消費級無人機傾斜攝影三維建模與測圖分析

劉攀 王倩

（1甘肅建筑職業(yè)技術學院，甘肅 蘭州 730050；2軍地聯(lián)動應急測繪技術協(xié)同創(chuàng)新中心，甘肅 蘭州 730050）

伴隨電子信息技術、無人機技術的進步，無人機攝影測量技術發(fā)展迅速。常規(guī)數(shù)字測圖采用RTK、全站儀等測量儀器進行數(shù)據(jù)采集和數(shù)字化成圖產品單一、生產成本高、勞動強度大等缺點不斷顯現(xiàn)出來[1]。無人機航空攝影測量技術可以有效克服常規(guī)測量手段的缺點，成為大比例尺測圖的重要手段，采用消費級多旋翼無人機進行小區(qū)域三維模型建立，在地形圖測繪、地質災害調查、古建筑保護等方面的應用越來越廣泛[2-4]。

當前，傾斜攝影測量主要選用工業(yè)級固定翼或多旋翼無人機作為平臺，搭載五鏡頭傾斜攝影相機。工業(yè)級無人機和傾斜攝影五鏡頭相機價格昂貴，各品牌價格從幾萬到幾十萬不等。而消費級無人機價格經(jīng)濟，智能化程度高，操縱簡便，影像分辨率也高，如民用無人機龍頭企業(yè)大疆公司的Phantom（精靈）系列就具備高效、便捷等優(yōu)勢[5]。

1 系統(tǒng)簡介

1.1 消費級無人機傾斜攝影測量

Phantom系列無人機有一個可調節(jié)俯仰角的鏡頭，通過軟件控制鏡頭，分別在前后左右和垂直方向航拍5遍，以實現(xiàn)與專業(yè)五鏡頭類似的效果。后期的內業(yè)處理中采用幾何糾正、影像匹配等方式，能從紋理照片數(shù)據(jù)中進行紋理特征提取并自動貼片，從而構建可視化實景三維模型。

1.2 系統(tǒng)構成

飛行平臺：大疆Phantom4 Pro提供飛行動力，接受航線規(guī)劃軟件的指令和飛行航線控制。

圖1 無人機傾斜攝影示意圖

地面站：通過航線規(guī)劃軟件設置并發(fā)送飛行、航線等指令，接收飛機的狀態(tài)參數(shù)，實時顯示無人機器飛行狀態(tài)。

表1 大疆Phantom4 Pro主要參數(shù)

三維建模軟件：Context Capture，通過導入影像、選刺像控點、空三加密及模型構建等操作即可建立真三維模型，兼容不同來源的影響數(shù)據(jù)，后期可采用多源數(shù)據(jù)融合對模型進行改進。

立體測圖軟件：EPS，可實現(xiàn)裸眼3D在實景三維模型上進行采集作業(yè)，對操作人員的要求大大降低。

2 項目實例分析

以蘭州市七里河區(qū)某區(qū)域進行三維實景模型構建為例，測區(qū)長、寬均為0.7km，面積約0.5km2，地勢平坦，建筑物多，測區(qū)中有兩棟高層建筑物。技術路線見圖2。

圖2 技術路線

2.1 地面像控點布設

借助google地圖采用區(qū)域網(wǎng)法對測區(qū)像控點布設進行設計，在測區(qū)周圍布設平高點，內部根據(jù)需要設置足量的像控點?，F(xiàn)場結合油漆噴繪、像控板、道路標記線等多種形式進行布設，優(yōu)先選取道路標記線，當沒有標記線時進行噴繪。共選取16個像控點，采用網(wǎng)絡RTK平滑5次測得平均三維坐標以保證精度，其中8個點將用于成果點位精度檢驗。

2.2 航線規(guī)劃與影像獲取

使用Altizure軟件進行航線設計，采用折線型航線進行影像采集。本次航飛的相對航高是120m，航向重疊80%，旁相重疊70%，地面分辨率達到3cm，滿足CH/Z 3005-2010《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》中地面分辨率的要求。

2.3 內業(yè)處理

2.3.1 空三測量

運用：Context Capture加載測區(qū)的影像，選刺8個像控點，采用光束法區(qū)域網(wǎng)平差，將模型納入地面坐標系。

2.3.2 影像匹配

同名點自動匹配，極大降低工作量，提取大量特征點構成密集點云，在地形復雜、地物繁雜的地區(qū)進行密集匹配。見圖3。

圖3 三維模型

2.3.3 紋理映射

通過計算和匹配后構建三角格網(wǎng)TIN，進而生成白模型，再將紋理從采集的影像中進行提取、映射，得到實景三維模型。

2.3.4 三維成圖

采用EPS進行地形圖測繪，導入三維模型后進行各種參數(shù)設置，繪圖員在三維模型上進行各類要素的采集，大大降低了外業(yè)工作量，減輕了外業(yè)勞動輕度。繪制完成后需要進行外業(yè)調繪，對有疑問部分和遮擋部分進行補測等處理。

2.4 精度檢驗

使用RTK測量8個未使用的像控點進行檢查，此8個點均勻分布在測區(qū)內，在三維模型基礎生成的地形圖上采集8個點的坐標。

表2 實測坐標與三維模型坐標對比表

X方向中誤差為0.032m，最大誤差為0.042；Y方向中誤差為0.036m，最大誤差為0.057m；H中誤差為0.052m，最大誤差為0.066m。

3 結論

在小范圍采用消費級無人機進行傾斜攝影，構建測區(qū)的實景三維模型，并進行大比例尺測圖，能夠滿足大比例尺地形圖測繪的精度要求，并具有以下優(yōu)點：硬件價格低，有效降低生產成本；外業(yè)勞動強度小，提高作業(yè)效率；數(shù)據(jù)獲取智能化程度高；入門簡單，影像獲取迅速便捷。