基于無人機攝影測量的地形三維重建研究

溫立文 賈延

（北京星天地信息科技有限公司 北京 102299）

影像的三維重建是基于雙目立體視覺的原理，結(jié)合傳統(tǒng)攝影測量技術(shù)，利用多視角的無人機影像數(shù)據(jù)生成三維模型的技術(shù)。該方法最核心的算法和技術(shù)包括：第一，基于SFM 算法的空三加密，這一步是為了恢復(fù)無人機影像的空中位置和姿態(tài)，并且得到高精度的稀疏點云數(shù)據(jù)［1］；第二，基于SGM 算法的密集匹配，這一步是為了生成深度圖，再對深度圖進行融合來獲取密集點云，密集匹配是后續(xù)DSM生成和DOM糾正的基礎(chǔ)，最后通過點云插值和紋理映射，獲取DSM 和DOM影像［2］。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于河北省某煤礦，是一處正在進行開采的井工礦采煤工作面。課題選擇該工作面正上方及附近區(qū)域地表范圍作為無人機影像獲取區(qū)域，該區(qū)域東西最大間距為789m，南北最大間距為221m，面積約為0.12km2。監(jiān)測區(qū)域被河流分為兩個區(qū)域：河?xùn)|岸主要為村莊居民區(qū)，地物多為房屋建筑物；河西岸主要為作物區(qū)域，地物包括公路、農(nóng)作物和樹木。測區(qū)多元化的地物為本文研究礦區(qū)開采對地表地形、地物的變化特征提取提供了樣例數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)獲取

無人機影像數(shù)據(jù)獲取的流程主要包括航測前的準備工作和實地采集兩大部分，具體的內(nèi)容如圖1所示。

圖1 無人機影像獲取流程

2.1 航線規(guī)劃

由于實驗中所用采集數(shù)據(jù)的無人機搭載的是單目相機，因此，單次實驗需要通過調(diào)節(jié)相機云臺的傾角對測區(qū)進行5 次拍攝，獲取不同角度測區(qū)的無人機影像數(shù)據(jù)，以保證測區(qū)三維重建的完整性和精確性。

在規(guī)劃航線時，考慮到所采用的輕型無人機像幅較小及測區(qū)地表地物較為復(fù)雜的多重原因，決定采用高重疊度的布設(shè)方案［3］。航線布設(shè)的具體參數(shù)為：相對航高80m；地面分辨率2.19cm；航帶間距25m；航向重疊率80%；旁向重疊率70%；5 次飛行相對傾角分別為90°、45°、135°、45°、135°。

2.2 控制點布設(shè)

按照無人機攝影測量外業(yè)像控點布設(shè)的原則和要求，本文中的3 次實驗均采用以CORS 站為基準站、使用網(wǎng)絡(luò)RTK 進行快速定位的方法獲取監(jiān)測點的空間位置信息［4］。在對每一個監(jiān)測點進行測量前，均對流動站進行初始化并得到固定解，且對每個監(jiān)測點進行在當?shù)刈鴺讼?、WGS-84-BLH 和WGS-84-UTMZone50（N）3個坐標系下的測量。其平面位置中誤差≤0.02cm，高程中誤差≤0.02cm，最大限差是中誤差的2倍［5］。本文采用的是全野外布設(shè)像控點的方式，控制點均勻分布在村落區(qū)域、公路區(qū)域和作物區(qū)域。3 期的控制點布設(shè)數(shù)量依次為11、9、12，其中，第三期的控制點如圖2所示。

圖2 第三期影像控制點分布圖

2.3 實地采集

本次采用的是單目相機搭載在四旋翼的輕量級無人機Phantom 4 PRO V2.0上進行影像數(shù)據(jù)采集。

本項目一共采集了3 期影像數(shù)據(jù)，均是無人機飛行所攝影像。第一期影像拍攝時間為2020年1月15日，為工作面采掘開始階段；第二期影像的拍攝時間為2020年6月11日，為工作面采掘收尾階段；第三期影像拍攝時間為2021年1月15日，為工作面采掘1年后。另外，還獲取了礦區(qū)監(jiān)測點的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，為后期數(shù)據(jù)的精度驗證提供了數(shù)據(jù)支持。

在航測前的相機標定、航線規(guī)劃和像控點布設(shè)等準備工作全部完成之后，便進行無人機影像的實地采集。

3 空中三角測量結(jié)果及精度分析

本文選擇Context Capture 來進行無人機影像的三維重建。借助這個軟件，無需昂貴的專業(yè)化設(shè)備，即可對無人機影像進行三維重建，進而獲得測區(qū)的DOM、DSM、三維點云和三維模型等產(chǎn)品數(shù)據(jù)，具體的三維重建處理流程如圖3所示。

圖3 C ontext C apture 無人機三維重建處理流程

將預(yù)處理完畢的無人機影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Context Capture 軟件中，檢查影像的完整性，包括影像的頭文件、POS 數(shù)據(jù)、坐標系；導(dǎo)入控制點文件、相機標定參數(shù)；最后，檢查影像序列的正確性，檢查每個曝光點的影像信息及相鄰帶側(cè)視影像飛行方向是否一致，同時與垂直圖像的飛行方向也要一樣。

空中三角測量結(jié)束之后，可以獲得測區(qū)的稀疏點云數(shù)據(jù)和空中三角測量報告，報告的內(nèi)容包括總體質(zhì)量概括、連接點的數(shù)量和分布、控制點和檢查點的精度，測區(qū)稀疏點云數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 稀疏點云數(shù)據(jù)

4 地形三維重建的影像產(chǎn)品數(shù)據(jù)及精度評價

4.1 三維重建影像產(chǎn)品的生成

在通過空中三角測量獲取了無人機影像的稀疏點云數(shù)據(jù)后，便可進行三維數(shù)據(jù)的生產(chǎn)。根據(jù)后續(xù)研究和分析的需要，本文中通過三維重建獲取的三維數(shù)據(jù)包括：三維點云數(shù)據(jù)、TDOM影像、DSM影像。

由于影像數(shù)據(jù)量較大，且現(xiàn)有的計算機運算能力有限，需對空三生產(chǎn)的稀疏點云數(shù)據(jù)進行空間立方體的分塊處理：第一期稀疏點云被劃分為76 個瓦片，每塊瓦片的大小為68m 的區(qū)塊；第二期稀疏點云被劃分為64 個瓦片，每塊瓦片的大小為76m 的區(qū)塊；第三期稀疏點云被劃分為78個瓦片，每塊瓦片的大小為67m的區(qū)塊。完成分區(qū)后，便開始進行三維數(shù)據(jù)的生產(chǎn)，最終獲得三期實驗的DSM影像、DOM影像和三維點云數(shù)據(jù)。三期DSM數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 三期DSM 數(shù)據(jù)

4.2 三維重建影像產(chǎn)品的精度評價

為了進一步驗證所得三維數(shù)據(jù)的精度，將圖上所得控制點與控制點實測的數(shù)據(jù)進行對比，算出所得DSM 影像、DOM 影像和三維點云的誤差，誤差的統(tǒng)計如表1所示。

表1 DO M/DSM 精度評價

3 次實驗的成圖精度均小于1∶500 比例尺下給定限值的要求（DOM 平地、丘陵地區(qū)小于0.6，山地、高山小于0.8）［6］，同時也滿足后續(xù)特征提取的精度要求。

5 結(jié)語

本文研究了基于無人機影像的地形三維重建原理與方法，包括基于SFM 算法的空中三角測量、基于SGM算法的點云密集匹配、DSM插值和紋理映射生成DOM 影像。通過三維重建，可獲取礦區(qū)的三維點云、DSM 和DOM 數(shù)據(jù)，利用控制點三維坐標信息，對空三和生成的三維產(chǎn)品進行了精度驗證。