低空無人機三維傾斜攝影技術(shù)測繪大比例尺地形圖應(yīng)用研究

張治國

（甘肅省自然資源規(guī)劃研究院，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

在測繪技術(shù)設(shè)備和技術(shù)方法迅速發(fā)展的時代，借助“實景三維中國”的提出并實施，低空無人機傾斜攝影測量技術(shù)也突飛猛進，被廣泛應(yīng)用。傾斜攝影測量技術(shù)自動化程度較高，通過軟件匹配，人為干預(yù)較少，大大提高了三維建模效率。傾斜攝影測量技術(shù)利用多臺高分辨率相機從垂直、左傾、右傾、前傾、后傾5個方向?qū)Φ乇韺嶓w進行高重疊率拍攝，能快速獲取地表實體豐富的數(shù)據(jù)信息，真實準確地反映地表實體情況[1]。

文章主要結(jié)合實際工作案例，通過同一地點多次航拍采集實驗，采用外業(yè)實測數(shù)據(jù)、內(nèi)業(yè)解算、采集數(shù)據(jù)進行對比計算差值，統(tǒng)計成果精度。論述采用此項技術(shù)進行大比例尺地形圖測繪的一般程序及誤差來源。

2 總體技術(shù)路線

采用低空無人機傾斜攝影測量技術(shù)開展測繪任務(wù)，首先應(yīng)充分收集測區(qū)資料、開展現(xiàn)場踏勘，然后設(shè)計航線、進行航飛，利用專業(yè)軟件完成數(shù)字表面模型、數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像圖和實景三維模型生產(chǎn)，再結(jié)合實景三維成果采集任務(wù)區(qū)的地形地貌以及地物要素信息，生產(chǎn)制作數(shù)字線劃圖，最后整理形成大比例尺地形圖[2]。具體在大比例尺地形圖測繪工作中，使用該技術(shù)鼓勵采用更加先進技術(shù)獲取更高標準的產(chǎn)品。

1）分析收集資料，利用可用基礎(chǔ)資料和空中三角測量結(jié)算方案，制定事前外業(yè)像片控制點點位圖，并進行測量。施測按照圖根點方法進行。

2）調(diào)試無人機及三維數(shù)據(jù)采集設(shè)備，規(guī)劃航線，選擇合適天氣進行三維數(shù)據(jù)采集。

3）利用內(nèi)業(yè)解算軟件，解算垂直及傾斜相片的外方位元素及其他內(nèi)業(yè)解算必須數(shù)據(jù)。

4）利用內(nèi)業(yè)傾斜數(shù)據(jù)處理軟件，自動匹配制作模型，自動映射紋理，生成實景真三維模型。

5）軟件輸出三維模型及OSGB數(shù)據(jù)。

6）導(dǎo)入原始數(shù)據(jù)、結(jié)算數(shù)據(jù)、模型等數(shù)據(jù)全數(shù)比對檢查。

7）對導(dǎo)入初始數(shù)據(jù)，軟件結(jié)算，數(shù)據(jù)生產(chǎn)等進行過程檢查，必須達到質(zhì)量要求，才能進入下一工序，避免誤差積累。

8）全部檢查合格后，將模型成果數(shù)據(jù)提交數(shù)據(jù)采集部門進行下一步工序，地形圖數(shù)據(jù)采集。

3 傾斜攝影基本要求

3.1 地面分辨率

平均地面分辨率主要應(yīng)根據(jù)測圖成果比例尺確定，其次還要考慮項目區(qū)地形條件，航拍無人機及航拍設(shè)備的具體性能等。

3.2 影像質(zhì)量要求

拍攝相片影像要清晰，色彩要飽和，色調(diào)要一致，能辨別與地面分辨率相適應(yīng)的細小地物影像。符合全數(shù)字外業(yè)調(diào)繪和內(nèi)業(yè)判讀規(guī)定。避免進入云層等大面積遮擋的缺陷。

3.3 飛行平臺要求

航拍載體采用低空具有自動駕駛功能的無人機，飛行姿態(tài)能滿足作業(yè)要求。具有GNSS導(dǎo)航功能，后查分功能，作業(yè)時間大于30 min。

3.4 航攝儀性能要求

垂直及傾斜相片的外方位元素可準確解算，每部相機像素不得低于2 500萬像素。

3.5 航攝基準面及重疊度

1）基準面：根據(jù)成果要求、航攝區(qū)的地形起伏、飛行安全條件，盡可能選擇分區(qū)內(nèi)低點平均高程為航攝基準面。

2）重疊度要求：在高差較大及建筑物密集地區(qū)，垂直影像航向重疊度應(yīng)大于65%，一般應(yīng)設(shè)置為70%～80%；旁向重疊度應(yīng)大于40%，一般應(yīng)設(shè)置為50%～70%；傾斜影像重疊度應(yīng)設(shè)置為大于60%即可。

3.6 航攝分區(qū)

1）分區(qū)界線與圖廓線相一致。

2）分區(qū)內(nèi)地表相對高差小于1/4設(shè)計航拍高度。

3）分區(qū)內(nèi)相對高差符合要求，并滿足航拍軌跡是直線時，分區(qū)覆蓋范圍應(yīng)盡量涵蓋拍攝區(qū)。

4）分區(qū)內(nèi)相對高差較大，地表突變或者航拍有特殊要求時，容許打破圖廓線規(guī)定，重新設(shè)定分區(qū)航拍。

5）傾斜攝影時應(yīng)根據(jù)公式進行航向與旁向外擴。具體公式如下：

N=tanθ/（2tanθ（β/2）×（1-P））

式中：N為理論超出值，單位為條；θ為傾斜相機角度，單位為度（°）；β為傾斜相機視場角，單位為度（°）；P為航向或旁向重疊度。

3.7 航線敷設(shè)

航線敷設(shè)應(yīng)遵從以下原則：

1）航線飛行方向按照項目區(qū)內(nèi)多數(shù)建筑走向設(shè)計，與建筑方向平行或垂直方向飛行，并考慮當?shù)仫L(fēng)向，盡量逆風(fēng)飛行，避免側(cè)風(fēng)作業(yè)。

2）如無人機有仿地飛行功能，相機曝光點最好按照高差起伏設(shè)定，如無人機沒有仿地飛行功能，相機曝光點最好按照航拍距離設(shè)定。

3）如項目區(qū)有大面積水域覆蓋時，航線設(shè)計應(yīng)注意像主點不要落水。

4）如項目區(qū)內(nèi)地表建筑物高度、密度較低時，可適當減小航拍重疊度；如地表建筑物高度、密度較高時，可適當增大航拍重疊度。

3.8 天氣選擇

航拍作業(yè)時應(yīng)參考當?shù)貙崟r天氣預(yù)報，最好在陰天或者晴天作業(yè)，晴天應(yīng)在中午太陽陰影最小的時候；雨雪天或者大霧、沙塵等能見度較低的時候禁止作業(yè)，保證航拍質(zhì)量。

4 航攝實施

4.1 航攝準備

整理分析項目區(qū)基礎(chǔ)資料，編寫項目技術(shù)設(shè)計書，并報甲方審批?；I備適合該項目的無人機和三維傾斜數(shù)據(jù)獲取設(shè)備，按空域申請流程辦理空域使用批文，禁止黑飛作業(yè)。

4.2 像控點布設(shè)、測量

按照項目技術(shù)設(shè)計規(guī)定，相控布設(shè)一般采用事前布控。依據(jù)方案設(shè)計布設(shè)像控點位，像控點圖形應(yīng)采用“L”形，大小要適當。能長時間保留的如水泥地表可用油漆噴涂，不能長時間保留的地表可用防水布打印后鋪設(shè)，要做到在空三加密刺點中點位清晰可見。像控點測量一般采用RTK方法測量較為方便，精度控制在圖根點精度即可。RTK方法測量應(yīng)注意大地高與正常高之間的轉(zhuǎn)換。

4.3 航攝飛行

選擇合適的天氣，空曠的起降場地準備航拍作業(yè)。首先，安裝調(diào)試設(shè)備，做飛前檢查、機務(wù)檢查，安裝并檢查航攝儀工作是否正常，導(dǎo)入設(shè)計好的航線，準備起飛作業(yè)。其次，飛機起飛后，檢查飛機飛行是否正常。如飛行異常，盡快降落，查找原因。如飛行正常，切入飛機自駕模式，追蹤作業(yè)點。最后，監(jiān)視地面站，查看飛機作業(yè)姿態(tài)，是否按設(shè)計航線航拍，飛機俯仰角、橫滾角是否符合航拍要求。

4.4 現(xiàn)場數(shù)據(jù)檢查及下載

航拍結(jié)束飛機安全降落后熄火，立即檢查機載POS與照片數(shù)量是否一致，記錄是否完整，GNSS定位數(shù)據(jù)是否失鎖；檢查照片質(zhì)量，清晰度是否滿足航拍要求，是否進云或有遮擋顯現(xiàn)，曝光度是否符合要求等問題出現(xiàn)。

檢查合格后，現(xiàn)場下載機載POS數(shù)據(jù)、照片數(shù)據(jù)、查分定位數(shù)據(jù)，以免造成轉(zhuǎn)場數(shù)據(jù)遺失，并做好數(shù)據(jù)備份。將數(shù)據(jù)安全送至數(shù)據(jù)處理部門。

4.5 數(shù)據(jù)預(yù)處理與檢查

數(shù)據(jù)處理部門收到數(shù)據(jù)后，要將機載POS數(shù)據(jù)、照片數(shù)據(jù)、查分定位數(shù)據(jù)一一對應(yīng)做預(yù)處理工作，檢查全部合格后，提交下一步工序。

4.6 全數(shù)字空中三角測量

利用檢驗合格的像片數(shù)據(jù)、查分POS數(shù)據(jù)及像控測量成果，采用實景三維建模軟件Context Capture Center進行空中三角測量。導(dǎo)入已知的相機參數(shù)建立空三工程，采用POS數(shù)據(jù)成果進行航帶內(nèi)及航帶間影像同名點匹配，生成海量匹配點。

影像匹配完成后，進行自由網(wǎng)平差計算，刪除或調(diào)整超限點。精度滿足要求后，加入人工量測外業(yè)控制點，進行絕對定向光束法平差。

4.7 三維模型生產(chǎn)

在空三加密后，利用Context Capture Center三維建模軟件全自動生產(chǎn)三維模型。三維模型成果完全根據(jù)航攝獲取的影像數(shù)據(jù)制作，可以真實還原地物的空間位置、形態(tài)、顏色和紋理。模型生成后可直觀查看測區(qū)范圍內(nèi)所有地物特征及建筑物細節(jié)[3]。

4.8 內(nèi)業(yè)成圖

將最終三維模型成果導(dǎo)入EPS測圖軟件，采集地表附著物界址點、拐角點及中心點等信息，繪制地形圖，根據(jù)外業(yè)調(diào)繪資料完善屬性，形成最終成果。

4.9 成果檢查

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，要對測圖成果進行精度檢查。精度檢查采用坐標比對方式進行，即外業(yè)挑選一定數(shù)量的明顯點位進行儀器實測坐標與內(nèi)業(yè)采集坐標做比對。計算X、Y、Z三個方向的偏移值，最終計算平面和高程中誤差。下表為本單位一個項目誤差統(tǒng)計表，從表1中可以看出，此項目平面和高程中誤差分別是0.038 m和0.043 m，符合1∶500地形圖測圖精度。

表1 成果誤差統(tǒng)計表

5 誤差來源分析

5.1 地形高差產(chǎn)生的誤差

項目組采用兩個高差不同的村級試點進行數(shù)據(jù)采集。試點1村莊高差在40 m左右，為原始村莊，村莊建設(shè)依托地形較為混亂。試點2村莊高差在10 m左右，為移民搬遷村，村莊建設(shè)整齊。從后期處理精度統(tǒng)計得出，在高差較大、地形復(fù)雜、房屋密集的村莊（高差在40 m左右），點位差值在10～25 cm，邊長差值也在10～20 cm。三維立體測圖精度勉強能達到1∶2 000測圖精度；在高差不大地形相對平坦的村落（高差在10 m左右），點位差值在5～10 cm，邊長差值在5～10 cm。三維立體測圖精度可以達到1∶1 000測圖精度；由此可見，實際地形高差越小，點位誤差越小：地形高差越大，點位誤差越大。在實際工作中如果項目區(qū)高差較大，為保證精度要求，可考慮分層分區(qū)拍攝，項目區(qū)高差最好控制在1/4航高。

5.2 像控測量產(chǎn)生的誤差

像控點布設(shè)及測量嚴格按照要求規(guī)范進行。首次作業(yè)相控點采用1 m見方的半圓型圖標（圖1），施測為手扶對中方式；再次作業(yè)更改為A4紙張大小“L”型圖標進行布點（圖2），作業(yè)更改為對中桿施測，盡可能減少相控點測量誤差。經(jīng)后期計算，像控點精度得到較大提高，精度控制在1 cm以內(nèi)。

圖1 半圓型圖標

圖2 L型圖標

5.3 解算及采集產(chǎn)生的誤差

如圖3所示，由于地形高差較大，前面房頂與后面道路或者后排房屋地面相平，或者房屋太密集，造成互相遮擋，植被遮擋，傾斜相機不能拍攝到房屋立墻面，立體模型不能有效搭建，不能準確測出房屋的邊線，采集邊線與實測邊線偏差較大。這是此次試驗主要誤差來源。

圖3 地形遮擋示意圖

5.4 人員采集產(chǎn)生的誤差

內(nèi)業(yè)采集使用EPS軟件，內(nèi)業(yè)采集人員的熟練程度，也很大程度影響最終成果的精度。經(jīng)驗不足的采集人員，采集選位不能選取最佳的點位測繪。出現(xiàn)偏離現(xiàn)象，偏離的差值與采集人員熟練程度有很大關(guān)系。所以得出，采集人員的熟練程度也是成果誤差來源之一。建議對內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集人員進行專業(yè)軟件使用培訓(xùn)，并加強內(nèi)業(yè)采集聯(lián)系，有必要跟隨外業(yè)采集人員熟悉外業(yè)工作流程，掌握房屋等采集規(guī)律。

5.5 航拍質(zhì)量產(chǎn)生的誤差

好相機能拍出好的影像，決定影像精度的因素包括了多方面，焦距、像素、感應(yīng)器尺寸等。作業(yè)采用合適的航拍設(shè)備，采用適合無人機飛行速度的相機快門值，采用適合航拍高度和天氣的光圈值、ISO值也很重要。除此之外，航拍時間的選擇也不可忽視，盡量選在多云的天氣作業(yè)，或者晴天時選擇午間太陽陰影面積最小的時候作業(yè)為最佳[4]。

POS精度影響空三運算的結(jié)果，進而影響重建模型的細節(jié)和幾何形態(tài)。在相機、飛行高度等因素不變的基礎(chǔ)上，高質(zhì)量的POS能夠輔助還原完整的幾何細節(jié)，對飛行姿態(tài)的容忍度更高并提高空三效率。建議最好搭載后查分系統(tǒng)，獲取高質(zhì)量的POS數(shù)據(jù)[5]。

6 結(jié)語

利用低空無人機三維傾斜攝影技術(shù)測繪大比例尺地形圖應(yīng)用已非常廣泛，將逐步替代傳統(tǒng)大比例尺測繪手段。提高作業(yè)效率，提高測繪精度，是此技術(shù)發(fā)展的方向。測繪誤差來源途徑很多，文章也介紹了常見的幾種誤差來源，地形高差產(chǎn)生誤差、像控測量產(chǎn)生的誤差、解算及采集產(chǎn)生的誤差、人員采集產(chǎn)生的誤差、航拍質(zhì)量產(chǎn)生的誤差，提出了解決建議，希望為低空無人機三維傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供經(jīng)驗。