基于免像控無人機傾斜攝影測量的實景模型裸眼三維測圖研究

張文春 范洪洋 林 楠

(吉林建筑大學測繪與勘查工程學院 吉林長春 130118)

0 引言

無人機航攝系統是通過無人機搭載傳感器設備，對作業區進行外業航飛獲得成果數據，通過數據處理獲得日常所用的數字高程模型(DEM)、數字正射影像(DOM)、數字線劃圖(DLG)和數字三維模型等產品[1]。與傳統的無人機測繪相比，免像控無人機傾斜攝影技術的發展與應用，進一步完善了無人機的作業方式，該技術通過無人機低空飛行，利用多鏡頭數碼相機攝影獲取高分辨率和多方位的影像數據，通過相應的內業數據處理軟件自動生成三維數字模型，從而實現地理信息的及時獲取。

傾斜攝影技術主要是從多角度、多方位的方面對地物進行信息的采集，從三維的角度獲得更多地形信息，在數字測圖方面得到了廣泛的應用。免像控技術是應用在無人機測繪技術領域的一項重要手段，可以克服諸多限制因素的存在而造成的影像質量較差等問題。同時，應用于航空測繪技術中不需要三方軟件的參與，有效地提高了數字化成圖的效率。獲取的POS數據精度較高，省去了外業布置像控點的工作，只需輸入基站點坐標后經過照片的對齊、密集點云的建立、網格的生成、紋理的生成等處理，即可生成DEM、DOM、DLG、DRG等4D數字產品[2-3]。

1 免像控技術概況

1.1 免像控技術

在現代化測繪技術中無人機航攝系統是重要的新型測繪技術，該技術具有較高的影像數據分辨率及工作效率。但由于該技術的測繪成果質量高低受控于無人機的飛行狀態、天氣因素等，導致了測繪精度較低[4]。基于此，將RTK模塊融入無人機航空攝影技術，即實現航攝免像控，可以在獲得高密度、高精度航空制圖像控點的同時，有效地提高測繪精度和整體測繪成果的質量[2]。

1.2 免像控無人機系統

配有動態差分GPS、慣性測量單元(IMU)、地面參考站等設備的免像控無人機系統作為新型的無人機遙感技術被廣泛關注。由于野外航拍照片自帶實時坐標信息，實現了野外航測作業，減少了野外圖像控制點的作業步驟，提高了野外航測作業效率。首先，對航攝的影像與空中姿態所記錄的信息進行配準。其次，導入到后處理軟件Agisoft Photoscan中自動實現DOM、DSM的生產及空中三角測量的解算等。與傳統的布設像控點的無人機系統相比，免像控無人機航測系統具有效率高、機動性強、免像控控制和自動處理等重要特點。無人機可以實現超低空飛行和高分辨率圖像數據采集。配備免像控無人機的數字GPS和IMU，實現了照片數據的自動處理、DOM和DSM的自動生成以及對空三解算數據的生產。免像控無人機系統主要由系統硬件設備、影像處理系統、信息分析系統等組成，具有高度集成、一體化高度融合的特點。

(1)系統硬件設備，包括無人機飛行平臺、飛行控制系統、地面監控系統、發射與回收系統；遙感任務設備、任務設備穩定裝置、影像位置和姿態采集系統等。

(2)影像處理系統，包括影像數據快速檢查、糾正、拼接；以及DOM、DSM等產品的快速生產等。

(3)信息分析系統，包括信息提取、信息分析、報告自動生成、數據管理與檢索等[3]。

1.3 無人機影像數據的處理

采集到的航攝數據，經航攝系統自動預處理后導入與之對應的軟件平臺進行處理，根據目標任務設置坐標系、投影方法、中心子午線和數據處理精度，并根據目標任務輸出相應的格式數據，滿足項目設計的基本要求。圖像處理，是通過排序完成，以得到DEM、DOM、EPT和DSM等數據，通過圖像拼接和分幅得到最終的成果圖。

2 基于實景模型繪制地形圖

2.1 數據處理

數據處理基于EPS平臺，主要包括數據轉換、模型加載、數據采集檢查以及數據導出等，步驟如圖1所示。

圖1 EPS數據處理方法

2.2 實景模型數據的加載

2.2.1OSGB數據轉換

建立索引文件對Smart 3D處理后的模型直接進行加載。通過菜單工具欄選擇三維測圖的OSDB數據轉換功能，導出傾斜攝影產生的data文件目錄(瓦片數據)與metadata.xml文件生成DSM實景表面模型[4-9]。

2.2.2加載本地模型

由于實景模型裸眼三維測圖需有相應的實景模型支持，所以在三維測圖中選擇加載本地傾斜模型。實景表面模型即OSGB轉換后生成DSM文件，如圖2～圖3所示。

圖2 讀取本地模型文件

圖3 本地模型加載

2.3 繪圖編輯

該試驗基于EPS軟件平臺，分別對房屋、道路、植被、斜坡、獨立地物等5種地類以及等高線進行繪圖。

(1)房屋的繪制：該項目繪制房屋采用的方法為“以面代點”，采集清晰面上的任意一點自動擬合計算出房角點。在繪圖過程中，軟件支持房層、地面等選擇。錄入房屋結構和樓層后建立立體白膜，如圖4所示。運用此方法完成校園內學生公寓等建筑物的繪制。

圖4 立體白模

(2)道路的繪制：采用道路支路邊線方法，在實景模型上繪制道路邊界線后自動生成道路平行線，如圖5所示。

圖5 生成道路平行線

(3)植被的繪制：繪制一個閉合的區域作為植被邊界后對植被構面進行選擇，系統自動生成二三維植被符號，直到植被數據與實景模型相吻合(即植被數據邊界與實際植被地物邊界相吻合)。運用此方法完成的校園內草坪、花壇、果園以及樹林的繪制，如圖6所示。

圖6 植被的繪制

(4)斜坡的繪制：在采集邊緣線后系統將自動生成二三維斜坡符號，斜坡數據與實景模型相吻合。調整斜坡美觀，保證坡上線和坡下線都有節點，并在節點位置進行調整，如圖7所示。

圖7 道路的繪制

(5)獨立地物的繪制：獨立地物包括井蓋、路燈等設施。利用加點功能通過底圖的地物繪制獨立地物，如圖8所示。

圖8 獨立地物的繪制

(6)等高線的繪制:首先，利用已有高程點構建三角網，其次，根據三角網生成等高線[10-13]，完成測區的小山丘，如圖9所示。

圖9 根據三角網生成等高線

3 精度分析

為了檢驗基于三維模型量測地形圖的可行性和精度，本次實驗在試驗區采用RTK技術均勻量測一些特征點，包括平面和高程點各50個點。以這些實地量測的檢查點坐標作為已測地形圖的檢核點的方法，進行地形圖的高程精度分析如圖10所示，以及地形圖的平面精度分析如表1所示。

圖10 高程誤差分布

表1 高程精度m

點號實測高程刺點高程高程誤差Δh21234.679234.685-0.0060.000 036 2233.915233.8960.0190.000 361 3233.604233.5840.020.000 400 4233.175233.1580.0170.000 289 5233.375233.381-0.0060.000 036 6233.483233.4710.0120.000 144 ……………48240.568240.5570.0110.000 121 49240.055240.066-0.0110.000 121 50244.518244.547-0.0290.000 841

4 結語

該項目以無人機傾斜攝影測量為理論基礎，以吉林建筑大學北校區為例，分析了在無人機傾斜攝影測量三維模型的基礎上進行裸眼測量，繪制地形圖所能達到的精度水平。以數字傾斜三維模型為數據源，通過EPS(地理信息工作站)軟件，繪制了測區的數字地形圖和建筑單體模型。通過外業實測部分檢查點得出:抽樣檢查點平面點位中誤差為0.034m，高程點位中誤差為0.017m，點位中誤差滿足1∶500比例尺的測圖精度要求。結果表明，實景模型裸眼三維測圖能用于1∶500地形圖的生產，該項目的研究方法雖為地形圖的批量生產提供了新的思路，但測圖精度有待提高，須后續進一步研究。