1.3.3 通過相鄰面元進(jìn)行逐步擴(kuò)散，當(dāng)面元全部覆蓋地表時(shí)，即可得到密集點(diǎn)云。擴(kuò)散過程中需過濾篩除誤差較大的點(diǎn)，多次重復(fù)實(shí)現(xiàn)密集點(diǎn)云獲?。ㄈ鐖D4所示）：

圖4 PMVS算法面元擴(kuò)散方式

2.測(cè)區(qū)實(shí)驗(yàn)

2.1 技術(shù)路線

基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的大比例尺地形圖繪制流程（如圖5所示），主要包括前期收集、測(cè)區(qū)地理概況分析、航線航高設(shè)計(jì)、像控點(diǎn)布設(shè)、像控點(diǎn)測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、空三解算、實(shí)景三維模型構(gòu)建、地形圖繪制、精度檢核及成果提交。

圖5 傾斜攝影測(cè)量地形圖生產(chǎn)流程

2.2 像控點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量

像控點(diǎn)是航測(cè)基礎(chǔ)，像控點(diǎn)的布設(shè)情況影響后期空三解算精度，高精度的平面和高程像控點(diǎn)布設(shè)是實(shí)現(xiàn)1∶500大比例地形圖繪制的必需步驟。通常像控點(diǎn)數(shù)目越多，對(duì)應(yīng)空三解算精度就會(huì)越高，但在進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè)時(shí)通常需從經(jīng)濟(jì)、效率、精度等多個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮。本文總結(jié)了像控點(diǎn)布設(shè)方案應(yīng)滿足的要求[6]：

（1）結(jié)合測(cè)區(qū)情況合理確定像控點(diǎn)數(shù)量，像控點(diǎn)位置清晰，圖形容易判讀；

（2）平面和高程控制點(diǎn)布設(shè)，控制點(diǎn)航向間隔應(yīng)不大于4條航飛基線；

（3）平行相鄰范圍內(nèi)，控制點(diǎn)基線跨度應(yīng)不大于2條基線。

本次實(shí)驗(yàn)像控點(diǎn)坐標(biāo)使用GNSS-RTK技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，坐標(biāo)系為國(guó)家CGCS2000大地坐標(biāo)系，高程基準(zhǔn)為85國(guó)家基準(zhǔn)高程。

2.3 航飛技術(shù)設(shè)計(jì)

由前期踏勘及已有數(shù)據(jù)分析可知，測(cè)區(qū)范圍內(nèi)存在最高地物高度約為70m，根據(jù)要求可知測(cè)圖比例尺為1∶500，地面分辨率應(yīng)不大于5cm，本實(shí)驗(yàn)地面分辨率為2cm。航高設(shè)計(jì)為98m。由《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》（CHZ3005-2010）可知：航向重疊率一般為60%～80%，且最小值應(yīng)≥53%；旁向重疊率一般為15%～60%，且最小值應(yīng)≥8%，本實(shí)驗(yàn)航向重疊率與旁向重疊率均控制在70%。飛行時(shí)同一航線上相鄰像片的航高，最大航高與最小航高之差不應(yīng)大于30m。

2.4 空三解算及三維建模

本文使用Context Capture全自動(dòng)三維建模系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)區(qū)實(shí)景三維模型構(gòu)建，該系統(tǒng)原理以原始影像數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，結(jié)合需求設(shè)置相應(yīng)的輔助信息，自動(dòng)化生成實(shí)景三維模型。使用Context Capture軟件建立三維模型具體流程如下[7]：

（1）考慮Context Capture軟件自身特性，為提高工作效率，需首先建立工作集群，將工作電腦連接局域網(wǎng)，共享主機(jī)內(nèi)存放的原始數(shù)據(jù)，并修改其盤符，局域網(wǎng)內(nèi)其他工作電腦建立與該盤的映射，并在該盤中進(jìn)行新建工程及Block創(chuàng)建等工作；

（2）導(dǎo)入POS數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)初步檢查，然后設(shè)置地理坐標(biāo)系、焦距等參數(shù)，可利用3D View功能檢查原始影像是否以航線軌跡排列；

（3）空三解算前需對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)的像控點(diǎn)與影像數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，提高解算效率與解算精度，同時(shí)可利用3D View功能查看解算結(jié)果與空三報(bào)告；

（4）完成空三解算后，且質(zhì)量滿足建模要求，即可進(jìn)行三維建模?？紤]測(cè)區(qū)范圍，結(jié)合計(jì)算機(jī)性能，對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行分割，進(jìn)行三維重建。重建結(jié)果可在Acute 3D Viewer中查看（如圖6所示）：

圖6 部分測(cè)區(qū)三維模型

2.5 地形圖繪制

EPS是基于GIS平臺(tái)研發(fā)的地理信息工作站，該產(chǎn)品融合了CAD與GIS技術(shù)，優(yōu)勢(shì)明顯：

（1）支持二維、三維測(cè)圖，數(shù)據(jù)源可支持DSM、OSGB、3DS、OBJ等多種數(shù)據(jù)格式；

（2）可實(shí)現(xiàn)多窗口聯(lián)動(dòng)繪圖，正射影像與三維模型聯(lián)合采圖；

（3）支持采編建庫(kù)一體化，實(shí)現(xiàn)信息化與動(dòng)態(tài)符號(hào)化；

（4）三維采、編、質(zhì)檢與平臺(tái)二維功能一致，并提供直觀的三維專用功能；

（5）提供所采地物根據(jù)指定位置快速升降高程信息；

（6）支持影像之間快速切換、模型切割去除植被與高樓、自動(dòng)提取矢量、網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)，數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理。

現(xiàn)階段，EPS軟件被廣泛應(yīng)用在測(cè)繪與地理信息數(shù)據(jù)處理中，本文主要利用EPS數(shù)據(jù)處理中的3D Survey功能進(jìn)行地形圖繪制。使用EPS軟件進(jìn)行地形圖繪制的主要流程（如圖7所示）：

圖7 EPS三維繪圖流程

地形圖繪制完成后，結(jié)果（如圖8所示）?？衫肊PS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，主要包括編碼、圖層等數(shù)據(jù)是否正確，邏輯、懸掛、面相交等空間關(guān)系是否合理。

圖8 部分測(cè)區(qū)地形圖

3.精度分析

3.1 三維模型精細(xì)度分析

根據(jù)《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》（CH/T 9015-2012）對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)三維模型進(jìn)行精細(xì)度評(píng)價(jià)。利用Acute 3D Viewer對(duì)本次實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū)內(nèi)的三維模型精細(xì)度進(jìn)行隨機(jī)抽樣評(píng)價(jià)，結(jié)果如下：模型整體結(jié)構(gòu)無明顯缺陷，建筑等紋理與實(shí)際相符，細(xì)節(jié)清晰可見，精細(xì)等級(jí)可為I級(jí)，滿足大比例尺地形圖生產(chǎn)需求。

3.2 三維模型空三精度分析

空三解算結(jié)束后，根據(jù)《數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范》（GB/T 23236-2009）要求，以1∶500成圖比例尺為主（如表1所示），對(duì)控制點(diǎn)、檢查點(diǎn)解算結(jié)果進(jìn)行精度分析，結(jié)果（如表2所示）：

表1 成圖比例尺為1∶500的空中三角測(cè)量精度要求

表2 空三解算誤差統(tǒng)計(jì)表

結(jié)合表2和圖9可知：X、Y、Z三個(gè)方向上的誤差值都較為穩(wěn)定，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，重投影誤差均小于1個(gè)像素，除KZ4點(diǎn)3D誤差較大外，其他點(diǎn)均在1cm左右?？刂泣c(diǎn)和檢查點(diǎn)的平面中誤差均小于精度要求最小值0.13m，控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)的高程中誤差均小于精度要求最小值0.11m，均滿足規(guī)定要求。

圖9 空三解算誤差折線圖

3.3 地形圖精度分析

地形圖精度分析通?？刹捎脗鹘y(tǒng)數(shù)字化測(cè)圖繪制的地形圖與傾斜攝影測(cè)量地形圖進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)可對(duì)比對(duì)應(yīng)檢查點(diǎn)，其檢查點(diǎn)位置可選擇房角點(diǎn)、路燈、道路標(biāo)識(shí)牌等。

測(cè)區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取15個(gè)檢查點(diǎn)，利用RTK測(cè)量三維坐標(biāo)，并與圖9上坐標(biāo)進(jìn)行比較，利用中誤差進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，如式（3）所示，計(jì)算結(jié)果（如表3所示）：

表3 1∶500比例尺的測(cè)區(qū)圖像限差

式（3）中，ms為平面中誤差；mh為高程中誤差；Δsi為平面殘差；Δhi為高程殘差。

表4 地形圖精度結(jié)果

根據(jù)《國(guó)家基本比例尺地形圖更新規(guī)范》（GB/T 14268-2008），結(jié)合表3中1∶500比例尺的測(cè)區(qū)圖像限差要求，用式（3）計(jì)算可得：平面中誤差為5.6cm，高程中誤差為9.4cm，由此可知：該方法精度滿足平原地形的1∶500大比例尺地形圖繪制要求。

4.結(jié)束語

本文針對(duì)大比例尺地形圖快速、高精度生產(chǎn)問題，對(duì)基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)地形圖生產(chǎn)方法進(jìn)行了探討和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提供了非量測(cè)相機(jī)檢校方法，解決了多視角影像密集匹配問題，提高了數(shù)據(jù)精度。同時(shí)闡述了無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量大比例地形圖生產(chǎn)的技術(shù)流程，通過實(shí)驗(yàn)分析了測(cè)區(qū)內(nèi)三維模型精細(xì)度，針對(duì)產(chǎn)品精度問題，利用圖表形式分別對(duì)空三解算精度和地形圖精度進(jìn)行了分析，并以中誤差作為評(píng)價(jià)依據(jù)，結(jié)合規(guī)范進(jìn)行了精度評(píng)價(jià)，證明了此方法的可行性及可推廣性。