無人機傾斜攝影支持下的1∶500高精度三維測圖方案及應(yīng)用

趙小陽，孫松梅

(1. 廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院,廣東 廣州 510060； 2. 廣州智迅誠地理信息科技有限公司,廣東 廣州 510000)

作為國家基本比例尺地圖中精度和地形地物要求最高的地圖成果，1∶500地形圖的應(yīng)用范圍越來越廣泛。在城市規(guī)劃、國土資源管理、拆遷、建設(shè)和地籍調(diào)查等項目中，都需要測繪1∶500地形圖。近幾年全國集中組織開展的一些與測繪地理信息相關(guān)的項目，都明確要求生產(chǎn)出1∶500地形圖，如不動產(chǎn)確權(quán)登記、高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田、美麗鄉(xiāng)村建設(shè)等。

傳統(tǒng)方法測繪1∶500地形圖，主要利用RTK和全站儀實地采集特征點、地物點的三維坐標(biāo)，再用軟件編繪地形圖。傳統(tǒng)1∶500地形圖測量采集要素多、精度要求高，需要投入大量測工實地采點、調(diào)繪，需要較高的時間和資金成本。近年來航空攝影測量的發(fā)展，使得采用固定翼無人機搭載單鏡頭相機或多旋翼無人機搭載五鏡頭相機攝影測量的技術(shù)已較為成熟，并在1∶2000及以下比例尺的測圖項目中廣泛應(yīng)用[1-4]。隨著飛控軟件、續(xù)航時間、定位精度、載重量等無人機參數(shù)的優(yōu)化提升，無人機攝影測圖效率逐步提高，需要用到的外業(yè)測繪人員大幅減少，無人機已基本取代傳統(tǒng)人工測繪，成為大面積測圖的主流方式[5-9]。但傳統(tǒng)航測一直沒有突破5 cm點位中誤差要求，這就限制了無人機在高精度測圖項目中的應(yīng)用。因此，研發(fā)一種適應(yīng)于大范圍1∶500的無人機測圖方案迫在眉睫。本文以哈瓦四軸八旋翼折疊雙電版無人機MEGA-V8Ⅲ為平臺，加載五相機三維立體傾斜測量系統(tǒng)，經(jīng)檢驗所測1∶500地形圖滿足測量規(guī)范要求。

1 總體技術(shù)路線

傾斜攝影技術(shù)是國際測繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，基于攝影測量技術(shù)，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器(目前常用五鏡頭相機)，同時從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息。

以傾斜攝影技術(shù)獲取的影像數(shù)據(jù)為主要素材，將結(jié)合其他技術(shù)手段獲得的現(xiàn)狀影像照片或掃描點云數(shù)據(jù)，經(jīng)多視影像空中三角測量、多視影像密集匹配、數(shù)字表面模型生成、三維空間網(wǎng)格模型生成、紋理映射、真正射影像糾正等過程進行自動化加工處理后，對自然環(huán)境中的地形地貌、地物設(shè)施等場景實況三維模型構(gòu)建的過程，即無需人工干預(yù)，從多源數(shù)據(jù)中獲取連續(xù)影像，從而生成真三維模型的過程，稱之為自動化實景三維建模，通過自動化實景三維建模所獲得的真三維模型，稱為實景三維模型。

實景三維建模具備高效率、高精度、高真實感、低成本的優(yōu)勢，由其得到的實景三維模型可以用來直接測量坐標(biāo)、采集成圖，實現(xiàn)裸眼三維測圖。由于實景三維模型能多角度查看地物，在正射影像中無法修正而需要到現(xiàn)場調(diào)繪的屋檐、飄樓、陽臺等細節(jié)信息，都可以直接在三維場景下采集、標(biāo)注，這大大減少了外業(yè)調(diào)繪的工作量，在室內(nèi)就能完成采點和制圖工作。

2 關(guān)鍵技術(shù)

傾斜攝影全作業(yè)流程中的主要誤差來源有數(shù)據(jù)源采集誤差和處理誤差，具體包括原始數(shù)據(jù)(相片)采集誤差、解算誤差和三維測圖軟件的采點誤差。本文提出了針對無人機航攝過程中各個精度影響因素的解決辦法，定制了采集高精度原始影像的無人機航攝系統(tǒng)，并革新了內(nèi)業(yè)測圖方式。

2.1 集成RTK模塊的多旋翼無人機平臺設(shè)計

2.1.1 機身穩(wěn)定設(shè)計

本文采用的平臺是哈瓦四軸八旋翼折疊雙電版無人機MEGA-V8Ⅲ，哈瓦無人機機身采用的碳纖維一體化設(shè)計增加了機身整體強度,減少了震動,降低了外界信號的干擾問題，提高了機體的安全性和可靠性。掛載設(shè)備下沉式設(shè)計使飛行器的相對重心下沉，有利于飛行器的穩(wěn)定性，姿態(tài)控制更為簡單，從而提高飛行器的適航能力。上下正反槳共軸設(shè)計結(jié)合為雙冗余控制系統(tǒng)，為飛行平臺提供充沛的動力，極好的機動性能，適應(yīng)復(fù)雜飛行情況，與同等機型對比，動力響應(yīng)更快、抗風(fēng)能力更強、飛行姿態(tài)更穩(wěn)定、整體性能更優(yōu)異。

2.1.2 相機拍攝時間與POS定位時間的同步

利用無人機航測實施1∶2000及以下大比例尺測圖時，容錯范圍較大，即使飛機的時間、位置與相機拍照的時間、位置不統(tǒng)一，對航測造成的影響也在誤差允許的范圍內(nèi)。而當(dāng)比例尺變成1∶500，特別是在不動產(chǎn)確權(quán)登記項目中，容錯誤差變成了界址點的點位中誤差(5 cm以內(nèi))，這時POS定位時間相對于相機拍攝時間的延遲對整個測圖系統(tǒng)的影響變大。本文研究通過相機熱靴傳遞脈沖信號，實現(xiàn)相機-GNSS接收機毫秒級同步，觸發(fā)接收機內(nèi)部核心模塊對原始數(shù)據(jù)的采樣，并進行定位、定向和速度的高精度解算。其優(yōu)點如下：①由相機快門釋放時刻產(chǎn)生的信號觸發(fā)接收機，最大限度地減少了機械延時產(chǎn)生的誤差；②由外部事件控制接收機原始數(shù)據(jù)的采樣，而不是根據(jù)觸發(fā)時刻和前后坐標(biāo)等信息進行插值計算，保證了高動態(tài)場景下的測量精度。

2.1.3 機載RTK模塊的高精度無人機航攝定位

無人機在空中飛行的姿態(tài)與飛機的穩(wěn)定性和定位系統(tǒng)有很大的關(guān)系。目前大多數(shù)無人機只搭載了磁羅盤和GPS的單點定位系統(tǒng)，這導(dǎo)致無人機在空中的姿態(tài)數(shù)據(jù)，即POS點誤差非常大，尤其是在比例尺為1∶500時，可能直接造成三維模型的波浪式起伏，或局部的隆起、下沉等，從而導(dǎo)致1∶500地形圖的超限超規(guī)。

本文項目的哈瓦無人機為飛行控制系統(tǒng)開發(fā)了高精度導(dǎo)航定位系統(tǒng)，采用雙RTK設(shè)計，天線間距約1 m，能夠接收三星(北斗、GPS、GLONASS)7個頻段數(shù)據(jù)，通過實時動態(tài)差分技術(shù)將三維定位精度由米級提升至厘米級，集成了定位、定高和測向功能，可實現(xiàn)高精度飛行。傳統(tǒng)無人機定高采用的氣壓計極易受載體氣動布局和氣流波動影響，在啟動、剎車或長距離、長時間飛行時可能出現(xiàn)嚴(yán)重的高度誤差。而RTK提供的可靠的厘米級高度信息，能夠輸出精準(zhǔn)的航向信息；提供的強大的抗磁干擾能力，在高壓線、金屬建筑等強磁干擾的環(huán)境下保障飛行的可靠性。高精度的雙RTK多傳感器結(jié)合靈活充沛的動力系統(tǒng)和飛控算法，保證了定制無人機在飛行過程中的高精度飛行，即使在有風(fēng)情況下也能對姿態(tài)進行實時矯正，采用FOC反饋電調(diào)實時反饋動力系統(tǒng)運轉(zhuǎn)狀態(tài)，有效提升動力系統(tǒng)效率和控制靈敏度約10%，航線軌跡可高精度重復(fù)，航線精度誤差為2 cm，定向精度為0.2°，3～4級風(fēng)情況下掉高不超過0.5 m(如圖1所示)。

2.1.4 自主減震系統(tǒng)設(shè)計

本文從無人機與航攝系統(tǒng)一體化減震設(shè)計角度包括機型結(jié)構(gòu)設(shè)計獨特，碳纖維一體成型機身的仿生設(shè)計，4個電機座相互平行出發(fā)，通過機身結(jié)構(gòu)降低振動頻率及振幅，從而使得電機震動最小的傳導(dǎo)到機身中心點。另外，本文還設(shè)計了無人機與掛載之間的減震系統(tǒng)，通過獨特的風(fēng)洞設(shè)計，使得無人機在空中飛行過程中，減少電機及空氣氣流等因素對機身的震動影響(如圖2所示)。

2.1.5 優(yōu)化了五鏡頭相機的結(jié)構(gòu)和參數(shù)

傾斜攝影1∶500高精度三維測圖技術(shù)定制了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，即無人機搭載的五相機，通過大量采集實踐，調(diào)整了五相機的焦距、光圈、鏡頭等參數(shù)，大大降低了采集誤差。五鏡頭傾斜相機采用高品質(zhì)相機搭配帶有ED鏡片的高端T*鏡頭，針對航測特性及需求進行了系統(tǒng)化的改裝，5個相機嚴(yán)格要求時碼同步、幀同步，合焦點相同，因此對相機的調(diào)校要求極高。飛控給出拍攝指令，相機執(zhí)行快門到1/2處時，飛控同時記錄RTK POS點，兩個時間點完全一致。另外，相機通過掛載端的減震處理，保證了無人機在飛行過程中的振動不被傳導(dǎo)到相機，將振動與相機進行物理隔離。同時，根據(jù)飛行速度等因素，測定了飛行的前傾角度，在云臺掛載端進行了相應(yīng)角度的修正，保證在作業(yè)過程中正攝鏡頭與地面呈90°。

2.2 嚴(yán)密的高精度像控布設(shè)與空三解算

利用航測方式實現(xiàn)1∶500測圖，必須引入高精度的像控點參與空三解算。就某一測區(qū)而言，理論上高精度的像控點越多越能清晰地描述該地區(qū)，但考慮實際的作業(yè)效率和經(jīng)濟負擔(dān)，像控點并非越多越好，而是應(yīng)有合理的分布和合理的數(shù)量，才能平差得出符合實際的三維模型。本文根據(jù)實際測區(qū)情況和空三平差原理，設(shè)計出合理數(shù)量和均勻分布的像控點，結(jié)合POS系統(tǒng)提供的外方位元素和相機安裝位置關(guān)系，輔助控制點強連接幾何條件，GPS+IMU實現(xiàn)多視角影像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差迭代計算，從而平差得到了精度達到2 cm以內(nèi)的三維模型，滿足了確權(quán)所需要的界址點點位中誤差的要求。

2.3 多視角組合采集的全新測圖模式

本文將傳統(tǒng)航測的雙目立體視覺方法，擴展到以機器視覺多視圖匹配，大幅提升交會精度。自動檢索多拍攝角度影像，結(jié)合傾斜攝影同名點匹配技術(shù)，提出了模型與影像結(jié)合的矢量采集新模式，相比傳統(tǒng)航測采集，無需佩戴立體眼鏡，即可在傾斜影像上實現(xiàn)屋檐和陽臺的改正，大幅降低外業(yè)工作強度(如圖3所示)。

針對場景中的遮擋問題，本文創(chuàng)新性地提出輔助線方法，通過點-線聯(lián)合解算改善幾何條件，設(shè)計了采集-驗證模式，可對多種地形模式和地物部件進行內(nèi)業(yè)全要素采集，并為質(zhì)檢提供了一套有效的工具系統(tǒng)。

2.4 快速海量影像處理的協(xié)同生產(chǎn)體系

本文通過生產(chǎn)協(xié)同處理框架，實現(xiàn)對空三、自動建模、測圖、質(zhì)檢等工具軟件的任務(wù)和版本管理。通過后臺數(shù)據(jù)庫管理平臺和分布式文件存儲技術(shù)，解決了數(shù)據(jù)文件多、種類雜、分布散的問題，并使用負載均衡等技術(shù)，實現(xiàn)中間數(shù)據(jù)高效流轉(zhuǎn)，達到了軟件間的互聯(lián)互通。基于漸進網(wǎng)格化存儲模型的影像數(shù)據(jù)存儲模型設(shè)計、多點透視索引算法和CPU-GPU協(xié)同并行處理提升作業(yè)單位整體生產(chǎn)效能。利用FastFDS分布式文件系統(tǒng)進行一致性哈希改造，搭建高可用分布式影像存儲和檢索框架CFDS，哈希結(jié)果盡可能地平均分散到各個節(jié)點上，使得每個節(jié)點都能得到充分利用。確保在出現(xiàn)節(jié)點故障時，系統(tǒng)能夠自動識別故障節(jié)點，自動恢復(fù)故障節(jié)點涉及的數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)，使得單節(jié)點的故障不會影響到系統(tǒng)整體的對外服務(wù)，完全不影響業(yè)務(wù)的連續(xù)性。在數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程中，形成規(guī)范化的工作流程管理及各生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)共享和處理環(huán)節(jié)的并行優(yōu)化。

3 成果應(yīng)用案例

3.1 項目背景和技術(shù)路線

廣州市白云區(qū)馬瀝村是原國土資源部農(nóng)村不動產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查的示范點，項目需要測繪高精度的1∶500地籍地形圖，測區(qū)面積1.5 km2，地勢相對平坦，地面要素主要為村莊居民地、耕地。傾斜攝影1∶500高精度三維測圖技術(shù)的技術(shù)路線為：傾斜攝影數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、實景三維建模、三維測圖、精度檢核及成果提交。

3.2 航飛路線設(shè)計

測區(qū)范圍內(nèi)最高地物為電塔，約為65～70 m，實際飛行高度為102 m，航飛地面分辨率為2 cm，飛行時間共計2 d 13個架次，影像旋偏角控制在6°范圍內(nèi)，航向重疊與旁向重疊率控制在70%以上(如圖4所示)。

3.3 像片控制測量和建模

像控采用先整體再局部，由長邊控制短邊的方式布設(shè)。測區(qū)總共布設(shè)了28個像控點，其中3個靜態(tài)點由國家二等控制點引入，另外25個點采用RTK 1+1模式加密布設(shè)而成，像控點間呈等邊三角形分布。

本次空三和建模軟件采用ContextCapture實景三維建模軟件。坐標(biāo)系為CGCS2000，中央子午線為東經(jīng)114°，無人機POS為精確WGS-84坐標(biāo)。平差時使用23個控制點，另外5個控制點作為檢測點使用，像控點檢測成果見表1。

表1 像控點坐標(biāo)檢查統(tǒng)計 mm

3.4 室內(nèi)測圖

項目室內(nèi)測圖采用DP-Modeler軟件，實現(xiàn)利用傾斜攝影技術(shù)獲取的影像數(shù)據(jù)進行高精度的大比例尺地形數(shù)據(jù)的矢量采集工作。作業(yè)人員無需佩戴立體眼鏡，根據(jù)模型和影像所見即所得的定位地物要素的三維信息，采集同時賦予要素的國標(biāo)編碼，矢量成果可導(dǎo)出多種數(shù)據(jù)格式(如圖5所示)。DP-Modeler軟件能實現(xiàn)屋檐糾正，大大減少外業(yè)調(diào)繪工作量。本文研究表明，采用無人機方法測1∶500地形圖比傳統(tǒng)地形圖測量方法減少約2/3的時間和人力成本。

3.5 成果質(zhì)量檢驗

本文1∶500地籍地形圖成果采用傳統(tǒng)全站儀進行外業(yè)采點進行成果自檢，地物點點位中誤差為2.71 cm，具體結(jié)果見表2。經(jīng)省級測繪地理信息產(chǎn)品質(zhì)量檢驗站進行第三方質(zhì)檢，抽樣5幅1∶500地籍地形圖，檢驗結(jié)果表明數(shù)據(jù)及格式正確，要素分層合理，地理要素采集方法正確，綜合取舍較為合理，數(shù)學(xué)精度符合設(shè)計要求(見表3)。

表2 平面坐標(biāo)的精度統(tǒng)計

注：Δ=10 cm,地物點點位中誤差σ=2.71 cm

表3 第三方質(zhì)檢數(shù)學(xué)精度統(tǒng)計 cm

4 結(jié) 語

本文的無人機傾斜攝影系統(tǒng)搭載了高精度的定位設(shè)備，再結(jié)合地面控制點，成果平面和高程中誤差均可控制在5 cm以內(nèi)，達到了1∶500地形地籍測量的精度要求。實景三維建模是在航拍影像的基礎(chǔ)上，通過計算機自動構(gòu)建還原真實世界的完整面貌，實現(xiàn)了全要素覆蓋的三維建模，并大大縮短了外業(yè)采集的時間，顯著提升了綜合作業(yè)效率。另外，本文在采集地形圖成果的同時，還能得到DOM、TDOM、DEM、DSM、實景三維模型等測繪成果，采集生產(chǎn)的數(shù)據(jù)可用性大大增強，提升了項目的附加值和生產(chǎn)單位的競爭力。