無人機(jī)遙感技術(shù)在實(shí)景三維模型構(gòu)建中的應(yīng)用

殷紅霞

（蘇州市吳江區(qū)自然資源和規(guī)劃局，江蘇 蘇州 215299）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展［1-4］，原有的二維地理信息圖已無法滿足城鄉(xiāng)數(shù)字化工程建設(shè)的需求。近年來，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)已逐漸替代傳統(tǒng)的載人航空攝影測量技術(shù)［5-8］。本研究從某市井頭鄉(xiāng)數(shù)字化建設(shè)所面臨的問題出發(fā)，采用傾斜攝影測量技術(shù)，利用Context Capture 軟件生成實(shí)景三維模型，并構(gòu)建井頭鄉(xiāng)實(shí)景三維模型，為無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在城鄉(xiāng)數(shù)字化建設(shè)基礎(chǔ)工程中的應(yīng)用提供實(shí)踐依據(jù)與技術(shù)支撐，從而更好地推動鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施。

1 外業(yè)像控點(diǎn)測量及無人機(jī)航測

1.1 無人機(jī)航攝

大疆精靈4 無人機(jī)具有高效穩(wěn)定、功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，其四旋翼無人機(jī)機(jī)架由復(fù)合材質(zhì)制成，有極高的機(jī)身強(qiáng)度和飛行穩(wěn)定性，使用快拆式螺旋槳，執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)可實(shí)現(xiàn)快速裝卸［9］。近年來，智能化的發(fā)展使無人機(jī)系統(tǒng)逐漸成為獲取航空影像信息的主要設(shè)備［10］。無人機(jī)航攝作業(yè)流程見圖1。

圖1 無人機(jī)航攝作業(yè)流程

1.1.1 提出任務(wù)。在執(zhí)行航測任務(wù)前，技術(shù)人員應(yīng)按照具體作業(yè)任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，確認(rèn)航空攝影的目標(biāo)區(qū)域范圍，收集了解目標(biāo)測區(qū)的相關(guān)資料，提前準(zhǔn)備好航測可能用到的儀器及設(shè)備工具。

1.1.2 航線設(shè)計(jì)。根據(jù)作業(yè)任務(wù)，此次成圖的比例尺為1∶2 000，在航線設(shè)計(jì)時(shí)要考慮航線的長短、拆分、覆蓋度計(jì)算等問題。為了保證測區(qū)各地物面積及其他地理要素信息提取的精度，無人機(jī)航攝影像的分辨率要優(yōu)于0.2 m、選用的相機(jī)鏡頭為20 mm、航向重疊應(yīng)不低于70%、旁向重疊應(yīng)限制在不小于30%的像幅，相片的傾角要符合規(guī)定，從而確保目標(biāo)測區(qū)航攝作業(yè)無明顯遺漏，航向應(yīng)超出目標(biāo)測區(qū)6 條基線，用長方形對目標(biāo)測區(qū)進(jìn)行分區(qū)，提高飛行效率。

1.1.3 作業(yè)飛行。無人機(jī)開始飛行前，先進(jìn)行地面的準(zhǔn)備工作，架設(shè)好地面差分接收裝置，組裝飛機(jī)，起飛點(diǎn)選在井頭鄉(xiāng)附近的田地中，晴朗天氣下采集到的影像會比較清晰。在使用無人機(jī)進(jìn)行圖像采集的過程中，每架次像控點(diǎn)布設(shè)完成后，要及時(shí)進(jìn)行該架次無人機(jī)的飛行操作，減少像控點(diǎn)被破壞對后期空域加密數(shù)據(jù)處理的影響，從而保證影像的完整性。

1.1.4 數(shù)據(jù)檢查。地面技術(shù)人員應(yīng)檢查采集的數(shù)據(jù)，并及時(shí)巡視是否有遺漏區(qū)域。無人機(jī)在航拍過程中易受到風(fēng)速、云霧、大雨等因素的影響，因此在每個(gè)架次飛行作業(yè)完成后，要對獲取到的影像逐張進(jìn)行檢查，檢查采集到的影像是否清晰、是否有漏飛的情況，對出現(xiàn)穿云模糊的影像要及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)測。

1.2 像控點(diǎn)測量

像控點(diǎn)的選擇與布設(shè)對最終成果的精度有很大的影響。外業(yè)控制點(diǎn)是用來確定影像坐標(biāo)與真實(shí)坐標(biāo)關(guān)系的點(diǎn)，其直接影響實(shí)際成圖的精度［11］。因此，在對外業(yè)像控點(diǎn)點(diǎn)位進(jìn)行選擇時(shí)，應(yīng)按照控制點(diǎn)的布設(shè)原則來選擇合理的布設(shè)方案。如何設(shè)計(jì)一種既能減少野外影像控制點(diǎn)數(shù)量，又能保證內(nèi)部成圖精度的點(diǎn)位布設(shè)方案，是傾斜攝影測量工程中的重要環(huán)節(jié)［12］。

本研究選用數(shù)據(jù)的測區(qū)范圍面積大、地勢較為雜亂，對測區(qū)進(jìn)行分區(qū)，綜合考慮地勢及區(qū)域內(nèi)地物構(gòu)成、不同用地的輪廓，在每個(gè)區(qū)域網(wǎng)內(nèi)布點(diǎn)可使用以下5種方法。

1.2.1 方法一。當(dāng)局部情況嚴(yán)重且約束條件較多時(shí)，可采用不規(guī)則布點(diǎn)，即平面高程點(diǎn)布置在區(qū)域的凸點(diǎn)上，普通點(diǎn)布置在區(qū)域的凹點(diǎn)上。假設(shè)凸點(diǎn)和凹點(diǎn)之間的距離在兩條或多條路線以上，平面高程點(diǎn)也應(yīng)布置在凹點(diǎn)的拐角處，布點(diǎn)方式見圖2。圖中白色點(diǎn)為普通點(diǎn)，黑色點(diǎn)為平面高程點(diǎn)。

圖2 方法一布點(diǎn)形式圖

1.2.2 方法二。在需要進(jìn)行空三加密平高控制點(diǎn)的地區(qū)，可在周邊區(qū)域整體布設(shè)10～12 個(gè)平高點(diǎn)，且每隔6 條基線布設(shè)一個(gè)平高點(diǎn)，如遇到地況特殊的區(qū)域（大面積森林、沼地等）無法順利完成人工測量，可將測量規(guī)范放低至每間隔10 條航攝基線進(jìn)行控制點(diǎn)的布設(shè)，其點(diǎn)位布設(shè)方法見圖3。圖中白色點(diǎn)為普通點(diǎn)，黑色點(diǎn)為平面高程點(diǎn)。

圖3 方法二布點(diǎn)形式圖

1.2.3 方法三。標(biāo)準(zhǔn)的排列點(diǎn)方式，即導(dǎo)航帶網(wǎng)絡(luò)布局規(guī)劃中通用的方法。當(dāng)一張圖片用于覆蓋另一張圖片，且區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中的圖片少于16 張時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，該方法適合于分隔平面點(diǎn)，點(diǎn)位布設(shè)方法如圖4所示。

圖4 方法三布點(diǎn)形式圖

1.2.4 方法四。該方法是在每個(gè)飛行帶上設(shè)置8個(gè)水平控制點(diǎn)。當(dāng)使用一張照片覆蓋另一張照片的方式時(shí)，且在區(qū)域網(wǎng)絡(luò)圖像范圍內(nèi)超過16張，但小于48張時(shí)，交叉連接在線路上，確保至少有4條地線重疊，按照8點(diǎn)布置進(jìn)行，點(diǎn)位布設(shè)方法如圖5所示。

圖5 方法四布點(diǎn)形式圖

1.2.5 方法五。當(dāng)航帶網(wǎng)大于總體幅度50%時(shí)，要在總體范圍內(nèi)選擇位置，布設(shè)5 個(gè)外業(yè)控制點(diǎn)，點(diǎn)位布設(shè)方法如圖6所示。

圖6 方法五布點(diǎn)形式圖

通過采用綜合布點(diǎn)方案，測得符合要求的像控點(diǎn)坐標(biāo)，如表1所示。

表1 像控點(diǎn)坐標(biāo)（已加密）

2 輸出成圖及精度分析

2.1 成圖精度分析

外業(yè)航攝使用大疆M600多旋翼無人機(jī)來獲取多視角影像，實(shí)際航攝相對高度為120 m、航向重疊為80%、旁向重疊為80%、總片數(shù)為25 656 片。城市實(shí)景三維模型作為城市精細(xì)模型數(shù)據(jù)庫的一部分，主要采用基于傾斜攝影測量的三維建模方式進(jìn)行制作，其能真實(shí)地反映出測區(qū)內(nèi)建筑、交通、水系、植被、地形地貌等地物的主要特征和結(jié)構(gòu)，通過表面紋理來真實(shí)地反映出表面的顏色、質(zhì)地、形狀和圖案等，從而達(dá)到色調(diào)協(xié)調(diào)、自然真實(shí)的效果。本研究利用Context Capture Center（簡稱CCC）軟件對獲取的傾斜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、空三加密、模型構(gòu)建，然后對構(gòu)建的三維模型進(jìn)行修改、檢查，最后進(jìn)行整理提交。

采用CCC 軟件進(jìn)行空中三角測量，將相機(jī)參數(shù)、影像數(shù)據(jù)、POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行多視角影像特征點(diǎn)密集匹配，并據(jù)此對區(qū)域網(wǎng)的自由網(wǎng)多視影像進(jìn)行聯(lián)合約束平差解算，建立在空間尺度上可適度自由變形的立體模型，完成相對定向；將外業(yè)測定的相片控制點(diǎn)成果，在內(nèi)業(yè)環(huán)境中進(jìn)行轉(zhuǎn)刺，利用這些點(diǎn)對已有的區(qū)域網(wǎng)模型進(jìn)行約束平差解算，將區(qū)域網(wǎng)納入精確的大地坐標(biāo)系統(tǒng)中，完成絕對定向。Context Capture Center空三建模流程見圖7。

圖7 Context Capture Center空三建模流程

分析與選擇合適的影像匹配單元，進(jìn)行特征匹配和密集匹配來生成點(diǎn)云，根據(jù)生成的密集點(diǎn)云進(jìn)行三維建模，并實(shí)現(xiàn)自動化紋理映射。模型構(gòu)建采用分塊計(jì)算，自動選擇不同視角上的最佳像對模型，生成三維尺度的密集點(diǎn)云。點(diǎn)云自動轉(zhuǎn)換為不規(guī)則的三角網(wǎng)TIN 模型，基于內(nèi)在的幾何關(guān)系，將TIN 模型進(jìn)行平滑和優(yōu)化處理。根據(jù)三維TIN 的空間位置信息來獲取最佳視角影像紋理，并自動賦予模型紋理，輸出三維模型成果。

2.1.1 點(diǎn)云匹配。對分塊內(nèi)所有立體對像進(jìn)行點(diǎn)云匹配計(jì)算，自動生成高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖8 點(diǎn)云匹配示例圖

2.1.2 TIN 網(wǎng)構(gòu)建。對高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，自動構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN），如圖9所示。

圖9 TIN網(wǎng)構(gòu)建示例圖

2.1.3 紋理貼圖。根據(jù)TIN 網(wǎng)中每個(gè)三角形的空間位置，從影像中獲取與模型對應(yīng)的紋理，利用軟件自動構(gòu)建完整的三維模型，如圖10所示。

圖10 實(shí)景三維模型效果圖

2.1.4 模型檢查和修改。對三維模型重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行檢查，對不合格的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行TIN 編輯和紋理編輯，直到最終輸出合格的三維模型成果。軟件完成三維重建后，要確定輸出的成果是3DMesh的形式，打開輸出目錄，可使用Viewer 模塊瀏覽成圖效果，如圖11、圖12所示。

圖11 Viewer上的最終成圖

圖12 Viewer成果圖街景

2.2 成圖精度分析

精度分析是檢驗(yàn)三維模型成果最終質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，本研究根據(jù)無人機(jī)航測的建模特點(diǎn)，對生成的三維模型進(jìn)行像控點(diǎn)坐標(biāo)、像控點(diǎn)高程精度分析。

2.2.1 平面坐標(biāo)精度檢查。采用GPS-RTK 測量技術(shù)對圖中各像控點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地坐標(biāo)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示。di的計(jì)算公式見式（1）、式（2）。

表2 精度結(jié)果

式中：d為長度；Δz為高程差。

2.2.2 高程精度檢查。對測區(qū)中的高程注記點(diǎn)使用GPS-RTK進(jìn)行高程測量，結(jié)果見表3。

表3 高程點(diǎn)精度檢查

由于人為誤差、儀器誤差、系統(tǒng)誤差等導(dǎo)致實(shí)際測量中的誤差過大，因此在實(shí)際測量時(shí)采取多次觀測取平均值的方案來降低誤差造成的影響。

2.2.3 精度分析結(jié)果。結(jié)果表明，像控點(diǎn)坐標(biāo)整體精度符合建模要求，最小像控點(diǎn)平面點(diǎn)位誤差為0.008 m、最大像控點(diǎn)平面點(diǎn)位誤差為0.342 m、最小高程點(diǎn)點(diǎn)位誤差精度誤差為0.000 4 m、最大高程點(diǎn)點(diǎn)位誤差精度誤差為0.001 8 m，檢查結(jié)果均滿足實(shí)景三維建模技術(shù)要求。

3 結(jié)語

基于消費(fèi)級無人機(jī)的傾斜攝影測量技術(shù)具有極富開拓性的智能聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)，其實(shí)際價(jià)值極為可觀，該技術(shù)在未來有著無與倫比的發(fā)展空間，其廣泛應(yīng)用將大大減輕構(gòu)建城鄉(xiāng)數(shù)字化計(jì)劃的工作負(fù)擔(dān)，加快城鄉(xiāng)土地確權(quán)項(xiàng)目的工作進(jìn)度。本研究以某市井頭鄉(xiāng)為研究區(qū)域，首先基于無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)來獲取目標(biāo)區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)，然后分析獲取影像數(shù)據(jù)的關(guān)鍵技術(shù)，并詳細(xì)闡述針對目標(biāo)區(qū)域圖像控制點(diǎn)的布設(shè)原則和采集方法，最后利用Context Capture 軟件對研究區(qū)域的多視角圖像采用空中三角測量生成沙盤，最終構(gòu)建實(shí)景三維模型。同時(shí)，通過現(xiàn)場測量像控點(diǎn)平面坐標(biāo)和高程注記點(diǎn)高程，利用模型的實(shí)際測量值進(jìn)行精度分析。