無人機傾斜攝影測量技術在不動產(chǎn)更新測繪中的應用

楊亞彬，謝思梅，謝榮安

(1.廣東省地質(zhì)測繪院，廣東 廣州 510800；2.廣州市城市規(guī)劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060)

無人機傾斜攝影測量技術的應用不但較好地解決了普通航攝精度不足的問題，而且實現(xiàn)了對地物頂部和側(cè)立面的建模和紋理采集，在大范圍三維建模方面表現(xiàn)出了卓越的能力。能夠適應于小面積或大范圍攝影測量作業(yè)，可獲得實景三維模型、正射影像、數(shù)字高程模型和高精度大比例尺地形圖等成果[1-4]。本文嘗試在肇慶市利用傾斜攝影測量技術生產(chǎn)1∶500地形地籍圖生產(chǎn)實踐，研究探討用于不動產(chǎn)數(shù)據(jù)更新的可行性及成熟度。

1 無人機傾斜攝影測量技術原理

傾斜攝影技術是通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器(目前常用的是五鏡頭相機)，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確的信息。拍攝原理如圖1所示。只要通過一次飛行，就能獲得5個不同視角的影像，同時還能利用計算機軟件進行紋理自動貼圖[5-6]。將傾斜攝影技術應用到無人機上，獲取更加真實、更加直觀、更加符合實際的三維模型[7]。因此與傳統(tǒng)技術相比，傾斜攝影技術具有更高的效率、性價比及更高的精度，應用范圍也越來越廣泛。

圖1 傾斜攝影測量拍攝原理示意圖

2 關鍵技術

2.1 傾斜攝影測量系統(tǒng)選擇

無人機傾斜攝影系統(tǒng)是以無人機為飛行平臺，以傾斜攝影相機為任務設備的航空影像獲取系統(tǒng)，平臺重點應考慮載重、巡航速度、實用升限、續(xù)航時間、安全性和抗風等級等幾個方面，傾斜相機的性能指標主要有獲取影像能力、作業(yè)時間、曝光功能、續(xù)航時間、POS記錄功能等方面。本文采用的無人機傾斜攝影平臺從4個方面進行了技術優(yōu)化設計：無人機與航攝系統(tǒng)一體化穩(wěn)定設計使飛行更趨穩(wěn)定；高精度雙RTK模塊導航定位與精準飛行技術使航線精度誤差控制在2 cm、定向精度0.2°以內(nèi)；五鏡頭傾斜相機一體化固定結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計；POS采集與相機拍攝同步技術解決了匹配與同步對整個過程造成的誤差影響，最大程度減少了機械延時產(chǎn)生的誤差，保證了高動態(tài)場景下的采樣精度。

2.2 飛行航線設計

航攝高度的確定[8-9]：無人機傾斜攝影的飛行高度是航線設計的基礎。航攝高度需要根據(jù)任務要求選擇合適的地面分辨率，然后結(jié)合傾斜相機的性能，按照式(1)計算

H=f×GSD/a

(1)

式中，H為航高；f為相機焦距；GSD為地面分辨率；a為像元尺寸。

航攝重疊度的要求：低空數(shù)字航空攝影規(guī)范規(guī)定“航向重疊度一般應為60%～80%，最小不小于53%；旁向重疊度一般應為15%～60%，最小不小于8%”。在無人機傾斜攝影時，旁向重疊度明顯不夠。不論航向重疊度還是旁向重疊度，按照算法理論建議值為70%以上，結(jié)合實際結(jié)果一般選擇航向及旁向重疊度不低于75%為宜。

2.3 像片控制測量

控制測量是為了保證空三精度、確定地物目標在空間系統(tǒng)中的絕對位置[8-9]。因此對控制點的布設密度和測量方法是確保大比例尺成圖精度的基礎。傾斜攝影技術相對于傳統(tǒng)攝影技術在影像重疊度上要求更高，現(xiàn)有的規(guī)范關于像控點布設要求已難以滿足高分辨率無人機傾斜攝影測量要求，鑒于無人機航攝通常采用GNSS定位模式，自身帶有POS數(shù)據(jù)，對確定影像間的相對位置作用明顯，利于提高空三計算的準確度。為此像控點布設密度建議設計為40 000～60 000像素為宜。

2.4 多視影像匹配及自動空三

利用多視幾何技術對多視影像匹配與空三加密二者進行有效融合，其優(yōu)化結(jié)果能夠為攝影測量加密提供良好的初始數(shù)據(jù)。以傳統(tǒng)攝影測量加密采用較為嚴密的光束法區(qū)域平差，其使用的函數(shù)模型共線方程式為

(2)

式中，(u,v)為像點坐標；(u0,v0)為像主點坐標；f為相機焦距；(X,Y,Z)為像點對應的物方空間點坐標；(Xs,Ys,Zs)為相機外方位元素的3個線元素；ai、bi、ci(i=1,2,3)為外方位元素的3個角元素(φ，ω，κ)構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)矩陣。線性化后得到

v=At+BX-L

(3)

(4)

式中,λi為比例因子。

投影矩陣P包含11個自由變量，又可分解為旋轉(zhuǎn)矩陣R、平移矩陣T和相機檢校矩陣K，如

P=K[RT]

(5)

通過在候選深度上將匹配影像糾正到主視圖像并融合為深度鎖定影像，充分利用多視影像的冗余觀測值，顯著提高密集匹配的效率和精度。

2.5 傾斜影像三維建模技術

采用革新性的解析方法及作業(yè)模式[10-13]，實現(xiàn)多視角自動檢索、優(yōu)選配準影像，通過結(jié)合傾斜攝影同名點匹配技術建立影像與模型的嚴格對應關系，以多視最小二乘矢量匹配支持下的子像素定位精度，鉛直輔助線對照影像觀測邊緣特征，形成2D邊緣特征→前交3D矢量→投影到圖像2D特征驗證的交互式迭代采集模式。

3 應用實例

3.1 應用區(qū)域

為了滿足區(qū)域不動產(chǎn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性及準確性[14-15]，更新測繪試驗區(qū)，選擇位于肇慶市端州區(qū)西北部面積3.331 km2的區(qū)域。測區(qū)屬于丘陵臺地，地勢北高南低，地形以村莊、居住小區(qū)、大學校園、道路及附屬建筑物等，北部有少量山地，測區(qū)平均海拔高度約為60 m，地形最大落差約為100 m，建筑物最大高度約為80 m。

3.2 主要精度指標及軟硬件設備技術參數(shù)

項目成圖比例尺為1∶500，基本等高距為0.5 m。三維模型及主要地物點平面精度為±5 cm；城市建成區(qū)和鋪裝地面高程注記點高程中誤差不大于10 cm。

硬件采用哈瓦MEGA V8四軸八旋翼搭載五鏡頭傾斜攝影測量系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)采集平臺，航線管理多任務一體化，同時兼容北斗、GPS、GLONASS 3種衛(wèi)星定位模式，采用HARWAR-YT-5POPC IV飛行模塊，搭載索尼5100X5相機1.2億像素，地面分辨率為1.8 cm，定位精度水平方向為2 cm，垂直方向為5 cm。軟件使用ContextCapture Center進行三維建模預處理，利用武漢天際航DP-Mapper軟件完成三維實景建模及地形圖生產(chǎn)。

3.3 無人機傾斜攝影測量技術流程

無人機傾斜攝影測量作業(yè)流程主要包含無人機傾斜影像數(shù)據(jù)獲取、像控測量、空三計算與優(yōu)化、實景三維模型生成、真正射影像制作、內(nèi)業(yè)測圖與外業(yè)補測等幾方面，如圖2所示。

圖2 項目作業(yè)流程

3.4 無人機傾斜攝影

試驗區(qū)呈長方形，外業(yè)航攝分東西2個區(qū)，26架次4天完成，有效飛行面積約為4.5 km2。飛行期間均為晴天，通視條件良好。航攝數(shù)據(jù)經(jīng)檢查無遺漏，無缺失，影像清晰，層次豐富，色調(diào)均勻，對應POS信息齊全。具體傾斜攝影技術參數(shù)見表1。此次獲得傾斜影像69 775張，數(shù)據(jù)范圍及數(shù)據(jù)質(zhì)量均滿足測區(qū)生產(chǎn)需要。

3.5 像片控制及空三加密與優(yōu)化

像控點布設采用在航飛前預制地面控制點標志，像控點密度平均邊長200～250 m，共布設96個點，像控點坐標和高程利用GDCORS采用RTK方式測量獲取。

在空三結(jié)果基礎上加入控制點聯(lián)合平差，優(yōu)化精度至1/3個像素，以滿足后續(xù)自動化建模作業(yè)的要求。通過檢查外方位元素標準偏差能夠全面反映精度表現(xiàn)，因此空三運算時需重點關注的質(zhì)量指標有：是否丟片，丟得是否合理；連接點是否正確，是否存在分層、斷層、錯位；檢查的誤差、像控點殘差、連接點誤差是否滿足限差要求。

3.6 實景三維建模

將空三成果提交建模任務，通過劃分模型格網(wǎng)，采用8組GPU同步生產(chǎn)模型數(shù)據(jù)。采用ContextCapture Center軟件首先對航空影像進行預處理，軟件自動對每張影像進行特征點檢測和匹配，然后進行空三解算得出每張影像的內(nèi)外方位元素，稠密點云數(shù)據(jù)提取并進行大數(shù)據(jù)散亂點云曲面重建，構(gòu)建出TIN網(wǎng)白模，在此基礎上進行無縫紋理映射，最后輸出包括三維模型、點云數(shù)據(jù)、DSM、DOM等多種成果。

3.7 三維測圖

利用實景三維測圖軟件DP-Modeler完成地形圖測繪，傾斜攝影三維模型實現(xiàn)所見即所得的觀測，采集過程中無需佩戴立體眼鏡，直接對地物特征輪廓、點狀地物進行矢量測繪，在真三維環(huán)境中完成屋檐改正、樓層判讀、部件等地物要素和地形要素采集。對于小部分遮擋及未能確認屬性等內(nèi)容進行了外業(yè)調(diào)繪和補測。項目內(nèi)外業(yè)測圖工作20天順利完成。

4 精度分析

成果完成后進行了內(nèi)外業(yè)質(zhì)量檢查。現(xiàn)重點對成果精度進行檢查分析。外業(yè)采用2″級全站儀，利用已布設的像控點實地設站極坐標法檢測同名地物點，共檢測190個地物點，根據(jù)《測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》(GB/T 24356—2009)規(guī)定，對檢查點進行平面和高程中誤差計算，中誤差同等精度檢測計算公式為

(6)

式中，M為成果中誤差；n為檢測點總數(shù)；Δi為檢測較差。通過計算精度統(tǒng)計如下：平面位置較差最小為0，最大為12.75 cm,超過2倍中誤差的點數(shù)為3個，粗差率為2%。外業(yè)通過鋼尺丈量地物間距共丈量61條邊，間距較差最小為0，最大為0.17 cm，其中誤差超過2倍中誤差的有3個，粗差率為4.9%。檢測地物點高程20個，高程較差最大為6.00 cm,最小為0.50 cm,其中高程誤差小于中誤差的有20個。具體精度統(tǒng)計詳見表2。

表2 地形圖平面位置、間距、高程檢測精度統(tǒng)計

由表2可以看出，檢測點誤差小于規(guī)定中誤差的點占比均在80%以上，顯示平面和高程精度普遍良好，精度指標均滿足規(guī)范和設計書要求。

5 結(jié) 語

利用無人機傾斜攝影測量技術實施不動產(chǎn)更新測繪是一種新的嘗試，試驗表明對于城鄉(xiāng)及農(nóng)村不動產(chǎn)數(shù)據(jù)更新及修補測有較好的實用性。項目技術成熟，工藝方法先進，自動化程度高，成果豐富、精度高，能夠有效減少外業(yè)工作量，投入少，工期可控，可同時獲取實景三維模型、真正射影像(TDOM)、數(shù)字表面模型(DSM)、地形圖(DLG)等成果。能夠滿足不動產(chǎn)數(shù)據(jù)更新、登記要求，還能夠加快基礎地理信息數(shù)據(jù)的獲取和更新，為國土空間規(guī)劃、不動產(chǎn)登記等自然資源管理及城市現(xiàn)代化建設等各行業(yè)提供基礎數(shù)據(jù)，應用前景非常廣闊。對于高植被覆蓋高密集建筑區(qū)影響地形地物判讀、數(shù)據(jù)量大處理速度受限及設備續(xù)航能力等問題有待進一步研究。