基于單鏡頭的無人機傾斜攝影測量方法及其精度分析

高永濤，張 寅，胡 洋

(1.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000； 2.自然資源部第一地理信息制圖院，陜西 西安 710054；3.西安市勘察測繪院，陜西 西安 710054)

隨著城市規(guī)模的不斷擴大，攝影測量在城市規(guī)則工作中的應(yīng)用也越來越廣泛，攝影測量能夠以非接觸的方式獲取建設(shè)規(guī)格數(shù)據(jù)，無人機技術(shù)與傾斜攝影技術(shù)的結(jié)合進一步提高了測量工作效率，為城市空間的合理布局奠定了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。國內(nèi)學(xué)者對此進行很多研究，文獻[1]研究了無人機傾斜攝影測量技術(shù)在延安治溝造地中的應(yīng)用；文獻[2]分析了無人機傾斜攝影測量技術(shù)在城市基礎(chǔ)測繪中的應(yīng)用；文獻[3]分析了無人機傾斜攝影測量技術(shù)在鐵路突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急搶險中的應(yīng)用?；诖?，本文對基于單鏡頭的無人機傾斜攝影測量方法及其精度進行了分析。研究為后續(xù)無人機傾斜攝影測量提供了借鑒。

1 傾斜攝影的基本原理

傾斜攝影以無人機為飛行平臺，通過架設(shè)在無人機上的攝像頭以傾斜的視角來采集建設(shè)物紋理信息，進而獲取其規(guī)格參數(shù)，并將所采集到的數(shù)據(jù)用于建筑改建或城市規(guī)劃，其基本原理如圖1所示[3-4]。

圖1 傾斜攝影與垂直攝影Fig.1 Oblique and vertical photography

根據(jù)圖1可知，傾斜攝影比垂直攝影更方便從建筑物的側(cè)面進行觀察，有效測量范圍更大，可以更加完整地描述建筑物表面紋理。

2 單鏡頭無人機傾斜測量方案設(shè)計

2.1 無人機選型

此次研究所選用的無人機設(shè)備為Phantom 4 Pro小型旋翼無人機，該型號無人機只能安裝一顆攝像頭，但也具備飛控、云臺等關(guān)鍵模塊和功能，質(zhì)量1 368 g，最大單次飛行時間30 min，相對飛行高度500 m，最大遙控距離7 000 m。Phantom 4 Pro無人機還安裝有一枚CMOS影像傳感器，支持最大分辨率為5 472×3 648，拍攝焦距9 mm，像元尺寸2.4 μm。

2.2 影像采集流程

無人機傾斜攝影測量影像采集的基本流程：①做好前期設(shè)備準備工作，確定測區(qū)位置；②規(guī)劃航線，結(jié)合當前的實驗要求與現(xiàn)有的地形資料設(shè)計航線，計算無人機飛行高度、攝影比例尺等重要參數(shù)；③航攝飛行，結(jié)合自動飛行和手動飛行兩種方式將無人機上升至預(yù)定的飛行高度，以自動飛行模式執(zhí)行任務(wù)；④巡航飛行，由地面站對拍攝情況和飛行情況實施監(jiān)控，確保無人機與地面站之間的通信順暢[5-8]。

2.3 確定無人機飛行參數(shù)

(1)確定飛行高度。在確定般攝相機一般參數(shù)的情況下，首先確定相機的焦距和像元尺寸，結(jié)合地面分辨率來確定無人機的飛行高度。計算方法：

(1)

式中，a為像元尺寸；f為鏡頭焦距；GSD為地面分辨率。

(2)航向、旁向重疊率。航攝所獲得的立體相是由2張相鄰像片重疊所形成的，所獲影像之間也因此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2種[9-10]。航向重疊指的是沿?zé)o人機航線方向的像片重疊，旁向重疊指的是相鄰航線之間的像片重疊。具體形式如圖2所示。

圖2 航向重疊和旁向重疊Fig.2 Course overlap and side overlap

計算航向重疊度的具體方法：

(2)

式中，A為航向重疊度；Lx為單張像片長度；Px為相鄰像片航向重疊長度。

計算航向重疊度的具體方法：

(3)

式中，A為航向重疊度；Ly為單張像片寬度；Py為相鄰像片旁向重疊長度。

(3)確定攝影基線長。攝影基線長指2次曝光瞬間鏡頭中心之間的間距，計算方法：

L=(1-A)×m×a×H/f

(4)

式中，m為航向像元；L為攝影基線長。

(4)確定航帶間距。相鄰2條航線之間的距離即為航帶間距，計算方法：

B=(1-D)×n×a×H/f

(5)

式中，B為航帶間距；D為旁向重疊度；a為像元尺寸；n為影像橫向像元數(shù)。

2.4 航攝方案設(shè)計

此次研究采用“井”字形的航線攝影方案，具體形式如圖3所示。

圖3 “井”字形的航線規(guī)劃方案Fig.3 Route planning scheme in the shape of "well"

(1)下視航線設(shè)計。下視航線具體設(shè)計方案如圖4所示。

圖4 下視航線設(shè)計方案Fig.4 Down-view route design plan

在規(guī)劃航線之前，首先要依照常規(guī)面積航空攝影方法建立平等直線航線，對攝站點間隔進行合理規(guī)劃，完整覆蓋測區(qū)，旁向重疊不低于30%，航向重疊不低于60%。

(2)前、后視航線設(shè)計。前、后視航線的規(guī)劃要求下視航線與航線方向一致，此次研究將相機傾角設(shè)置為-60°。傾角絕對值與建筑物高度呈正比，前、后視航線設(shè)計方案分別如圖5和圖6所示。

圖5 前視航線設(shè)計方案Fig.5 Forward looking route design plan

圖6 后視航線設(shè)計方案Fig.6 Rear view route design plan

(3)左、右視航線設(shè)計。左、右視航線的規(guī)劃要求最大程度地垂直于前、后視航線，本次研究將相機傾角設(shè)置為-60°，左、右視航線設(shè)計方案分別如圖7和圖8所示。

圖7 左視航線設(shè)計方案Fig.7 Left view route design plan

3 單鏡頭無人機傾斜攝影測量精度分析

本次研究從對單鏡頭無人機傾斜攝影測量的平面精度進行驗證，在選定的試驗區(qū)域內(nèi)設(shè)置20個平面檢查點，其分布狀況如圖9所示。

圖8 右視航線設(shè)計方案Fig.8 Right view route design plan

圖9 檢查點分布狀況Fig.9 Check point distribution

平面精度分析結(jié)果如圖10所示。

圖10 平面檢查點精度分析結(jié)果Fig.10 Analysis result of plane checkpoint accuracy

根據(jù)圖10可知，單鏡頭無人機傾斜攝影測量的平面精度誤差普遍在0～0.3 m，基本滿足如《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》(CH T9015—2012)所提出的要求。

4 結(jié)語

本文對單鏡頭無人機傾斜攝影測量的基本方法進行了詳細的介紹，通過Phantom 4 Pro小型旋翼無人機及其搭載的CMOS影像傳感器進行了實地攝影測量，并對攝影測量的平面精度進行了分析，所得出的測量結(jié)果基本滿足《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范CH T9015—2012》所提出的要求。在未來的研究工作中，還需要進一步加強旋翼無人機搭載多顆鏡頭情況下對于建筑實體的測量方法研究，合理運用圖像處理算法，進而豐富測量結(jié)果的數(shù)據(jù)內(nèi)含。