無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在鄉(xiāng)村環(huán)境整治提升工程中的應(yīng)用研究

梁秀英，張廣波

（1.中材地質(zhì)工程勘查研究院有限公司，北京 100102；2.北京華星勘查新技術(shù)有限公司，北京 101102）

0 引言

隨著全國(guó)“創(chuàng)城”工作的不斷深入推進(jìn)，建筑物外立面改造和景觀提升逐漸成為城市精細(xì)化管理和城市規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要工作之一，建筑立面測(cè)量和地形測(cè)量是鄉(xiāng)村環(huán)境整治提升的基礎(chǔ)性工作[1]。傳統(tǒng)的立面測(cè)量和地形測(cè)量采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量（real-time kinematic survey，RTK）、全站儀結(jié)合測(cè)距儀的方式，存在工作量大、投入人員多且作業(yè)效率低的問(wèn)題，已不滿足新時(shí)代測(cè)繪工作的新要求[2]。隨著無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的興起，其作業(yè)方式和成果精度逐漸得到行業(yè)認(rèn)可，該技術(shù)能夠?qū)Φ匚镞M(jìn)行多角度拍攝，通過(guò)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，生成真實(shí)三維場(chǎng)景模型?；谀Ｐ椭谱鞯匦螆D和建筑立面圖具有效率高、成本低、信息豐富等特點(diǎn)。本文探討無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在地形測(cè)量和立面測(cè)量中的應(yīng)用并分析其成果精度，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)和借鑒意義。

本文基于旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載的五鏡頭傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)，獲取了北京市延慶區(qū)某村莊的影像數(shù)據(jù)。首先，經(jīng)過(guò)差分解算、空三加密、模型生產(chǎn)、模型精修等處理流程制作實(shí)景三維模型；然后，基于實(shí)景三維模型生產(chǎn)了1：500 地形圖和建筑立面圖；最后，對(duì)比分析了基于實(shí)景三維模型提取數(shù)據(jù)與野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的差異。

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量是以無(wú)人機(jī)為飛行平臺(tái)，通過(guò)搭載多鏡頭傾斜相機(jī)（最常見的是五鏡頭傾斜相機(jī)）獲取地表遙感影像信息的無(wú)人航測(cè)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)[3]，主要分為外業(yè)數(shù)據(jù)獲取和內(nèi)業(yè)模型制作兩部分。外業(yè)工作主要包括現(xiàn)場(chǎng)踏勘、航線規(guī)劃、像控布測(cè)、影像采集等步驟；內(nèi)業(yè)工作主要包括數(shù)據(jù)整理、空三加密、三維建模、模型修復(fù)等步驟。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量作業(yè)流程如圖1 所示。

圖1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量作業(yè)流程

2 鄉(xiāng)村環(huán)境整治提升工作內(nèi)容

為了響應(yīng)和貫徹“美麗、干凈、整潔、宜居”的鄉(xiāng)村環(huán)境整治提升要求及“無(wú)痕山林”辦奧理念，本研究基于2022 年北京冬奧會(huì)環(huán)境建設(shè)一期項(xiàng)目，同時(shí)結(jié)合《農(nóng)村人居環(huán)境整治提升五年行動(dòng)方案（2021—2025 年）》[4]，相關(guān)部門共同商定了本項(xiàng)目中鄉(xiāng)村環(huán)境整治提升的農(nóng)村生活垃圾治理、廁所糞污治理、生活污水治理、提升村容村貌、加強(qiáng)村莊規(guī)劃五項(xiàng)工作內(nèi)容。其中，前三項(xiàng)工作內(nèi)容涉及垃圾投放點(diǎn)、廁所糞污點(diǎn)、生活污水點(diǎn)的調(diào)查和測(cè)繪，需要提供地形圖；后兩項(xiàng)工作內(nèi)容涉及村容村貌現(xiàn)狀道路、線纜、墻面等要素的獲取及村莊規(guī)劃編制，需要提供真實(shí)三維場(chǎng)景模型、地形圖和立面圖。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在不動(dòng)產(chǎn)測(cè)繪和工程測(cè)量中的應(yīng)用實(shí)踐[5-9]，完全能夠滿足本項(xiàng)目的需求，但對(duì)其精度的系統(tǒng)研究相對(duì)較少[10]，本研究結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，探討了無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在鄉(xiāng)村環(huán)境整治提升中的應(yīng)用。

3 數(shù)據(jù)獲取與處理

3.1 測(cè)區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)區(qū)選擇北京市延慶區(qū)某村莊，總面積約0.5 km2，其中，居民區(qū)面積約0.3 km2，山地面積約0.2 km2。居民區(qū)地勢(shì)較平坦且建筑物密集，周邊地區(qū)為小海陀山山地，地勢(shì)陡峭且植被茂密。

3.2 航線規(guī)劃

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量航線規(guī)劃經(jīng)常設(shè)計(jì)為絕對(duì)航高不變的平行航線或交叉航線[11]，平行航線如圖2（a）所示，交叉航線如圖2（b）所示。對(duì)于中間低、四周高的盆狀地形，傳統(tǒng)的航線布設(shè)方法存在以下問(wèn)題。

圖2 航線設(shè)計(jì)方案

（1）在保證飛行安全的情況下，盆地低洼處相對(duì)航高較高，導(dǎo)致地面分辨率降低，影響建模精度和視覺(jué)效果。

（2）在保證地面分辨率的情況下，盆地四周起伏變化較大區(qū)域相對(duì)航高較低，導(dǎo)致影像重疊度降低，同時(shí)影響飛行安全。

（3）當(dāng)滿足飛行安全和地面分辨率的基本條件時(shí)，存在的遮擋盲區(qū)、數(shù)據(jù)冗余問(wèn)題影響內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和建模效率。

針對(duì)以上問(wèn)題，本研究航線規(guī)劃采用“井”字形方案，如圖2（c）所示采用兩種絕對(duì)航高、不同覆蓋范圍的航線設(shè)計(jì)方案。充分利用航帶間的重疊率，避免發(fā)生因建筑物密集導(dǎo)致影像缺失、拉花、破洞等問(wèn)題；為了飛行安全，覆蓋山地的航高相對(duì)較高。居民區(qū)的航線規(guī)劃基本參數(shù)設(shè)置如下：1 個(gè)像素表示的地面距離為 1.1 cm；飛行速度為5.5 m/s；采用等時(shí)間間隔拍照，時(shí)間間隔為1.2 s；平均航高為67 m；航向、旁向重疊率分別為85%、76%；飛行2 個(gè)架次、53 條主航線，航線總長(zhǎng)度為14.3 km。山地區(qū)域的航線規(guī)劃基本參數(shù)設(shè)置如下：1 個(gè)像素表示的地面距離為3 cm；飛行速度為5.5 m/s；采用等時(shí)間間隔拍照，時(shí)間間隔為3.4 s；平均航高為156 m；航向、旁向重疊率分別為85%、76%；飛行1 個(gè)架次、13 條主航線，航線總長(zhǎng)度為8.4 km。

3.3 像控點(diǎn)布測(cè)

由于像控點(diǎn)直接參與空三解算，其布設(shè)和測(cè)量直接影響模型和測(cè)圖的數(shù)學(xué)精度[12]。傳統(tǒng)傾斜攝影測(cè)量的像控點(diǎn)布設(shè)模式一般采用航向、旁向均勻分布的規(guī)則格網(wǎng)布設(shè)方式[13]，但測(cè)區(qū)形狀不規(guī)則且周邊高差較大，植被茂密且特征地物較少，傳統(tǒng)像控點(diǎn)布設(shè)模式存在以下問(wèn)題：對(duì)于不規(guī)則測(cè)區(qū)，如果像控點(diǎn)數(shù)量不能包圍住整個(gè)區(qū)域，邊緣處的精度難以得到保證；由于密林山區(qū)通行困難，實(shí)際操作需要考慮像控點(diǎn)布設(shè)成本和外業(yè)工作量，部分格網(wǎng)中的像控點(diǎn)難以布設(shè)到位。

針對(duì)測(cè)區(qū)實(shí)際狀況，本研究將測(cè)區(qū)劃分3 種類型，即平坦區(qū)、陡峭區(qū)和帶狀區(qū)。平坦區(qū)采用6點(diǎn)法布點(diǎn)形式，按航線每分段布設(shè)6 個(gè)平高點(diǎn)，如圖3（a）所示。陡峭區(qū)采用地形特征點(diǎn)布設(shè)形式，在陡崖、斜坡、溝谷等地貌要素的頂部和底部布設(shè)平高點(diǎn)，如圖3（b）所示。帶狀區(qū)采用點(diǎn)對(duì)布設(shè)形式，即在垂直于帶狀兩邊和帶狀區(qū)域中間布設(shè)平高點(diǎn)，如圖3（c）所示。

圖3 像控點(diǎn)布設(shè)方案

同時(shí)，高質(zhì)量的像控點(diǎn)布測(cè)應(yīng)注意以下3 點(diǎn)：遵循“角點(diǎn)布設(shè)、中間加密、均勻布設(shè)”的原則，盡量布設(shè)在6 度重疊區(qū)；外業(yè)像控采集需要每個(gè)點(diǎn)測(cè)3 個(gè)測(cè)回（每個(gè)測(cè)回平滑10 次）；地形起伏較大區(qū)域應(yīng)加密像控點(diǎn)，盡量體現(xiàn)地形變化。本項(xiàng)目共計(jì)布設(shè)了20 個(gè)像控點(diǎn)，并使用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）RTK 技術(shù)得到像控點(diǎn)的平高坐標(biāo)。

3.4 影像數(shù)據(jù)獲取

本實(shí)驗(yàn)采用大黃蜂BB4 四旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載的睿博D2 五鏡頭傾斜相機(jī)獲取航測(cè)影像數(shù)據(jù)。

3.5 實(shí)景三維模型制作

實(shí)景三維模型制作主要分為數(shù)據(jù)整理、空三解算、三維建模和模型修測(cè)4 個(gè)部分，其中最關(guān)鍵的一步是空三解算，其結(jié)果直接影響模型的精度。為提高模型精度，本文對(duì)4 個(gè)部分工作的注意問(wèn)題和主要操作進(jìn)行如下說(shuō)明。

（1）數(shù)據(jù)整理。將傾斜相機(jī)5 個(gè)鏡頭分別編碼為S（下視）、W（前視）、X（后視）、A（左視）和D（右視），分別存儲(chǔ)鏡頭對(duì)應(yīng)的像片數(shù)據(jù)。編輯生成“Photo.csv”文件，存儲(chǔ)拍照瞬間飛行平臺(tái)的位置，包括像片編號(hào)、緯度、精度、大地高等信息。編輯生成“Photo.kml”文件，存儲(chǔ)航測(cè)的定位測(cè)姿系統(tǒng)（position and orientation system，POS）數(shù)據(jù)。編輯生成“blocksbaseOR-Riy.xlsx”文件，主要存儲(chǔ)各個(gè)架次的分區(qū)數(shù)據(jù)和各個(gè)鏡頭的航向角、俯仰角、橫滾角、畸變等光學(xué)屬性數(shù)據(jù)。最終經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)預(yù)處理等流程，共得到10 715 張有效像片和2 143 條概略POS 數(shù)據(jù)。

（2）空三解算。在多視角、多幅像片上精確標(biāo)記同名像控點(diǎn)的位置，空間參考系統(tǒng)的選擇與像控點(diǎn)保持一致，后續(xù)通過(guò)空中三角測(cè)量解算，將整體坐標(biāo)糾正至目標(biāo)坐標(biāo)系。刺點(diǎn)原則可概括為虛實(shí)結(jié)合像素點(diǎn)、不刺過(guò)曝像片、不刺像片邊緣，盡量多鏡頭像片皆刺點(diǎn)；使用瞰景智慧三維（Smart3D）軟件進(jìn)行空三解算，空三精度必須滿足《數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范》（GB/T 23236—2009）的限差要求。

（3）三維建模。利用瞰景Smart3D 軟件進(jìn)行三維建模，采用規(guī)則平面格網(wǎng)模式對(duì)空三成果進(jìn)行切塊。調(diào)整切塊的大小，將隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）使用量控制在計(jì)算機(jī)內(nèi)存容量的1/3（實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)值）。本實(shí)驗(yàn)的三維模型格式選擇開源場(chǎng)景圖像二進(jìn)制（open scene gragh binary，OSGB），紋理壓縮質(zhì)量選擇50%；設(shè)定模型的空間參考系統(tǒng)與像控點(diǎn)保持一致。

（4）模型修測(cè)。采用天際航數(shù)字圖像建模系統(tǒng)（digital photo modeler，DP-Modeler）軟件對(duì)三維模型中的拉花、破洞、水面等進(jìn)行修補(bǔ)，得到精細(xì)實(shí)景三維模型，如圖4 所示。模型紋理 清晰，細(xì)節(jié)豐富，能夠滿足立面測(cè)圖的視覺(jué)要求。

圖4 三維實(shí)景模型

4 成果制作

在空三加密精度滿足1：500 地形圖精度要求的前提下，本文將瞰景Smart3D 軟件生產(chǎn)的OSGB格式三維模型導(dǎo)入南方數(shù)碼凱思三維（CASS 3D）基礎(chǔ)版軟件，基于實(shí)景三維模型進(jìn)行地形圖制作和建筑立面采集。建筑立面圖成果如圖5（a）所示，地形圖成果如圖5（b）所示。

5 質(zhì)量分析

5.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

精度評(píng)價(jià)采用中誤差作為衡量立面精度和點(diǎn)位精度的指標(biāo)[14]，中誤差計(jì)算公式如公式（1）。

式中：vi代表殘差，分為邊長(zhǎng)、高程和點(diǎn)距離3 種類型；n代表檢查點(diǎn)數(shù)量；m為中誤差。

5.2 立面精度

本文使用徠卡手持測(cè)距儀采集建筑物門窗、墻面等明顯地物邊長(zhǎng)并將其作為立面檢查數(shù)據(jù)，共采集60 條邊長(zhǎng)檢查數(shù)據(jù)。在實(shí)景三維模型中采集相應(yīng)的邊長(zhǎng)數(shù)據(jù)，并與實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，立面相對(duì)中誤差為3.03 cm，平均殘差為0.379 cm。立面精度檢核表如表1 所示。

表1 立面精度檢核表

5.3 點(diǎn)位精度

本文使用北京連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)（continuously operating reference stations，CORS）配合全站儀實(shí)地對(duì)房屋拐角、道路拐點(diǎn)及硬化路面斑馬線特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，將獲取的房角點(diǎn)作為平面檢查點(diǎn)、硬化路面斑馬線特征點(diǎn)作為高程檢查點(diǎn)，共采集96個(gè)平面檢查點(diǎn)、68 個(gè)高程檢查點(diǎn)。在傾斜模型上采集相應(yīng)檢查點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并與實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，平面位置中誤差為4.4 cm，高程中誤差為6.1 cm，滿足1:500 國(guó)家基本比例尺地形圖的要求。高程精度檢核表如表2所示，平面精度檢核表如表3 所示。

表2 高程精度檢核表

表3 平面精度檢核表

6 結(jié)論

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，并在各行各業(yè)得到應(yīng)用和驗(yàn)證[15]，本文通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目進(jìn)一步驗(yàn)證了相關(guān)研究結(jié)論。上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以分析得出，基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量方法生成的三維實(shí)景模型及其生產(chǎn)的立面圖，滿足1：500國(guó)家基本比例尺地形圖精度要求，而且獲得了測(cè)區(qū)紋理豐富、精度較高的實(shí)景三維模型，可以繼續(xù)提取地物要素，更好地輔助城市管理部門進(jìn)行城市規(guī)劃和設(shè)計(jì)。該方法效率高、成本低、數(shù)據(jù)完整，對(duì)立面測(cè)量工作具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。但無(wú)人機(jī)傾斜攝影只能從建筑物頂部獲得數(shù)據(jù)，存在建筑物底部、隱蔽區(qū)域數(shù)據(jù)缺失和影像拉花的現(xiàn)象，對(duì)立面數(shù)據(jù)采集造成一定的影響，基于近景攝影測(cè)量、激光掃描數(shù)據(jù)與傾斜影像的多源數(shù)據(jù)融合將是解決上述問(wèn)題的努力方向。