無人機(jī)傾斜攝影在規(guī)劃核實(shí)測量中的應(yīng)用

朱輝

（徐州市勘察測繪研究院有限公司，江蘇 徐州 221000）

1 引言

無人機(jī)傾斜攝影是我國現(xiàn)階段測繪地理信息領(lǐng)域最熱門的技術(shù)之一，其在實(shí)際應(yīng)用中需要通過搭載多臺(tái)傳感器獲取數(shù)據(jù)信息，并借助攝像頭等其他組件模塊采集遙感影像，所獲取的數(shù)據(jù)具有精度高、現(xiàn)實(shí)感強(qiáng)的特點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于資源管理、人口統(tǒng)計(jì)、應(yīng)急指揮、環(huán)保監(jiān)測等領(lǐng)域中，且在規(guī)劃核實(shí)測量中也有著較為明顯的優(yōu)勢。

無人機(jī)傾斜攝影能夠使人們更加直觀地了解勘察情況?，F(xiàn)階段，我國對(duì)該技術(shù)的研究速度正不斷加快，其應(yīng)用成本正不斷降低，已成為人們獲取高精度數(shù)據(jù)的主要方式。

2 無人機(jī)傾斜攝影大比例尺測圖軟硬件系統(tǒng)

2.1 硬件系統(tǒng)

此次飛行采用的無人機(jī)是經(jīng)緯M300 RTK 無人機(jī)，圖傳距離遠(yuǎn)達(dá)15 km，最大續(xù)航55 min，支持6 向定位避障，防水等級(jí)IP45，擁有眾多智能功能，并同時(shí)支持三軸云臺(tái)。具有多項(xiàng)智能功能。

2.1.1 打點(diǎn)定位，智能跟蹤

在相機(jī)畫面或地圖上一鍵標(biāo)記靜態(tài)目標(biāo)，即可自動(dòng)解算出其精確的位置信息，并以AR 圖標(biāo)的形式投射到所有圖傳畫面中，實(shí)現(xiàn)自主識(shí)別、定位并持續(xù)跟蹤。同時(shí)，可以將位置信息自動(dòng)分享至另一個(gè)遙控器，并可通過大疆司空等在線平臺(tái)共享給團(tuán)隊(duì)其他成員，以此確定人、車輛和船只位置[1]。

2.1.2 精準(zhǔn)復(fù)拍，靈活雙控

無人機(jī)采集的原始地質(zhì)信息，通常以散亂且無序的數(shù)據(jù)形式存在，AI 算法會(huì)比對(duì)目標(biāo)區(qū)域和實(shí)時(shí)畫面，保留有價(jià)值數(shù)據(jù)并生成人們需要的各種測繪地圖，準(zhǔn)確從樣片中框選出目標(biāo)區(qū)域，以此保證作業(yè)的準(zhǔn)確性。得益于高級(jí)雙控模式，作業(yè)人員一鍵即可獲取飛行器或負(fù)載的控制權(quán)限，讓任務(wù)部署及團(tuán)隊(duì)協(xié)作更加靈活，切實(shí)發(fā)揮出該技術(shù)的作用。

2.1.3 安全可靠，航空級(jí)態(tài)勢感知

經(jīng)緯M300 RTK 引入全新的飛行輔助界面，將飛行參數(shù)、導(dǎo)航、障礙物地圖等多維度的關(guān)鍵信息整合至同一界面，賦予作業(yè)人員較強(qiáng)的態(tài)勢感知能力；具有Air Sense 功能，保障空中飛行安全；擁有夜航燈，使得作業(yè)時(shí)持續(xù)警示周邊，保障地面人員安全；集成雙目視覺和ToF 傳感器于機(jī)身的6 個(gè)面，避障距離最遠(yuǎn)40 m，且可以通過Pilot App 調(diào)整；具有傳感器備份、動(dòng)力系統(tǒng)雙鏈路備份、圖傳雙鏈路備份及其他安全設(shè)計(jì)功能。

2.1.4 配件豐富，搭配健康管理系統(tǒng)

一站式的無人機(jī)健康管理系統(tǒng)，可顯示各模塊的健康狀態(tài)，保存異常記錄，并提供簡易故障排查指南。搭配的BS60 電池箱便攜易用，一站式解決充電、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)入姵毓芾韱栴}，可實(shí)現(xiàn)無縫輪轉(zhuǎn)作業(yè)。TB60 智能電池的容量達(dá)5 935 mA·h。支持雙電池?zé)崽鎿Q，無須關(guān)閉無人機(jī)電源亦可更換電池，在關(guān)鍵任務(wù)中節(jié)約時(shí)間，保障飛行作業(yè)的流暢性。DJI 帶屏遙控器行業(yè)版集成13.97 cm 的1 080 P 高亮顯示屏，戶外強(qiáng)光下仍可清晰顯示。

2.2 軟件系統(tǒng)

無人機(jī)傾斜攝影測量三維建模采用的軟件是大疆智圖DJI Terra，在實(shí)際執(zhí)行中可以通過設(shè)定自動(dòng)生成航線，在工作中結(jié)合實(shí)際情況自動(dòng)調(diào)整航點(diǎn)的飛行高度、飛行速度、飛行航向，還可以規(guī)劃三維模型的航點(diǎn)，選定目標(biāo)區(qū)域后自動(dòng)生成航線。為保證后期數(shù)據(jù)處理更加清晰明確，無人機(jī)展開航攝作業(yè)之前需要對(duì)測繪地塊所在地進(jìn)行三維坐標(biāo)系的建立，將測繪區(qū)域內(nèi)各個(gè)點(diǎn)位的坐標(biāo)信息標(biāo)記出來，避免圖像信息與實(shí)際地形位置之間產(chǎn)生偏差。這一過程中，需要對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)核對(duì)，并按照不同坐標(biāo)比例進(jìn)行路線的距離對(duì)比，以保證能夠?qū)⒄`差縮小至零。大疆智圖提供地圖打點(diǎn)、KML 文件導(dǎo)入、飛行器打點(diǎn)3 種方式添加邊界點(diǎn)，在無網(wǎng)絡(luò)情況下也可正常作業(yè)。規(guī)劃過程中，界面會(huì)顯示預(yù)計(jì)飛行時(shí)間、預(yù)計(jì)拍照數(shù)及面積等重要信息。傾斜攝影功能可以在選定目標(biāo)區(qū)域后規(guī)劃航線，進(jìn)行起飛地點(diǎn)與測繪地點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣?，幫助?gòu)建更高精度的實(shí)景三維模型，根據(jù)測繪工作需要搭載合適的測繪軟件以及敏感組件，在飛行過程中實(shí)時(shí)生成二維正射影像，確保無人機(jī)各個(gè)功能模塊的正常運(yùn)行[2]。同時(shí)，需要設(shè)置傾斜云臺(tái)角度等參數(shù)，準(zhǔn)確細(xì)致地呈現(xiàn)目標(biāo)對(duì)象和測區(qū)，全面升級(jí)的真正射影像技術(shù)能有效避免圖像扭曲變形，航線高度重疊率控制在53%左右，提前做好設(shè)備的調(diào)試以及檢查，最終靈活采取更具針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施。

3 無人機(jī)傾斜攝影大比例尺測圖技術(shù)路線及實(shí)施方案

無人機(jī)傾斜攝影大比例尺測圖的總體技術(shù)路線圖如圖1所示。

圖1 總體技術(shù)路線圖

3.1 地面控制點(diǎn)測量

需根據(jù)測區(qū)地形地貌特征以及建模精度布設(shè)地面控制點(diǎn)，控制點(diǎn)布設(shè)應(yīng)遵循“分布合理，有效控制測區(qū)精度”的原則。采用GNSS 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)、RTK 測量儀器，配合全站儀、水準(zhǔn)儀等坐標(biāo)系統(tǒng)信息，準(zhǔn)確測量控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

針對(duì)每個(gè)控制點(diǎn)的實(shí)際位置應(yīng)當(dāng)制作點(diǎn)之記，針對(duì)所有控制點(diǎn)在測區(qū)的分布應(yīng)當(dāng)繪制整體分布圖，以便后期進(jìn)行三維建模時(shí)能夠快速準(zhǔn)確地將控制點(diǎn)測設(shè)在三維地形圖上。

控制點(diǎn)信息的準(zhǔn)確是三維模型精度的基本保障，控制點(diǎn)應(yīng)當(dāng)穩(wěn)固、明顯、周邊無遮擋，便于從空中查找。點(diǎn)位布設(shè)與測量完成后應(yīng)當(dāng)由專人負(fù)責(zé)保護(hù)、管理，以便后期數(shù)據(jù)檢查與二次利用。

3.2 空中三角測量

充分考慮影像的幾何變形和遮擋關(guān)系、POS 系統(tǒng)提供的外方位元素和相機(jī)安裝位置關(guān)系，使用大疆智圖軟件將垂直影像和傾斜影像進(jìn)行多層級(jí)逐像素密集匹配，進(jìn)行多視角聯(lián)合平差。結(jié)合像片控制點(diǎn)和各級(jí)影像上自動(dòng)匹配的同名點(diǎn)，通過區(qū)域網(wǎng)光束法平差迭代聯(lián)合解算，獲取所有相機(jī)自檢校參數(shù)以及影像的真實(shí)空間位置和角度關(guān)系。

3.3 三維模型構(gòu)建

為保證航攝影像能夠與實(shí)際地勢坐標(biāo)重疊，需要考慮測區(qū)控制網(wǎng)的主點(diǎn)坐標(biāo)，明確影像拍攝過程中產(chǎn)生的畸變參數(shù)，點(diǎn)云自動(dòng)轉(zhuǎn)換為不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)TIN 模型，結(jié)合當(dāng)前區(qū)域的實(shí)際情況控制航攝影像產(chǎn)生的偏差，獲取最佳視角影像紋理，自動(dòng)賦予模型紋理。同時(shí)，模型構(gòu)建基于Tile 劃分計(jì)算，在三維模型構(gòu)建中需要分析與選擇合適的影像匹配單元，自動(dòng)選擇不同視角上的最佳像對(duì)模型，對(duì)圖像當(dāng)中形成自由平差進(jìn)行抵消，在此基礎(chǔ)上根據(jù)生成的密集點(diǎn)云進(jìn)行三維建模，對(duì)模型進(jìn)行平滑和優(yōu)化，根據(jù)三維TIN 的空間位置信息，通過對(duì)DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行配對(duì)生成，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化紋理映射[3]。

3.3.1 數(shù)據(jù)Tile 劃分

根據(jù)作業(yè)區(qū)實(shí)際范圍，劃定建模區(qū)域，當(dāng)項(xiàng)目劃分為不同塊進(jìn)行建模時(shí)，應(yīng)保持各個(gè)塊建模的Tile 劃分原點(diǎn)一致。Tile劃分的大小由計(jì)算機(jī)的性能決定，一般設(shè)定為100 m×100 m，劃分工作可利用軟件全自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)。

3.3.2 點(diǎn)云匹配

空中三角測量完成后，并且檢查合格后需要進(jìn)行三維場景重建，在執(zhí)行三維重建任務(wù)前必須對(duì)空間框架和處理設(shè)定進(jìn)行設(shè)定。三維模型的生成是分塊進(jìn)行計(jì)算的，生成高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在實(shí)際執(zhí)行中需要優(yōu)化構(gòu)網(wǎng)算法，過濾掉一些異?；蛲蛊鸬牟灰?guī)則點(diǎn)云，使多視影像密集與實(shí)際需求匹配，在數(shù)字表面模型的基礎(chǔ)上加載不同特性的濾波，并經(jīng)過優(yōu)化算法處理形成最終的DSM，用于后期模型的構(gòu)建以及正射影像的生成，進(jìn)一步提高點(diǎn)云的匹配度。

3.3.3 TIN 網(wǎng)構(gòu)建

在數(shù)字點(diǎn)云的基礎(chǔ)上構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，從而形成TIN模型及三維白模，能夠表達(dá)出現(xiàn)實(shí)的三維場景，對(duì)切塊的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)建，但是沒有映射真實(shí)的紋理貼圖[4]。經(jīng)過密集匹配獲得高的密度點(diǎn)云，需要進(jìn)行切割分塊，根據(jù)計(jì)算機(jī)性能設(shè)置的優(yōu)先級(jí)別進(jìn)行不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建。

3.3.4 白模生成

根據(jù)三維TIN 的空間位置信息，進(jìn)行分塊切割并形成無紋理的三維模型即白模。

3.3.5 紋理映射

紋理映射中需要自動(dòng)進(jìn)行裁切并映射到三角面，針對(duì)獲取圖像展開收集與處理分析，對(duì)借助Photo Scan 等相關(guān)圖像處理加工軟件，基于軟件強(qiáng)大的紋理映射算法對(duì)每個(gè)模型自動(dòng)賦予紋理，輸出OSGB 格式城市實(shí)景三維模型成果，實(shí)現(xiàn)TIN 模型的自動(dòng)貼圖。在之前的多視影像空三加密過程中，每張傾斜影像都具有高精度的空間坐標(biāo)信息，最終生成包含真實(shí)貼圖信息的實(shí)景三維模型，保證坐標(biāo)信息與相應(yīng)坐標(biāo)的貼圖信息相匹配。

3.4 傾斜模型三維測圖

此次無人機(jī)傾斜攝影采用的平面坐標(biāo)系統(tǒng)是80 坐標(biāo)系，中央子午線為117 度，3 度分帶。高程坐標(biāo)系統(tǒng)采用1985 國家高程基準(zhǔn)，基本等高距為1 m。像控點(diǎn)平面精度相對(duì)鄰近基礎(chǔ)控制點(diǎn)的平面位置中誤差不大于圖上±0.1 mm；相控點(diǎn)高程精度為不大于基本等高距的1/10。連接點(diǎn)的平面精度在平地、丘陵地區(qū)要小于圖上0.35 mm；山地、高山地不應(yīng)大于圖上0.5 mm。特殊困難地區(qū)，中誤差可放寬1/2。

3.5 精度統(tǒng)計(jì)

對(duì)于此次生產(chǎn)的數(shù)字線劃地圖DLG，選取了20 個(gè)檢查點(diǎn)，對(duì)比檢查其精度，計(jì)算其平面中誤差為0.06 m，高程中誤差為0.06 m，滿足1∶1 000 以及1∶500 的成圖精度。

4 結(jié)語

將無人機(jī)技術(shù)與傾斜攝影測量技術(shù)相結(jié)合，無人機(jī)傾斜攝影測量具有高效率、高精度、低成本以及高度靈活性等特點(diǎn)，并且基于傾斜模型進(jìn)行大比例尺測圖相比傳統(tǒng)航測立體測圖具有很多優(yōu)越性，并將成為未來發(fā)展的趨勢，但目前尚存的一些技術(shù)難點(diǎn)和提升空間，所以本文就該技術(shù)展開深入研究和實(shí)踐，以加快該技術(shù)的成熟和應(yīng)用。此外，無人機(jī)傾斜攝影大比例尺測圖在此次技術(shù)設(shè)計(jì)方案中能夠滿足1∶1000 及1∶500 的精度要求，相對(duì)于傳統(tǒng)航測立體測圖提供了一種全新的三維測圖方法，具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。