無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在實(shí)景三維模型測(cè)圖中的應(yīng)用

田振東 秦少林 杜新紅 李艷貴

（1.輝縣市春誠(chéng)測(cè)繪有限公司，河南 輝縣 453600；2.輝縣自然資源和規(guī)劃局，河南 輝縣 453600）

1 引言

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)憑借機(jī)動(dòng)靈活、作業(yè)高效迅速、可高頻監(jiān)測(cè)關(guān)鍵區(qū)域、成本低廉等特點(diǎn)，在應(yīng)急保障和小區(qū)域地形圖測(cè)繪領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢(shì)[1]。但傳統(tǒng)航測(cè)技術(shù)只能從垂直角度獲取影像，且影像畸變嚴(yán)重，傾斜角和旋偏角較大，外業(yè)工作量大。無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)作為一項(xiàng)新興的測(cè)繪手段，其獲取的傾斜影像可讓用戶(hù)從多個(gè)角度觀察地面上的各種建筑、自然景象等，更加真實(shí)反映實(shí)際物體的情況，利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行三維測(cè)圖成為了一種可能[2]。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載傳感器設(shè)備，從多角度獲取高分辨率和多方位影像數(shù)據(jù)，通過(guò)內(nèi)業(yè)處理軟件生成實(shí)景三維模型，并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用裸眼三維采編軟件在模型中直接測(cè)量坐標(biāo)、采集成圖[3]。通過(guò)實(shí)景三維模型能多角度查看地物，房屋結(jié)構(gòu)、屋檐、飄樓、陽(yáng)臺(tái)、層數(shù)等細(xì)節(jié)信息，都可直接在三維場(chǎng)景下采集、標(biāo)注，大大減少了外業(yè)調(diào)繪的工作量。無(wú)人機(jī)傾斜攝影裸眼三維測(cè)圖，相比傳統(tǒng)測(cè)量具有機(jī)動(dòng)靈活、外業(yè)工作量少、勞動(dòng)強(qiáng)度低、生產(chǎn)效率高、精度高、測(cè)量限制少等優(yōu)點(diǎn)，避免了野外測(cè)量受天氣影響大、勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全隱患多、工序復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)，在智慧城市、不動(dòng)產(chǎn)測(cè)繪、城市規(guī)劃、國(guó)土資源管理、拆遷建設(shè)、全域土地綜合整治等需要大比例尺地形圖的項(xiàng)目中具有廣闊的應(yīng)用前景[4]。

本文通過(guò)無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)搭載傾斜相機(jī)，采用傾斜攝影的方式獲取高重疊度影像數(shù)據(jù)，利用集群處理影像數(shù)據(jù)，輸出實(shí)景三維模型，采用裸眼三維模型立體量測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)外業(yè)調(diào)繪的高精度大比例尺地形圖測(cè)繪，并通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此技術(shù)路線的可行性。

2 傾斜攝影三維測(cè)圖技術(shù)

傾斜攝影三維測(cè)圖是基于實(shí)景三維模型對(duì)地形、地貌數(shù)據(jù)進(jìn)行“裸眼”測(cè)圖。用低空無(wú)人機(jī)搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從垂直、左側(cè)、右側(cè)、前方、后方五個(gè)不同的角度采集影像，獲取豐富的建（構(gòu)）筑物頂面、側(cè)視及地形的高分辨率紋理，通過(guò)自動(dòng)化三維建模軟件，制作實(shí)景三維模型。在內(nèi)業(yè)測(cè)圖中，裸眼即可清晰看到地物的特征及細(xì)節(jié)，直接觀測(cè)立體影像，采集地形圖各類(lèi)要素，如房檐改正距離、建筑物層數(shù)、植被屬性、路寬等，在實(shí)景三維模型上即可準(zhǔn)確判斷，極大減少了外業(yè)工作量，提高成圖效率和成圖質(zhì)量[2]?；跓o(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的大比例尺三維測(cè)圖技術(shù)流程如圖1 所示，主要包括無(wú)人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)采集、空三加密、模型構(gòu)建、裸眼立體測(cè)圖、外業(yè)調(diào)繪。

圖1 傾斜三維測(cè)圖作業(yè)流程

（1）傾斜數(shù)據(jù)采集。根據(jù)作業(yè)區(qū)地形類(lèi)型和成圖精度要求的不同采集外業(yè)數(shù)據(jù)，踏勘研究區(qū)，選取飛行器與相機(jī)，設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)飛行航線、飛行時(shí)間，以獲取地表影像數(shù)據(jù)、像控點(diǎn)信息。航攝完成后對(duì)航攝影像、POS 數(shù)據(jù)、像控信息等各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行全面檢查，檢查無(wú)誤后，及時(shí)將航攝數(shù)據(jù)提交內(nèi)業(yè)處理。

（2）空三解算。傾斜攝影數(shù)據(jù)空中三角測(cè)量使用多視角聯(lián)合平差，空三解算自動(dòng)化程度更高，算法復(fù)雜，計(jì)算量大，人工干預(yù)少。將機(jī)載POS 提供的6 個(gè)外方位元素引入攝影測(cè)量區(qū)域網(wǎng)平差中，利用后處理軟件采用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型和算法實(shí)現(xiàn)對(duì)多視影像的自動(dòng)匹配，得到同名連接點(diǎn)，構(gòu)建自由網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)傾斜攝影影像的空三加密。

（3）模型構(gòu)建。采用分塊計(jì)算，經(jīng)過(guò)空三加密后，自動(dòng)選擇不同視角上的最佳像對(duì)模型，生成三維尺度的密集點(diǎn)云。然后采用不規(guī)則三角網(wǎng)方法，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果進(jìn)行分割，構(gòu)建TIN 數(shù)據(jù)，進(jìn)而生成白模數(shù)據(jù)。根據(jù)三維TIN 的空間位置信息，獲取最佳視角影像紋理，自動(dòng)賦予模型紋理，輸出osgb 格式三維模型成果。

（4）裸眼立體測(cè)圖。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)實(shí)景裸眼三維采集軟件均能實(shí)現(xiàn)360°無(wú)死角視圖作業(yè)，對(duì)同一地物可通過(guò)不同角度進(jìn)行點(diǎn)線量測(cè)。將傾斜攝影建立的高精度實(shí)景三維模型加載到三維測(cè)圖軟件中，裸眼直接觀測(cè)立體影像，采集地形圖各類(lèi)要素。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集采用二三維聯(lián)動(dòng)一體化測(cè)圖模式，加載實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)二維或三維環(huán)境下采集各種地物類(lèi)型的特征點(diǎn)或特征線、地貌、高程信息，完成地形圖繪制。

（5）外業(yè)調(diào)繪。以?xún)?nèi)業(yè)采集數(shù)據(jù)為底圖進(jìn)行實(shí)地調(diào)繪，對(duì)內(nèi)業(yè)不能準(zhǔn)確繪制的地形地物進(jìn)行查缺補(bǔ)漏，最終完善地形圖。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 測(cè)區(qū)概況

鹿邑縣位于豫皖交界的河南省東部，屬河南省周口市。地理坐標(biāo)介于北緯33°43′～34°51′，東經(jīng)115°25′～115°37′。鹿邑東西長(zhǎng)54.6 公里，南北寬40.5 公里，總面積1238 平方公里，耕地面積124 萬(wàn)畝，境內(nèi)地勢(shì)平坦、低緩傾斜，西北高、東南低，地面要素主要以居民地、耕地為主。鹿邑縣全域地形圖測(cè)繪項(xiàng)目需要獲取地面分辨率優(yōu)于0.03 米傾斜影像數(shù)據(jù)。本文選取張店鎮(zhèn)為生產(chǎn)區(qū)進(jìn)行分析，技術(shù)路線如上文所述。測(cè)區(qū)DOM 如圖2 所示。

圖2 測(cè)區(qū)局部DOM

3.2 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)獲取與處理

結(jié)合測(cè)區(qū)地形地貌，項(xiàng)目采用飛馬V10 垂直起降無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，全畫(huà)幅傾斜攝影五拼相機(jī)作為航攝儀，設(shè)計(jì)適宜的飛行時(shí)間段進(jìn)行航飛，飛行平均航高為400m；影像地面分辨率為3cm；航向重疊度為75%，旁向重疊度為70%。航攝完成后，首先全面檢查航攝影像、POS 數(shù)據(jù)等各項(xiàng)參數(shù)，檢查無(wú)誤后，對(duì)外業(yè)航攝數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括創(chuàng)建工程，導(dǎo)入影像、飛行文件、像控點(diǎn)坐標(biāo)，對(duì)原始影像數(shù)據(jù)進(jìn)行勻光勻色和畸變差改正。其次，使用Context Capture 軟件經(jīng)過(guò)影像匹配、空三加密、生成TIN 和紋理貼圖等工序，建立高精度實(shí)景三維模型。最后經(jīng)核查修改，提交下一步高精度測(cè)圖工作。實(shí)景三維模型成果如圖3 所示。

圖3 測(cè)區(qū)局部實(shí)景三維模型

3.3 三維數(shù)字測(cè)圖

地形圖要素采集采用航天遠(yuǎn)景裸眼三維測(cè)圖模塊，該系統(tǒng)直接與AutoCAD、南方CASS 等軟件結(jié)合，擺脫了傳統(tǒng)三維采編中立體眼鏡的束縛，通過(guò)創(chuàng)建并加載傾斜攝影實(shí)景三維模型，分別對(duì)房屋、道路、植被、斜坡、獨(dú)立地物、管線、水系等地物地貌以及等高線進(jìn)行繪圖，實(shí)現(xiàn)多窗口二三維聯(lián)動(dòng)一體化聯(lián)動(dòng)采編。二三維聯(lián)動(dòng)采編如圖4 所示。

圖4 二三維聯(lián)動(dòng)采編

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集完后，需對(duì)無(wú)法測(cè)量、識(shí)別的地物進(jìn)行實(shí)地調(diào)繪與補(bǔ)繪，主要包括：①對(duì)內(nèi)業(yè)漏測(cè)和難以準(zhǔn)確判繪的圖形信息（如遮蓋區(qū)域、光纜標(biāo)），尤其對(duì)地物遮擋造成的實(shí)景三維模型局部模糊、變形，少量地物要素難以準(zhǔn)確采集的情況；②部分線狀懸空的地物，如電力線、通訊線等，實(shí)景三維建模較難，難以準(zhǔn)確辨別其走向和連接關(guān)系；③對(duì)內(nèi)業(yè)難以獲取的屬性信息進(jìn)行調(diào)繪，如單位名稱(chēng)、路名、村莊名字等，最終上圖編輯形成數(shù)字化地形圖，如圖5 所示。

圖5 局部實(shí)景三維模型+DLG

4 精度分析

為檢驗(yàn)基于三維模型量測(cè)地形圖的可行性和精度，在測(cè)區(qū)采用RTK技術(shù)均勻量測(cè)平面和高程點(diǎn)各50個(gè)點(diǎn)。以這些實(shí)地量測(cè)的檢查點(diǎn)坐標(biāo)作為已測(cè)地形圖的檢核點(diǎn)，分析地形圖的平面和高程精度（如圖6、圖7 所示），地形圖的平面精度統(tǒng)計(jì)如表1 所示，高程精度統(tǒng)計(jì)如表2 所示。經(jīng)對(duì)比分析，得出平面中誤差0.083m，高程中誤差0.132m，滿(mǎn)足大比例尺測(cè)圖精度要求。

表1 檢查點(diǎn)部分平面精度統(tǒng)計(jì)

表2 檢查點(diǎn)部分高程精度統(tǒng)計(jì)

圖6 平面誤差分布

圖7 高程誤差分布

5 結(jié)語(yǔ)

本文討論了基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量構(gòu)建裸眼實(shí)景三維模型測(cè)圖的方法，并以鹿邑縣張店鎮(zhèn)1∶500 地形圖測(cè)量為例，分析了地形圖所能達(dá)到的精度水平，表明該技術(shù)路線可行，精度符合相關(guān)規(guī)范要求，相較傳統(tǒng)測(cè)繪大大減少了外業(yè)工作，整體效率有所提高，同時(shí)還得到了高分辨率DOM、實(shí)景三維模型等成果。