無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在大比例尺測圖中的應(yīng)用

林 洪，周伶杰，王繼琮

（1.江西省地質(zhì)科學(xué)研究所，江西 南昌 330000；2.江西省地質(zhì)局贛西地質(zhì)調(diào)查大隊(duì)，江西 南昌 330000）

傳統(tǒng)的大比例尺（1：500、1：1000、1：2000）測圖主要采用外業(yè)實(shí)測的方法，采集要素多，外業(yè)時(shí)間長，作業(yè)效率低，人力消耗大，成本較高，難以滿足目前快速發(fā)展的要求[1，2]。近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)和圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)逐漸發(fā)展成測繪行業(yè)的一項(xiàng)新技術(shù)。與傳統(tǒng)的測繪作業(yè)模式不同，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)具有高效快捷、成本低廉、靈活便捷、精細(xì)準(zhǔn)確、上手簡單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，在城市更新[3]、水土保持監(jiān)測[4]、生態(tài)修復(fù)[5]、礦山地形測量[6]等領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用。

1 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

1.1 工作原理

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)[7]有別于傳統(tǒng)的航空攝影技術(shù)，它融合了正射影像和傾斜影像，彌補(bǔ)了正射影像的不足[8]，其原理是借助無人機(jī)平臺(tái)搭載的航攝儀同時(shí)從多個(gè)不同角度獲取高重疊度同一地物的環(huán)繞立體影像，以得到地面物體完整準(zhǔn)確的立面信息[9]，并經(jīng)過相關(guān)專業(yè)軟件處理后獲得數(shù)字表面模型（Digital Surface Model，縮寫DSM）、數(shù)字正射影像（Digital Orthophoto Map，縮寫DOM）、三維模型和數(shù)字線劃圖（Digital Line Graphic，縮寫DLG）等[10]，形成最終測繪成果。

1.2 優(yōu)勢

與傳統(tǒng)攝影技術(shù)相比，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的優(yōu)勢有：①外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度低、人力投入少、生產(chǎn)成本低；②響應(yīng)速度快、作業(yè)效率高、應(yīng)急能力強(qiáng)；③能夠獲取全面的立體信息，能從多方面真實(shí)地反映地物實(shí)際情況[8]；④后期成果種類豐富，適用行業(yè)范圍廣。利用無人機(jī)低空攝影可獲取高清立體影像數(shù)據(jù)[11]，并經(jīng)相關(guān)三維處理軟件自動(dòng)生成三維實(shí)景模型，獲取準(zhǔn)確的地理參考三維模型，快速得到地理空間信息，以滿足測繪地理信息領(lǐng)域的應(yīng)用。

2 基于無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取流程

無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取步驟主要分為外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和影像成果輸出三個(gè)環(huán)節(jié)[12]?；炯夹g(shù)流程包括：工作區(qū)資料收集與分析、野外像控點(diǎn)布設(shè)、無人機(jī)航空攝影、三維實(shí)景模型建立、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集處理、成果提交等[13]。

3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

3.1 無人機(jī)系統(tǒng)

大疆精靈4RTK是大疆公司2018年發(fā)布的一款小型多旋翼高精度航測無人機(jī)，集成RTK模塊，擁有強(qiáng)大的抗磁干擾能力與精準(zhǔn)定位能力，能實(shí)時(shí)進(jìn)行厘米級(jí)數(shù)據(jù)定位，在百米高空的地面采樣分辨率可達(dá)2.74厘米，大幅度減少了傳統(tǒng)航測中所需的地面控制點(diǎn)，簡化作業(yè)流程，降低作業(yè)成本[14]，其主要參數(shù)見表1。

表1 大疆精靈4RTK主要參數(shù)一覽表

3.2 飛行高度確定

根據(jù)《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》，無人機(jī)飛行高度一般由地面分辨率、相機(jī)性能進(jìn)行綜合決定，即：

其中：H為攝影航高（m）；GSD為地面分辨率（m）；f為相機(jī)鏡頭焦距（mm）；α為相機(jī)像元尺寸（mm）。地面分辨率由測圖比例尺決定，不同比例尺的地面分辨率不同，其對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2，具體選值還應(yīng)結(jié)合地形條件、測圖等高距、航攝基高比及影像用途等進(jìn)行綜合確定[15]。

表2 測圖比例尺與地面分辨率對(duì)應(yīng)關(guān)系表

3.3 重疊率

航攝所獲得的最終影像是由2張相鄰航片重疊而成的，所獲影像之間存在一定程度的重疊，而這種重疊又包括航向重疊和旁向重疊兩種[16]。無人機(jī)傾斜攝影規(guī)范規(guī)定，航向重疊度一般應(yīng)為60%～80%，最小不小于53%；旁向重疊度一般應(yīng)為15%～60%，最小不小于8%[15]。對(duì)于同一個(gè)點(diǎn)，不同角度的航拍照片越多，其生成的三維模型精度就越高，但相應(yīng)的作業(yè)時(shí)間也會(huì)增加，一般需根據(jù)測圖范圍、測圖比例尺、影像用途等綜合確定航向重疊度和旁向重疊度。

3.4 像控點(diǎn)布設(shè)

像控點(diǎn)的布設(shè)策略取決于建模精度需求、是否有POS數(shù)據(jù)輔助、像幅大小等因素[13]。在大比例尺項(xiàng)目的生產(chǎn)過程中，單鏡頭無人機(jī)的POS數(shù)據(jù)精度較低，每平方千米布設(shè)20個(gè)左右的像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)[2]。像控點(diǎn)的位置應(yīng)盡量選擇平整地面明顯標(biāo)志點(diǎn)，與周圍地物、環(huán)境紋理區(qū)分明顯，色彩差異大，如斑馬線角點(diǎn)、規(guī)則花壇內(nèi)角、平圍墻拐角等便于測量觀測處；也可使用油漆在地面繪制“L”型標(biāo)記；或采用像控紙進(jìn)行布設(shè)。

4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

當(dāng)前內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要基于計(jì)算機(jī)視覺原理，利用二維影像構(gòu)建三維模型[17]，主要技術(shù)流程包括：影像預(yù)處理、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、多視影像密集匹配、DSM生成、真正射糾正、三維實(shí)景建模等。

傾斜攝影拍攝的影像包含垂直影像和多個(gè)角度的傾斜影像，屬于多視角影像。在處理獲取影像的過程中，多數(shù)空三測量系統(tǒng)無法準(zhǔn)確完成，因而需要通過多視影像聯(lián)合平差的方法來處理傾斜攝影測量影像。在POS數(shù)據(jù)、像控點(diǎn)坐標(biāo)作為傾斜影像外方位元素初始值的基礎(chǔ)上，利用金字塔由粗至細(xì)的影像匹配方法進(jìn)行特征點(diǎn)提取，然后對(duì)每級(jí)影像進(jìn)行同名點(diǎn)自動(dòng)匹配和聯(lián)合平差，得到較好的同名點(diǎn)匹配結(jié)果，確保平差結(jié)果的精度[18]。多視影像密集匹配與傳統(tǒng)的單一匹配不同，其具有涵蓋區(qū)域廣、分辨率高，利用同一地物的多視影像同名點(diǎn)和傾斜影像冗余信息，對(duì)其錯(cuò)誤匹配進(jìn)行改正；最大程度的解決遮擋問題，對(duì)盲區(qū)的地物特征進(jìn)行補(bǔ)充，盡可能獲得同一地物完整準(zhǔn)確的三維數(shù)據(jù)，是獲得建筑物三維空間信息的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[19]。多視影像在完成區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差后可獲得多視影像精準(zhǔn)的外方位元素，經(jīng)基準(zhǔn)匹配單元的多視影像密集匹配后，便生成測區(qū)高密集的三維點(diǎn)云，最后通過構(gòu)建三角網(wǎng)獲得數(shù)字表面模型（DSM）[20]。三維實(shí)景建模處理主流的自動(dòng)化軟件有Bentley公司的Context Capture、Agisoft公司的Photo Scan、Pix4D公司的Pix4D Mapper等[21]，三款軟件在硬件要求、操作難度、運(yùn)算時(shí)間、模型精度等方面均有著不同的表現(xiàn)，各有優(yōu)劣之處。

5 精度評(píng)價(jià)

精度評(píng)價(jià)主要采用人工檢查和人機(jī)交互檢查的方式對(duì)無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)生產(chǎn)大比例尺測圖成果的質(zhì)量進(jìn)行檢查，可分為相對(duì)精度評(píng)價(jià)和絕對(duì)精度評(píng)價(jià)[1]。相對(duì)精度評(píng)價(jià)是利用已有的大比例尺地形圖資料檢測實(shí)景三維模型、大比例尺測圖成果的相對(duì)精度；絕對(duì)精度評(píng)價(jià)是通過對(duì)比成果影像與采集好的像控點(diǎn)進(jìn)行精度誤差驗(yàn)證，計(jì)算點(diǎn)位的平面中誤差和高程中誤差，得出絕對(duì)精度[22]。

6 結(jié)論

利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行大比例尺測圖，是大比例尺測圖技術(shù)的重大進(jìn)步，野外作業(yè)周期短，大大降低外業(yè)工作量和工作強(qiáng)度，生成的實(shí)景三維模型成果直觀、全面、精度高等優(yōu)勢，可根據(jù)需要輸出多種形式的產(chǎn)品文件，便于項(xiàng)目的生產(chǎn)需要。隨著無人機(jī)技術(shù)和處理軟件的快速發(fā)展，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)勢必也會(huì)得到快速發(fā)展和不斷完善，應(yīng)用范圍也更加廣泛，同時(shí)給測繪作業(yè)人員帶來更多福音，加快測繪行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。