無人機(jī)傾斜攝影測量關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用探究

賴春曉

廣東省測繪技術(shù)公司 廣東 廣州 510075

引言

傾斜攝影測量技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，傾斜攝影技術(shù)三維數(shù)據(jù)可真實反映地物的外觀、位置、高度等屬性，比傳統(tǒng)測量技術(shù)更優(yōu)異，它是利用三維空間的立體模式對測量模型進(jìn)行創(chuàng)新，這種技術(shù)具有很大的應(yīng)用價值。本文分析傾斜攝影測量技術(shù)的相機(jī)標(biāo)定、圖像定位、飛行計劃、影像采集、產(chǎn)品生成等關(guān)鍵技術(shù)流程，同時結(jié)合工程實例綜述了目前無人機(jī)測量技術(shù)應(yīng)用的研究進(jìn)展，并指出了無人機(jī)測量技術(shù)的未來發(fā)展方向。

1 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)概要

無人機(jī)攝影技術(shù)的特點是能夠在同一平臺上安裝多個影像采集傳感器，還可以從各個方向拍攝圖像，超越了傳統(tǒng)航空攝影的范圍。無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)是按照傾斜的4個方位加上豎直方向的觀測來提供有效的信息圖像，比傳統(tǒng)的航空攝影更具有真實性，能夠從各個方位獲得高分辨率的圖像信息，突破了傳統(tǒng)航測單相機(jī)只能從垂直角度拍攝獲取正射影像的局限。還能自動生成三維數(shù)字模型，節(jié)約人力、效率高，能極大地縮短測繪外業(yè)的協(xié)同工作，解決了由于天氣等外因造成的工作延誤，把原本大量的外業(yè)工作轉(zhuǎn)變成內(nèi)業(yè)工作，極大地縮短了測量人員的勞動時間，降低了外業(yè)勞動強(qiáng)度[1]。

2 無人機(jī)傾斜攝影測量關(guān)鍵技術(shù)流程

人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的實施流程包括相機(jī)標(biāo)定、圖像定位、飛行計劃制定、影響采集、三維模型與4D產(chǎn)品生成等步驟，如圖1所示。

圖1 傾斜攝影測量技術(shù)實施流程

相機(jī)標(biāo)定又稱相片內(nèi)定向，目的是復(fù)原相片與鏡頭的位置關(guān)系。主要有自檢校、預(yù)檢校和兩者相結(jié)合的三種方式。自檢校精度較低、可靠性較差，目前多使用預(yù)檢校的方法，該方法多基于室內(nèi)的標(biāo)定板和標(biāo)定場，利用不同主距下的內(nèi)方位元素值，獲得畸變系數(shù)隨主距變化的規(guī)律。

圖像定位也稱為影像的外定向，目的是確定影像間的相對姿態(tài)和位置關(guān)系。Onyango等（2017）提出一種無人機(jī)傾斜攝影的匹配定位方法，為增加數(shù)量和提高通信質(zhì)量，使用濾波器對圖像進(jìn)行預(yù)處理，并對不同的方案和相應(yīng)的精度進(jìn)行了比較。

飛行計劃包括飛行高度、線路和速度、影像采集角度、相機(jī)參數(shù)、拍照頻率、影航向和旁向像重疊度的設(shè)計。Shen等（2017）利用混沌遺傳算法改進(jìn)的人工魚群算法可避免動態(tài)目標(biāo)的打擊，能夠有效地避免在飛行空間中隨機(jī)移動的目標(biāo)，并驗證了該方法的可行性和有效性。

影像采集。無人機(jī)平臺的負(fù)載能力和飛行平穩(wěn)度是影響影像采集質(zhì)量很重要的因素。連蓉等（2014）利用四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)的低空航空攝影技術(shù)，通過兩種不同的POS系統(tǒng)與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，研究了四旋翼無人機(jī)在空中三角測量后獲得正交投影圖像的可行性，并對結(jié)果進(jìn)行了評估。

產(chǎn)品生成。無人機(jī)傾斜攝影測量的產(chǎn)品生成過程包含表面重建、4D產(chǎn)品生成和特征提取。Turner等（2014）對用于生成產(chǎn)品的后期處理軟件進(jìn)行了比較研究，采用搭載佳能550D相機(jī)的Oktopter無人機(jī)獲取超高分辨率影像，用Photoscan、Pix4D web service和一種內(nèi)部打包機(jī)方法對同一組影像進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)Photoscan不僅操作最容易、運算速度最快，而且處理的結(jié)果具有較高的精度[2]。

3 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的工程應(yīng)用

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)具有低成本、靈活機(jī)動、實時性強(qiáng)等特點，在數(shù)字城市建設(shè)、橋梁檢測、滑坡調(diào)查、地形圖測繪等多個工程領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，下面重點結(jié)合傾斜攝影測量技術(shù)在大比例尺地形圖測繪中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

3.1 測區(qū)數(shù)據(jù)獲取

依照傾斜攝影測量的技術(shù)參數(shù)和流程，選取廣東省某縣部分區(qū)域進(jìn)行地籍?dāng)?shù)據(jù)采集和精度評定。所選測區(qū)面積1.08km2，地物類主要是房屋建筑、道路、耕地，地勢平坦，無復(fù)雜地形。選取晴朗、能見度高、風(fēng)力小的天氣進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，保證像片無大面積云影、煙和反光等缺陷。將相片導(dǎo)入軟件中完成三維建模和地籍要素采集。試驗使用六旋翼航測無人機(jī)搭載傾斜雙相機(jī)，利用兩臺全畫幅相機(jī)依次前下后擺動60°，一個周期采集6張不同角度的地物航空影像，達(dá)到6臺相機(jī)同時工作的效果，原理如圖2所示。

圖2 傾斜雙相機(jī)周期擺動設(shè)計工作原理

3.2 測量關(guān)鍵技術(shù)

無人機(jī)傾斜攝影測量系統(tǒng)自身特點決定影像處理方式與傳統(tǒng)航測方法不同，本文采用Smart3D Capture軟件完成空三、實景三維模型建立、點云生成，導(dǎo)入Geoway 3D Mapping軟件完成地理要素矢量化、地形圖分幅整飾等。

試驗第一個關(guān)鍵技術(shù)是將POS檢校解算后的傾斜像片導(dǎo)入Smart3D Capture軟件中進(jìn)行空三加密、模型快速化一體生產(chǎn)、模型數(shù)據(jù)局部修整及少量人工干預(yù)處理，聯(lián)機(jī)運算一周由9236張1km2的真彩色航空相片生成點云和OSG格式的實景三維模型[3]。

試驗第二個關(guān)鍵技術(shù)是將實景三維模型和點云導(dǎo)入Geoway 3DMapping軟件中，按照《國家基本比例尺地圖圖式第1部分：1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖圖式 GB 20257.1—2007》規(guī)范中 1∶500 地形圖要求，參照點云和三維模型完成全要素矢量化采集。

測區(qū)在縣城中心，地物類主要是房屋、道路和植被，沒有復(fù)雜地形。1km2的測區(qū)由5名采編員耗時5d手動采集整飾，得到6.08MB的DWG文件。

整理完成的數(shù)字線劃圖，匯集需補(bǔ)測的問題交給外業(yè)調(diào)繪補(bǔ)測，最后修改整飾地形圖，完成測圖工作。

3.3 大比例尺地形圖精度評定

為確保試驗數(shù)據(jù)的精確性，需要對成果圖進(jìn)行數(shù)學(xué)精度的驗證。為保證界址點點位精度檢驗的準(zhǔn)確性，依照“均勻分布”的原則在測區(qū)內(nèi)選取219個界址點做精度評定，對利用傾斜攝影進(jìn)行大比例尺地籍測量所獲界址點坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢驗，計算圖上獲取的點位坐標(biāo)數(shù)據(jù)與實地對應(yīng)點坐標(biāo)數(shù)據(jù)差值。計算可得界址點的點位等精度中誤差為±2.3cm，高精度中誤差為±3.3cm，界址點點位中誤差滿足國家規(guī)范要求，通過實測冗余數(shù)據(jù)充分證明傾斜攝影測量可以在大比例地籍圖上應(yīng)用。

本試驗選取30組界址點進(jìn)行間距精度評價，利用卷尺和鋼尺等測量工具實地測量界址點之間的距離數(shù)據(jù)，與大比例尺圖上獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行較差計算，計算可得界址點，間距等精度中誤差為±2.7cm，高精度中誤差為±3.8cm，界址點間距中誤差滿足國家規(guī)范要求，數(shù)據(jù)有效證明傾斜攝影測量在大比例地籍圖上應(yīng)用的可行性[4]。

4 無人機(jī)傾斜攝影的發(fā)展和應(yīng)用展望

目前，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)已經(jīng)取得了長足進(jìn)步，精度、效率、成本上的優(yōu)勢有了進(jìn)一步的增強(qiáng)。在未來的發(fā)展中，除了需要在加強(qiáng)軟硬件方面來改進(jìn)傾斜影像處理能力和提高信息提取能力；在行業(yè)規(guī)范方面，更需要解決無人機(jī)使用服務(wù)和管理監(jiān)督不規(guī)范問題。而隨著傾斜攝影技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，原有的很多應(yīng)用都將遷移到傾斜攝影技術(shù)上，并且還將繼續(xù)開拓出更多新的應(yīng)用模式。譬如利用效果好的傾斜攝影真實模型結(jié)合三維眼罩等虛擬現(xiàn)實裝備可實現(xiàn)實現(xiàn)沉浸式三維體驗；隨著傾斜攝影技術(shù)精度的提高和傾斜模型數(shù)據(jù)的豐富，基于完全符合現(xiàn)實狀況的傾斜模型數(shù)據(jù)將可能實現(xiàn)對汽車自動駕駛和無人機(jī)快遞，再一次對行業(yè)進(jìn)行顛覆；傾斜攝影技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)方面將隨著傾斜模型的保密性問題解決，以及 5G 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，中國互聯(lián)網(wǎng)地圖很快升級為三維地圖，地圖上所見即所得的真三維場景將被廣泛普及[5]。

5 結(jié)束語

傾斜攝影作為在傳統(tǒng)航空攝影之上發(fā)展起來的新技術(shù)，由于其增加了不同角度的相機(jī)拍攝，使得采集的信息更全面，并在自動化建模軟件的支撐下能快速、低成本的構(gòu)建出逼真的三維模型，從而使得傾斜攝影技術(shù)得到蓬勃發(fā)展，并具備廣泛的應(yīng)用前景?？梢哉f，傾斜攝影開辟了一條地理信息應(yīng)用的新道路。

綜上所述，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，且在多個領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。通過無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)在傾斜攝影測量技術(shù)在大比例尺地形圖測繪中的應(yīng)用和研究，探索出更加高效方便快捷的測繪途徑。高效、低成本的無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)必將在高精度的測繪方面將得到更廣泛的應(yīng)用。