復(fù)雜地形中消費級無人機傾斜攝影測量技術(shù)研究

焦世強

（中煤科工集團武漢設(shè)計研究院有限公司,湖北 武漢 430064）

0.引言

隨著基礎(chǔ)建設(shè)速度的不斷推進，傳統(tǒng)的數(shù)字測圖手段如全站儀、經(jīng)緯儀、GPS-RTK等，由于生產(chǎn)效率低、經(jīng)濟成本高，逐漸被傾斜攝影測量技術(shù)所取代。與傳統(tǒng)單點數(shù)據(jù)以及單一正射影像的獲取不同，無人機傾斜攝影測量技術(shù)由于機動靈活、作業(yè)效率高，可以快速、高精度獲得數(shù)字3D產(chǎn)品，因此在工程建設(shè)中有著廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的航測無人機主要以固定翼和多旋翼為主，傾斜攝影測量作業(yè)時多搭載五鏡頭，從不同角度直觀、精準(zhǔn)、有效地獲取測區(qū)影像數(shù)據(jù)，但是由于無人機體積大、造價昂貴，并且無人機鏡頭售價高昂，操作較為復(fù)雜，專業(yè)性較高，對于中小項目而言，消費級小型多旋翼單鏡頭無人機由于經(jīng)濟、高效、輕便，因此在傾斜攝影測量中也有著廣泛應(yīng)用。相比較測繪級無人機，利用消費級無人機進行傾斜攝影測量，一方面提升了測繪工作效率；另一方面又降低了測繪成本。

近年來以大疆為主的消費級無人機由于其諸多優(yōu)點，在精度要求不高的小區(qū)域傾斜攝影測量方面有著廣泛應(yīng)用[1]。但是由于消費級無人機鏡頭搭載數(shù)量有限，且差分定位精度低，因此需依靠像控點提高傾斜模型精度。但是目前針對消費級無人機低空傾斜攝影還沒有明確要求，且相關(guān)應(yīng)用主要是地勢平坦區(qū)域，針對地形復(fù)雜、地勢起伏較大的場地相關(guān)研究較少。本文以某測區(qū)為例，以消費級無人機為主要作業(yè)方式，對該復(fù)雜區(qū)域傾斜攝影測量像控點的布設(shè)方式進行探討。

1.測區(qū)概況及飛行方案設(shè)計

1.1 測區(qū)概況

測區(qū)位于某市某景區(qū)山頂，該山頂為古代祭祀遺址，現(xiàn)急需對山頂進行旅游規(guī)劃，因此要獲取遺址三維數(shù)字化模型，方便后期量測和設(shè)計。測區(qū)面積約為0.85km2，東西長0.83km，南北長約1.03km，測區(qū)周圍環(huán)境復(fù)雜，植被茂密，地勢陡峭險峻，最大高程差超過70m（如圖1所示）。大型無人機從山腳飛行到山頂直接進行數(shù)據(jù)采集難度大，而山頂數(shù)據(jù)采集時大型無人機設(shè)備又難以攜帶，因此通過人工攜帶多旋翼小型無人機設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集。

圖1 測區(qū)概貌

根據(jù)《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》（CH/Z3005—2010）中關(guān)于航高保持的規(guī)定，同一航線上相鄰像片的航高差應(yīng)大于30m；當(dāng)無人機的相機鏡頭不可變焦時，地面分辨率隨航高而定，為保持航測時地面分辨率相對統(tǒng)一，相應(yīng)的測區(qū)地物海拔高差也應(yīng)不大于50m。因此，本文認(rèn)為復(fù)雜地形可以指地物海拔高差大于50m的場地，實驗測區(qū)滿足復(fù)雜地形要求。

1.2 外業(yè)飛行參數(shù)計算

本次作業(yè)選擇的是大疆Phantom 4 RTK無人機，該款無人機屬于小型高精度航測無人機，主要應(yīng)用于低空攝影測量，具有厘米級導(dǎo)航定位精度，在小場景航測方面有一定應(yīng)用，但是在復(fù)雜地形中，相關(guān)應(yīng)用不多。根據(jù)《低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》，相對航高計算公式：，大疆Phantom 4 RTK無人機有效像素為2000萬，（f焦距）為24mm；光感原件尺寸為6mm×4mm，分辨率為4900×3700，則a（像元尺寸）約為1.2um；GSD（影像地面分辨率）為3cm，則確定飛行高度為60m，本項目應(yīng)布設(shè)像控點數(shù)量不少于6個。

1.3 飛行方案設(shè)計

傳統(tǒng)的正射影像圖主要通過飛行器搭載垂直鏡頭進行影像數(shù)據(jù)獲取，但是由于拍攝影像數(shù)據(jù)有限，因此缺少地物地貌的三維信息。傾斜攝影測量與正射影像圖測量外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程基本相同，但是傾斜攝影測量搭載多鏡頭，可從多角度采集外業(yè)數(shù)據(jù)，因此內(nèi)業(yè)成果不僅能夠最大程度地反映真實的地物地貌紋理特征，還能精確地匹配坐標(biāo)位置信息。具體操作流程如下：（1）測區(qū)踏勘。搜集測區(qū)紙質(zhì)或者數(shù)字資料，實地踏勘測區(qū)環(huán)境，根據(jù)測區(qū)實際情況選擇靶標(biāo)和無人機類型；（2）規(guī)劃設(shè)計。根據(jù)測區(qū)現(xiàn)狀和無人機類型，計算規(guī)劃出無人機飛行航線、作業(yè)時間段、備用電池數(shù)量、飛行高度、航向和旁向重疊度等；（3）像控點布設(shè)和測量。根據(jù)測區(qū)現(xiàn)狀選擇像控點坐標(biāo)采集方式，本項目選擇GPS-RTK進行像控點坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集；（4）影像數(shù)據(jù)采集。利用移動端操控?zé)o人機，使其按照事先規(guī)劃飛行線路進行傾斜多角度影像獲?。唬?）內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。應(yīng)用數(shù)據(jù)處理軟件，進行空三加密和特征點匹配，若有需要及時補測，進行實景三維建模，制作正射影像圖和數(shù)字線劃圖。

由于本測區(qū)高差較大，因此本項目設(shè)計出階梯式環(huán)繞航攝方案，根據(jù)測區(qū)地物不同海拔高度設(shè)置不同航高。相對平坦的測區(qū)設(shè)置同一航高，相同航高的相鄰區(qū)域的環(huán)繞圓相互交疊；不同地物目標(biāo)設(shè)置不同的航高，并設(shè)置一個補償高度，讓相機主光軸對著測區(qū)地物中上部，拍攝時焦點聚焦于中上部，為后期良好的模型效果提供保障；根據(jù)地物的高度可設(shè)置多個具有補償航高的環(huán)繞圓，形成不同階梯數(shù)的環(huán)繞航攝方案[2]。但是階梯式環(huán)繞航攝方案的難點是不同飛行高度量測影像間的連接點問題，如果重疊率不夠則無法通過同名點匹配。因此外業(yè)數(shù)據(jù)采集時利用過渡影像作為“橋梁”，將不同航高的航攝影像聯(lián)合起來，保證不同高度影響有足夠的重疊率，飛行方案（如圖2所示）：

圖2 階梯式環(huán)繞拍攝目標(biāo)示意圖

1.4 飛行鏡頭設(shè)計

傾斜攝影測量一般采用多鏡頭方式進行影像數(shù)據(jù)采集，但是對于消費級無人機而言，由于只搭載一個鏡頭，因此單次飛行只能獲得相同角度的影像數(shù)據(jù)，但是大疆Phantom 4 RTK無人機的云臺可以設(shè)置不同角度進行影像數(shù)據(jù)采集，為了對比不同影像空中三角測量的精度，本文在同一測區(qū)、相同控制點數(shù)量以及相同控制點布設(shè)方案下，設(shè)置不同鏡頭數(shù)，包括傾斜攝影（左、右）、下視攝影（下）和多視攝影（前、后、左、右、下）進行影像數(shù)據(jù)采集和對比分析，利用平面中誤差和高程中誤差作為評價指標(biāo)，分析得到不同影像空中三角測量精度結(jié)果[3]。不同鏡頭采集模式下空三測量精度對比（如圖3所示）：

圖3 不同鏡頭采集模式下空三測量精度對比

多角度影像數(shù)據(jù)多，覆蓋的影像越多，所包含的空間和紋理信息就越多，地物地貌特征更全，空三解算時則特征點數(shù)量多，錯誤匹配點數(shù)量少，模型精度高。一般而言鏡頭數(shù)量越多，則建模的效果就會越好。從圖3可以看出：在三種影像中，傾斜攝影（雙鏡頭）采集的影像提交空三解算時，中誤差下降幅度最大，并且相同控制點數(shù)量下，傾斜攝影（雙鏡頭）的中誤差最大，其次是下視攝影（單鏡頭）的中誤差，而多視攝影（多鏡頭）的中誤差最小。分析認(rèn)為，傾斜攝影的誤差最大的主要是像片傾斜會造成像點位移，從而導(dǎo)致誤差增大。因此在實際傾斜攝影測量外業(yè)中，使用多鏡頭進行攝影測量時，可以獲得更好的測量精度。

2.像控點布設(shè)方案探討及精度評價

2.1 像控點布設(shè)方案設(shè)計

消費級無人機在外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中易受多種因素的影響，如當(dāng)無人機搭載傾斜相機進行數(shù)據(jù)采集時，一般旁向重疊度低于航向重疊度，可能導(dǎo)致中間區(qū)域精度高而四周測量精度低的現(xiàn)象。因此，需要加強對測區(qū)邊角的控制，同時還要盡可能減少控制點的布設(shè)數(shù)量，從而有效提升測繪效率。像控點是傾斜攝影測量控制加密和測圖的基礎(chǔ)，像控點布設(shè)方案選擇直接影響模型成果的精度。其作用原理是在空三解算時，主要糾正無人機因定位受限或電磁干擾而產(chǎn)生的位置偏移、坐標(biāo)精度過低等問題，因此像控點數(shù)量對平面和高程中誤差影響呈現(xiàn)正相關(guān)，但是并不是像控點數(shù)量越多，精度就越高，當(dāng)像控點達到一定數(shù)量時，模型精度將維持在穩(wěn)定狀態(tài)。

經(jīng)過實地調(diào)查，并結(jié)合實驗區(qū)植被覆蓋情況、測區(qū)面積、地物標(biāo)高等，共設(shè)計了4種布設(shè)方案，依據(jù)“均勻布設(shè)原則”，像控點采用直角模具涂刷和標(biāo)靶板的方式，以方便與周圍環(huán)境進行區(qū)分，像控點坐標(biāo)采集使用的是GPS動態(tài)測量方法。除了像控點外，另布設(shè)10個檢查點，布設(shè)檢查點的目的是方便精度檢驗，檢查點坐標(biāo)同樣采用GPS動態(tài)測量方法，均勻分布在測區(qū)范圍內(nèi)。

2.2 像控點布設(shè)方案優(yōu)化

根據(jù)消費級無人機航測空中三角測量影像的特點和對測區(qū)的影像覆蓋特征，共設(shè)計了四種像控點布設(shè)方案，三角形表示控制點（如圖4所示），檢查點數(shù)目和位置均相同（紅色十字形標(biāo)記）。具體設(shè)置情況：方案1為四角單點布設(shè)，共布設(shè)4個像控點，像控點布置在測區(qū)4個角點；方案2除了在4個角點布設(shè)外，測區(qū)中心也布設(shè)1個像控點，共布設(shè)5個像控點；方案3為四周+中心點布設(shè)方案，測區(qū)邊緣和測區(qū)中心都布設(shè)像控點，本方案共布設(shè)7個像控點；方案4為均勻像控點布設(shè)方案，即在測區(qū)范圍內(nèi)均勻布設(shè)控制點，共布設(shè)11個像控點。

圖4 四種像控點布設(shè)方案

2.3 精度評價

精度分析主要以野外檢查點實測坐標(biāo)為基準(zhǔn)，從平面點位與高程兩個方面對空三加密檢查點精度進行分析，從而評估最優(yōu)布點方案[4]。各檢查點精度計算公式如式（1）所示：

式（1）中，σx、σy、σz分別為各方案中檢查點x、y、z方向的單位權(quán)中誤差，單位為mm；Ms為各方案中檢查點點位中誤差，單位為mm；X、Y、Z分別為8個檢查點的實測坐標(biāo)。依據(jù)《測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》（GB/T 24356—2009）要求，對4種方案的傾斜攝影測量模型成果拾取檢驗點坐標(biāo)，與外業(yè)實測坐標(biāo)對比進行成果精度統(tǒng)計[5]，各方案的成果精度統(tǒng)計（如表1所示）：

表1 檢查點精度統(tǒng)計 單位：m

根據(jù)表1得到平面高程中誤差直方圖（如圖5所示）：

圖5 不同方案檢查點精度統(tǒng)計圖

從圖5可以看出四種方案中，檢查點平面中誤差和高程中誤差都隨著像控點數(shù)目的增加，相關(guān)誤差都逐漸減小。其中方案4像控點均勻布設(shè)方案測量精度最高，平面中誤差和高程中誤差都最小，但是該方案的控制點較多，外業(yè)測繪工作量相對較大；方案1即只采用區(qū)域四角布設(shè)方案時，相關(guān)精度都是最低，該方案只適用于在受災(zāi)或者測繪人員無法達到測區(qū)中心的情況；方案2和方案3既保證精度滿足相關(guān)要求又兼顧了作業(yè)效率。綜合來看，無論在地勢平坦還是環(huán)境復(fù)雜的測區(qū)，如果對成果精度要求較高，宜選用區(qū)域網(wǎng)均勻布設(shè)方案；當(dāng)測區(qū)環(huán)境復(fù)雜，無法均勻布設(shè)像控點時，宜根據(jù)測區(qū)實際情況，在測區(qū)四周邊緣薄弱區(qū)域加強對測區(qū)邊角的控制。

3.結(jié)束語

消費級無人機在復(fù)雜地形中傾斜攝影測量技術(shù)克服了傳統(tǒng)手工建模效率低、成本高的局限性。本文通過對復(fù)雜地形中三維模型重建像控點布設(shè)方案研究和精度評價，得出：采用測區(qū)周圍均勻布設(shè)及加強測區(qū)邊角控制的控制點布設(shè)方法進行空中三角測量時，具有較高的成果精度，能夠滿足絕大多數(shù)實際要求。研究結(jié)果對高精度智慧城市模型重建、三維地理空間信息分析以及真實反映客觀地物并進行量測等方面具有重要參考價值。