單鏡頭無人機(jī)飛行參數(shù)優(yōu)化方案

鄭陽(yáng)龍, 徐文兵, 2, 3, 梁 丹, 3

(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院, 杭州 311300; 2.同濟(jì)大學(xué) 測(cè)繪與地理信息學(xué)院, 上海 200092;3.浙江同創(chuàng)空間技術(shù)有限公司, 杭州 311300)

0 引 言

無人機(jī)(UAV)遙感是以無人機(jī)為平臺(tái)的低空航空攝影, 是近年新發(fā)展起來的航空攝影測(cè)量技術(shù), 應(yīng)用領(lǐng)域從軍用擴(kuò)展到了民用和商用市場(chǎng)[1]。與傳統(tǒng)方法獲取遙感影像相比, 無人機(jī)遙感具有費(fèi)用低、操作靈活和更好的空間分辨率等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。無人機(jī)傾斜攝影是從正射影像的基礎(chǔ)上變成從1個(gè)垂直、4個(gè)傾斜共5個(gè)角度方向進(jìn)行影像采集, 建立真實(shí)場(chǎng)景的數(shù)字三維模型, 能最直觀和真實(shí)地反映現(xiàn)實(shí)世界[4-8], 通過三維模型可以獲得所需要目標(biāo)物體的高度、距離、大比例尺地形圖以及數(shù)字正射影像圖等數(shù)據(jù), 并在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用, 如智慧城市[5]、地籍測(cè)量[9]、礦山環(huán)境治理勘查[10]等。無人機(jī)航高相對(duì)較低, 采用的相機(jī)為普通非測(cè)量型相機(jī), 獲取的遙感影像存在相片數(shù)量大、像幅小和影像重疊率不規(guī)則等特點(diǎn)[11], 因此對(duì)航高和云臺(tái)俯仰角的設(shè)置以及地面像控點(diǎn)密度的布設(shè)不能依靠傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量的規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)。國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)無人機(jī)不同飛行參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究: 張純斌等[12]針對(duì)小型消費(fèi)級(jí)無人機(jī)進(jìn)行了6種不同航高下三維模型地形測(cè)量數(shù)據(jù)的精度驗(yàn)證, 結(jié)果表明地形精度達(dá)到了厘米級(jí); 萬劍華等[13]和趙艷玲等[14]針對(duì)不同像控點(diǎn)的分布和數(shù)量, 進(jìn)行了精度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn), 得到像控點(diǎn)個(gè)數(shù)在一定范圍內(nèi)時(shí), 實(shí)景三維模型精度隨像控點(diǎn)個(gè)數(shù)增加而提高的結(jié)論; Agüera-Vega等[15]針對(duì)不同航高、地形和控制點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行了綜合分析, 得到的最優(yōu)組合達(dá)到厘米級(jí)精度。

目前, 無人機(jī)的應(yīng)用研究廣泛展開, 也取得了豐富的研究成果, 但儀器設(shè)備、地形環(huán)境、作業(yè)方式的差異性有待于進(jìn)一步完善研究, 以促進(jìn)無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在國(guó)土資源調(diào)查等方面的應(yīng)用。單鏡頭無人機(jī)單次飛行時(shí)只能拍攝一個(gè)方向的影像照片, 在對(duì)一塊目標(biāo)樣地進(jìn)行航拍時(shí), 需要飛行5次, 進(jìn)行5個(gè)鏡頭方向拍攝, 效率相對(duì)較低。五鏡頭相機(jī)雖擁有良好的性能, 但設(shè)備昂貴, 而單鏡頭無人機(jī)機(jī)動(dòng)靈活、價(jià)格實(shí)惠、便于推廣應(yīng)用, 適合小范圍內(nèi)實(shí)景三維模型重建。鑒于不同飛行參數(shù)獲取影像數(shù)據(jù)的精度不同, 本文針對(duì)航高、云臺(tái)俯仰角和像控點(diǎn)密度3個(gè)主要參數(shù), 通過數(shù)據(jù)檢測(cè)與分析, 研究不同參數(shù)最優(yōu)組合的數(shù)據(jù)采集方案, 以提高實(shí)景三維模型的質(zhì)量和可靠性。

1 試驗(yàn)區(qū)域概況及技術(shù)方案

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)域位于浙江省杭州市浙江農(nóng)林大學(xué)東湖校區(qū)(119.72°E, 30.25°N)。試驗(yàn)區(qū)為丘陵地形, 地形起伏變化大, 地勢(shì)由北向南逐漸增高, 面積約為0.25 km2，建筑物為低層且分散, 無大面積玻璃幕墻面和強(qiáng)電磁設(shè)施, 對(duì)衛(wèi)星信號(hào)干擾小。

1.2 技術(shù)方案

實(shí)景三維模型重建的主要流程包括影像數(shù)據(jù)采集、地面控制點(diǎn)布設(shè)和內(nèi)業(yè)處理(圖1)。針對(duì)單鏡頭無人機(jī), 通過測(cè)區(qū)內(nèi)試驗(yàn)建立3種不同飛行高度、3種不同云臺(tái)俯仰角和5種不同像控點(diǎn)密度的三維模型并進(jìn)行精度評(píng)價(jià), 獲得單鏡頭無人機(jī)最優(yōu)飛行參數(shù)優(yōu)化方案。

圖1 單鏡頭無人機(jī)實(shí)景三維模型重建最優(yōu)飛行參數(shù)優(yōu)化方案

2 數(shù)據(jù)獲取

2.1 數(shù)據(jù)采集

2.1.1 無人機(jī)數(shù)據(jù)采集 航拍設(shè)備為大疆精靈4Pro(Phantom 4 Pro)無人機(jī), 具有靈活、成本低和快速起飛拍攝等優(yōu)點(diǎn), 其中相機(jī)為2 000萬像素。使用Litchi地面站航線規(guī)劃軟件設(shè)置不同的航高、云臺(tái)俯仰角等飛行參數(shù)。經(jīng)實(shí)地踏勘后, 選取圖書館前面的廣場(chǎng)空地作為起飛平臺(tái)。影像獲取時(shí)間為2017年7月, 飛行時(shí)間分別為08: 00—10: 00和14: 00—16: 00。飛行氣象條件為天氣晴朗, 少云, 微風(fēng)。根據(jù)常規(guī)航空攝影測(cè)量及航拍任務(wù)的實(shí)際需要, 將航向重疊度和旁向重疊度分別設(shè)置為80%和60%, 3種航高分別設(shè)置為60、110和150 m, 3種云臺(tái)俯仰角(設(shè)豎直向下為-90°, 水平方向?yàn)?°)分別設(shè)置為-60°、-45°和-30°, 飛行架次共30次, 獲得12 960張相片(圖2)。

圖2 無人機(jī)飛行路線示意圖

2.1.2 地面控制點(diǎn)數(shù)據(jù)采集 地面控制點(diǎn)包含像控點(diǎn)和檢查點(diǎn), 其中像控點(diǎn)對(duì)無人機(jī)影像進(jìn)行相片糾正, 檢查點(diǎn)用以評(píng)價(jià)傾斜攝影三維模型精度。地面控制點(diǎn)測(cè)量采用華測(cè)i70 RTK接收機(jī), 該設(shè)備實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量的平面定位精度為±(8+10-3d)mm、高程定位精度為±(15+10-3d)mm, 其毫米級(jí)精度滿足大比例尺地形圖精度要求。根據(jù)試驗(yàn)區(qū)實(shí)際情況及控制點(diǎn)布設(shè)原則[16], 地面控制點(diǎn)選擇在實(shí)地、影像上能明確辨認(rèn)、無遮擋區(qū)域, 均布設(shè)在硬化地面上, 以保證控制點(diǎn)的穩(wěn)定性。圖書館周邊控制點(diǎn)布設(shè)如圖3所示。利用ZJCORS的網(wǎng)絡(luò)RTK采用固定支架測(cè)定控制點(diǎn)的三維坐標(biāo), 坐標(biāo)系統(tǒng)采用CGCS2000, 投影為高斯3°帶投影, 中央子午線為120°E, 單位為m。

圖3 地面控制點(diǎn)空間位置分布圖

2.1.3 三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集 地面三維激光掃描儀可以獲取對(duì)目標(biāo)發(fā)射激光光束后向散射回波, 從而獲取目標(biāo)物體的表面特性[17]。為了檢測(cè)單鏡頭多旋翼無人機(jī)測(cè)量建筑物的精度, 利用三維激光掃描儀掃描測(cè)區(qū)范圍內(nèi)部分建筑物, 通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集建筑物墻面試驗(yàn)點(diǎn)之間的相對(duì)距離。根據(jù)試驗(yàn)區(qū)建筑物分布和周圍植被生長(zhǎng)狀況, 選擇合適的站點(diǎn), 在傍晚對(duì)目標(biāo)建筑物進(jìn)行掃描, 獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)[18]。試驗(yàn)共設(shè)8個(gè)測(cè)站進(jìn)行全景或區(qū)域掃描, 站點(diǎn)位置分布如圖4所示。

圖4 三維激光掃描站點(diǎn)分布圖

2.2 數(shù)據(jù)處理軟件

2.2.1 影像數(shù)據(jù) 目前國(guó)內(nèi)外有多種軟件支持處理無人機(jī)航拍的影像, 其中包括Pixel Factory、Photoscan和ContextCapture等。不同軟件在處理影像數(shù)據(jù)上有各自的特點(diǎn)。ContextCapture具有對(duì)數(shù)據(jù)需求量小、模型真實(shí)、兼容多種數(shù)據(jù)格式以及自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn), 能自動(dòng)、快速通過影像數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。利用ContextCapture生成的傾斜攝影三維模型質(zhì)量良好、紋理清晰以及無大面積噪聲, 可依據(jù)軟件對(duì)三維模型進(jìn)行多角度多尺度瀏覽和量測(cè), 提取地面控制點(diǎn)的平面位置、高程以及長(zhǎng)度數(shù)據(jù)。實(shí)景三維模型如圖5所示。

圖5 實(shí)景三維模型

2.2.2 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù) 地面三維激光掃描儀通過掃描目標(biāo)建筑物獲得相應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù), 使用地面三維激光掃描儀配套Cyclone軟件處理獲取的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用Cyclone軟件提供的度量工具提取水平和豎直方向上兩點(diǎn)之間的長(zhǎng)度。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)點(diǎn)空間位置精度分析方法

利用地面控制點(diǎn)中的檢查點(diǎn)和建筑物墻立面線段的長(zhǎng)度對(duì)單鏡頭無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量成果進(jìn)行精度評(píng)定, 精度的驗(yàn)證指標(biāo)采用均方根誤差RMSE。

(1)

(2)

(3)

式中:RMSEXY為平面均方根誤差;RMSEZ為高程均方根誤差;RMSEl為線段長(zhǎng)度均方根誤差;Xi、Yi和Zi分別為三維模型上的坐標(biāo)值;X、Y和Z分別為GNSS-RTK實(shí)測(cè)的坐標(biāo)值;Lj為三維模型上的長(zhǎng)度測(cè)量值;L為地面LiDAR測(cè)量的長(zhǎng)度;n為檢查點(diǎn)個(gè)數(shù);m為線段條數(shù)。

3.2 不同航高的精度分析

航高在60、110、150 m時(shí), 單鏡頭無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的三維模型的點(diǎn)位平面誤差最小值為0.06 m, 最大值為0.15 m; 高程誤差最小值為0.10 m, 最大值為0.32 m。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)(以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”)中規(guī)定, “1∶500成圖比例尺時(shí), 三維模型平面精度不超過0.175 m, 高程精度不超過0.28 m; 1∶1 000成圖比例尺時(shí), 三維模型平面精度不超過0.35 m, 高程精度不超過0.35 m”, 航高60和110 m精度均高于規(guī)范1∶500成圖比例尺要求; 航高150 m的平面精度高于規(guī)范1∶500成圖比例尺要求, 高程精度滿足規(guī)范1∶1 000成圖比例尺要求。航高在60、110、150 m時(shí), 三維模型的建筑物墻立面線段長(zhǎng)度精度的水平誤差最小值為0.05 m, 最大值為0.12 m; 豎直誤差最小值為0.08 m, 最大值為0.14 m。航高為60 m時(shí), 墻立面線段長(zhǎng)度誤差最小, 水平方向和豎直方向分別為0.05和0.08 m(表1)。

表1 3種航高的誤差統(tǒng)計(jì)

3種航高的點(diǎn)位高程誤差均大于平面誤差以及線段長(zhǎng)度豎直方向誤差均大于水平方向誤差, 說明后方交會(huì)計(jì)算兩像片的外方位元素以及立體模型的絕對(duì)定向需要像控點(diǎn)的三維坐標(biāo), 而利用RTK測(cè)量地面控制點(diǎn)時(shí), 其水平方向的測(cè)量精度優(yōu)于高程方向。

3.3 不同云臺(tái)俯仰角的精度分析

根據(jù)規(guī)范, 云臺(tái)俯仰角為-45°時(shí), 三維模型點(diǎn)位平面誤差為0.10 m, 高程誤差為0.11 m; 云臺(tái)俯仰角為-60°時(shí), 點(diǎn)位平面誤差為0.11 m; 云臺(tái)俯仰角為-30°時(shí), 點(diǎn)位高程誤差為0.12 m, 均滿足1∶500成圖比例尺要求。云臺(tái)俯仰角為-60°時(shí), 點(diǎn)位高程誤差為0.46 m; 云臺(tái)俯仰角為-30°時(shí), 點(diǎn)位平面誤差為0.33 m, 均大于1∶1 000成圖比例尺要求。但云臺(tái)俯仰角在-60°、-45°、-30°時(shí), 建筑物墻立面線段長(zhǎng)度水平方向誤差最小值為0.09 m, 最大值為0.11 m; 豎直方向誤差最小值為0.08 m, 最大值為0.12 m。云臺(tái)俯仰角為-45°時(shí), 墻立面線段長(zhǎng)度誤差最小, 水平方向和豎直方向分別為0.08和0.09 m(表2)。

表2 3種云臺(tái)俯仰角的誤差統(tǒng)計(jì)

云臺(tái)俯仰角為-60°時(shí), 點(diǎn)位高程誤差為0.46 m, 平面誤差為0.11 m, 高程誤差明顯高于水平方向; 云臺(tái)俯仰角為-30°時(shí), 點(diǎn)位平面誤差為0.33 m, 高程誤差為0.12 m, 平面誤差較明顯高于高程方向; 云臺(tái)俯仰角為-45°時(shí), 點(diǎn)位水平誤差為0.08 m, 高程誤差為0.09 m, 兩者相當(dāng), 且在不同云臺(tái)俯仰角中的點(diǎn)位精度最高。經(jīng)分析, 當(dāng)相機(jī)傾斜角不同時(shí), 傾斜攝影的像片在垂直和水平方向上的像點(diǎn)位移量不同。由三角函數(shù)tan 45°=1可知, 在相機(jī)傾斜角為45°時(shí), 像點(diǎn)位移量在水平和垂直方向分布相同; 相機(jī)傾斜角小于45°時(shí), 像點(diǎn)位移量垂直方向多于水平方向; 相機(jī)傾斜角大于45°時(shí), 像點(diǎn)位移量水平方向多于垂直方向。

3.4 不同像控點(diǎn)密度的精度分析

像控點(diǎn)密度在0、16、24、32、40個(gè)/km2時(shí), 單鏡頭無人機(jī)傾斜攝影的三維模型點(diǎn)位平面誤差的最小值為0.06 m, 最大值為1.04 m(表3); 高程誤差的最小值為0.06 m, 最大值為34.99 m。當(dāng)像控點(diǎn)密度為0個(gè)/km2時(shí), 平面誤差為1.04 m, 高程誤差為34.99 m, 高程誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平面誤差; 有像控點(diǎn)后的精度顯著提升, 當(dāng)像控點(diǎn)密度16、24、32和40個(gè)/km2時(shí), 平面誤差為0.06～0.10 m, 高程誤差為0.06～0.11 m。像控點(diǎn)密度的增加可以增加多余觀測(cè)量, 增強(qiáng)最小二乘法平差效果。根據(jù)規(guī)范要求, 除了沒有像控點(diǎn)的三維模型, 其他都能滿足1∶500成圖比例尺要求, 且三維模型的平面和高程誤差相當(dāng), 都為0.10 m左右, 其中像控點(diǎn)密度在32個(gè)/km2時(shí)精度最高, 平面和高程的誤差都是0.06 m。因此無人機(jī)傾斜攝影重建三維模型時(shí), 無人機(jī)自帶GPS定位模塊的單點(diǎn)定位誤差較大, 加入像控點(diǎn)進(jìn)行精確定向定位是必要的。

表3 5種像控點(diǎn)密度的誤差統(tǒng)計(jì)

建筑物墻立面線段長(zhǎng)度水平方向誤差最小值為0.08 m, 最大值為0.10 m; 豎直方向誤差最小值為0.10 m, 最大值為0.12 m(表3)。在無像控點(diǎn)時(shí), 建筑物墻立面線段長(zhǎng)度精度遠(yuǎn)高于點(diǎn)位精度, 說明在不需要高精度點(diǎn)位信息時(shí), 可采用無像控點(diǎn)建模, 用以獲取模型中物體的長(zhǎng)度數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 論

通過無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量可以便捷、高效地構(gòu)建地表三維模型, 獲取資源調(diào)查行業(yè)所需的影像數(shù)據(jù)和幾何尺寸信息, 已經(jīng)被廣泛應(yīng)用, 但是單鏡頭多旋翼無人機(jī)在不同航高、不同云臺(tái)俯仰角和不同像控點(diǎn)密度下的實(shí)景三維模型精度研究較少。本文設(shè)計(jì)了3種飛行高度、3種云臺(tái)俯仰角和5種像控點(diǎn)密度, 得到以下研究結(jié)論:

(1)無人機(jī)飛行高度在60 m時(shí), 試驗(yàn)點(diǎn)誤差和墻立面線段長(zhǎng)度誤差最小, 試驗(yàn)點(diǎn)平面誤差為0.06 m, 高程誤差為0.10 m; 建筑物墻立面線段水平方向誤差為0.05 m, 豎直方向誤差為0.08 m。同時(shí), 航高為110 m時(shí), 試驗(yàn)點(diǎn)平面誤差為0.12 m, 高程誤差為0.17 m, 建筑物墻立面線段長(zhǎng)度水平方向誤差為0.09 m, 豎直方向誤差為0.10 m。考慮到作業(yè)效率和模型精度, 在兩者均滿足精度要求的情況下, 航高110 m是最優(yōu)選擇。

(2)云臺(tái)俯仰角為-45°時(shí)試驗(yàn)點(diǎn)和建筑物墻立面線段長(zhǎng)度誤差最小, 試驗(yàn)點(diǎn)平面誤差為0.10 m, 高程誤差為0.11 m; 墻立面線段水平方向誤差為0.08 m, 豎直方向誤差為0.09 m。

(3)像控點(diǎn)密度為32個(gè)/km2時(shí), 試驗(yàn)點(diǎn)平面誤差、高程誤差和建筑物墻立面線段長(zhǎng)度水平方向誤差達(dá)到最小, 分別為0.06、0.06和0.08 m; 其建筑物墻立面線段豎直方向誤差為0.12 m, 與其他像控點(diǎn)密度下的誤差相近。綜上, 像控點(diǎn)密度為32個(gè)/km2時(shí), 建模效果最好。

(4)像控點(diǎn)密度為0個(gè)/km2時(shí), 試驗(yàn)點(diǎn)平面誤差和高程誤差分別為1.04和34.99 m; 而加入像控點(diǎn)且其密度為16個(gè)/km2時(shí), 試驗(yàn)點(diǎn)平面誤差和高程誤差分別為0.10和0.11 m, 并且之后誤差均小于此值。像控點(diǎn)密度在16、24、32和40個(gè)/km2時(shí), 建筑物墻立面線段水平方向和豎直方向均分別小于0.10和0.12 m, 并且大致相同，說明模型重建過程中加入像控點(diǎn), 能有效提升模型的點(diǎn)位精度, 但對(duì)相對(duì)長(zhǎng)度影響不大。

綜上所述, 單鏡頭多旋翼無人機(jī)在飛行高度110 m左右、云臺(tái)俯仰角為-45°左右和像控點(diǎn)密度為32個(gè)/km2時(shí), 可獲得精度最高的實(shí)景三維模型。

本文基于不同航高、不同云臺(tái)俯仰角和不同像控點(diǎn)密度對(duì)實(shí)景三維模型重建精度的影響, 檢測(cè)實(shí)景三維模型上的點(diǎn)位和建筑物墻立面線段長(zhǎng)度的精度, 為快速、準(zhǔn)確和高效獲取高質(zhì)量實(shí)景三維模型提供了新思路、新方法, 以及為低成本、快速、高效獲取單鏡頭無人機(jī)遙感影像提供參數(shù)。不同機(jī)型、不同地區(qū)和不同采集方案對(duì)獲取遙感影像存在差異性, 其他因素對(duì)無人機(jī)采集參數(shù)的影響有待進(jìn)一步討論。