基于消費級無人機傾斜影像的三維測圖技術探討

吳獻文，張 鵬，曾 琳

(1. 廣東工貿職業技術學院，廣東 廣州 510510； 2. 中測科技(廣州)有限公司，廣東 廣州 510700)

傾斜攝影技術是目前測繪遙感領域新興發展的一項高新技術，融合了傳統的航空攝影、近景攝影測量、計算機視覺技術[1]，突破了正射影像成果不得不從航空垂直地面的角度攝影獲取的限制[2]，可以在飛行平臺同時搭載多臺傳感器，同時從垂直、前視、后視、左視、右視共5個角度采集影像[3]，獲取地形地貌完整與精確信息。

但是，目前采集傾斜影像的設備主要為五鏡頭合成相機，飛行平臺是體積相對較大的無人機機型，不但價格昂貴，而且操控復雜、飛行風險較大，難以普及應用。消費級無人機的出現與普及，為傾斜影像采集與三維模型構建，并應用于大比例尺三維測圖帶來良好的契機。

1 實景三維測圖技術流程

利用傾斜影像進行三維測圖技術主要包括數據采集(影像采集、像控點測量)、空中三角測量、多視影像密集點匹配、數字表面模型數據生成、紋理貼合、實景三維建模、三維測圖及外業調繪與補測等步驟[4]。其中，最關鍵步驟是通過空中三角測量解算出像片的外方位元素[5]，在此基礎上，通過多視影像密集匹配算法獲得點云，并紋理貼合生成三維模型，最后進行三維測圖[6]。三維測圖技術流程如圖1所示。

2 實例分析

本文試驗實例為廣東某糖廠計劃拆遷的廠區1∶500地形圖測量，范圍約500 m×400 m，面積約0.2 km2。

2.1 消費級無人機傾斜影像采集系統

目前用于測繪的無人機種類眾多，有固定翼無人機、旋翼無人機和復合翼無人機等多種機型，具有不同特點及其適用領域[7]。多旋翼無人機起降、飛行速度與高度可操控性高，且可低空飛行，適合用于傾斜攝影數據獲取。本文試驗選用四旋翼無人機DJI Phantom 4pro。

DJI Phantom 4pro無人機由飛行器、云臺相機、遙控器及安裝飛控軟件的平板電腦(或智能手機)組成[8]，其主要技術參數見表1。

表1 DJI Phantom 4pro主要技術參數

2.2 數據采集

2.2.1 地面像控點布設

航空攝影之前，在試驗區域進行像控點布設與測量，用于內業空中三角測量解算及三維模型精度檢驗。在試驗區域內選擇道路邊線或中線交叉點、道路標記線等作為像控點，采用GNSS RTK測量方法測出其坐標，為了滿足試驗要求，測量精度須達到厘米級。本次試驗共測量15個像控點，其中10個像控點成果用于空中三角測量解算，另外5個像控點成果用于三維模型精度驗證，如圖2所示。

2.2.2 航線設計與無人機影像采集

試驗采用研究團隊基于DJI-SDK自主開發的無人機地面控制軟件進行航線設計。飛行前在飛行控制軟件上規劃航拍區域，設定飛行高度、優化計算與否、相機傾角及影像重疊度等參數[9]，根據優化算法軟件自動生成1次正射和2次傾斜攝影的優化飛行規劃航線，并自動預估航時，根據需要智能續飛(如圖3所示)。本次試驗航飛相對高度100 m，地面分辨率2.99 cm，旁向重疊度75%，航向重疊度80%，共采集1533張影像。

DJI Phantom 4pro無人機只有一個鏡頭，為了實現跟專業五鏡頭相似的效果，需要由軟件控制調動鏡頭角度，垂直、前、后、左、右分別對建筑物航拍5遍，實現傾斜攝影數據采集。以廠房所在的煙囪為中心示意，垂直向下鏡頭采集影像與傾斜角度采集影像數據對比如圖4所示。

2.3 全自動快速三維模型構建

傾斜攝影測量技術通常包括影像預處理、空中三角測量、多視影像匹配、DSM生成、真正射糾正和三維建模等關鍵內容[10-11]。本次試驗三維模型構建采用ContextCapture軟件，將獲取到的符合建模要求重疊度的航空影像進行預處理，并導入ContextCapture軟件，均勻挑選出一定數量的野外控制點，軟件則自動匹配運算，進行三維模型生產。

2.3.1 空中三角測量

在ContextCapture自動建模系統中加載測區影像，人工給定一定數量的控制點，軟件空中三角測量中的平差方法采用光束法區域網平差，其原理是以一張像片的一束光線作為平差單元，以中心投影共線方程作為基礎方程，通過計算各光束在空間中轉換參數[12]，實現各模型間公共光線的最佳交會，把整體區域納入地面坐標系中，恢復地物空間位置關系[13]?？罩腥菧y量結果如圖5所示。

2.3.2 影像密集匹配

軟件采用高精度密集匹配技術，對所有影像中同名點進行自動匹配。為了更加精確表達地形地物細節，提取更多特征點構成密集點云。地形地物越復雜、越密集的地方，點密度越高；反之，則相對稀疏。

2.3.3 紋理映射

通過空中三角測量解算和影像密集匹配后，所有影像之間的點云可計算構成三角格網TIN，再由三角格網TIN構成白模型，軟件從影像中提取相對應紋理，并將紋理自動映射到對應的白模型上，形成實景三維模型，如圖6所示。

2.4 三維測圖

本文試驗采用SV360智能三維測圖系統進行地形圖測量。SV360操作簡便，建立工程項目，導入三維模型后，設置相應的參數，由作業員在三維模型基礎上進行點、線、面采集，按要求設定圖層并賦屬性信息，如圖7所示。內業采集編輯完成后，還需對未能確認的屬性與遮擋部分等內容進行外業調繪與補測。

2.5 精度分析

成果完成后，主要采用人機交互檢查方式對試驗區域的測圖成果進行質量檢查，本文試驗主要對平面精度進行檢查。

(1) 實景三維模型精度驗證。實景三維模型生產完畢后，將未參與空中三角測量的像控點作為模型檢核點，檢查三維模型精度[14]，最終檢查結果為：X方向平均誤差為0.006 9 m，Y方向平均誤差為0.004 5 m，達到試驗精度要求。

(2) 測圖成果精度驗證。選取建(構)筑、道路、附屬設施等地物要素，采用GNSS RTK測量方法實地采集檢查點坐標，與測圖成果進行比較，經符合要求的粗差剔除后，最終檢查結果為：平面中誤差為±0.065 4 m，成果滿足《CH/T 9008.1—2010基礎地理信息數字成果1∶500、1∶1000、1∶2000數字線劃圖》中1∶500地形圖精度要求。

3 結 語

本文試驗采用消費級無人機傾斜攝影測量技術，充分利用了傾斜攝影技術的自動化空中三角測量與快速建模優勢[15]，短時間內生產出高質量、高精度三維模型，并以此為基礎進行了1∶500地形圖測量工作，技術路線可行，產品精度符合相關標準規范要求。此方法改變了以往測圖技術方法，將全野外工作轉變為主要內業加部分外業調繪，大大減少野外工作量，數據采集更自主、更高效。實景三維測圖技術整體效率預期優于傳統測繪方式，特別是采用價格低廉、操控簡便的消費無人機作為影像數據采集平臺，具有推廣普及意義。