免像控無人機高清傾斜攝影三維建模精度分析

羅 楓

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

1 概述

無人機傾斜攝影測量技術顛覆了以往只能從垂直角度拍攝的局限。該方法可從多個視角采集影像，更加真實地反映地物情況和地理信息，包括外觀、位置、高度等屬性，彌補了傳統二維制圖的不直觀、人工建模仿真度低的缺陷[1-2]。然而，對于地形落差較大的區域，常規無人機傾斜攝影難以獲取高分辨率的影像數據，為滿足工程需求，通常需要布設大量的地面控制點，并將模型轉換為鐵路工程所需坐標系，這將大大增加航測工作量和延長生產周期。

以下探索單鏡頭無人機在不同航高模擬傾斜攝影[3]，輔以人工細節拍攝，并利用網絡RTK(Real-time kinematic)的方式獲取曝光點高精度大地坐標，再對其三維坐標進行轉換，以實現采用免刺像控點的方式進行工程所需坐標系的模型重建。

2 無人機傾斜攝影測量作業流程

圖1為無人機傾斜攝影測量技術流程，無人機傾斜攝影測量主要包括航飛前準備工作、外業航飛作業、內業數據處理3方面。其中，關鍵步驟為外業航線設計和內業空三加密[4]。所使用的免像控方法無需進行像控點布設、GPS差分數據處理及像控點量刺，能極大地節省內外業時間，為搶險救援贏得寶貴時間。

圖1 無人機傾斜攝影技術流程

3 實例分析

3.1 項目簡介

2019年7月底至8月中旬，受持續強降雨影響，四川涼山州地區發生數次山體崩塌等地質災害，致使西南山區某鐵路部分段落沖毀，被掩埋線路長達70 m。為及時開展搶險救災工作[5]，需要對受災區域進行快速三維地形重建。

測區位于牛日河峽谷區域，東西長0.5 km，南北長約1 km，覆蓋面積約0.5 km2；測區地形高差約400 m，地形等級為Ⅳ級[6]。

3.2 免像控傾斜攝影無人機系統

無人機傾斜攝影通常采用五鏡頭或者多角度兩鏡頭，為增加續航減輕重量，工業級無人機通常不配備避障模塊。但測區內現場交通中斷，地災體隨時有二次崩塌的危險，常規地面測量和控制點布設難以進行。因此，使用帶避障功能的大疆Phantom 4 RTK版無人機。該無人機是一款小型多旋翼高精度航測無人機，主要面向低空攝影測量，具備厘米級導航定位系統和高性能成像系統，可以實現免像控傾斜攝影數據的采集，數據生產符合《低空數字航空攝影規范》、《三維地理信息模型數據產品規范》的相關要求[7-8]。

為實現免像控三維重建，首先應提升曝光點的坐標精度。 Phantom 4 RTK集成全新RTK 模塊，可通過4G無線網卡或 WiFi 熱點與 NTRIP(Networked Transport of RTCM via Internet Protocol)連接，提供實時厘米級定位數據。該無人機基本參數如表1所示。

表1 Phantom 4 RTK無人機基本參數

其次，應修正曝光時間延遲及天線相位中心偏置。Phantom 4 RTK可實現飛控、相機與 RTK 的時鐘系統微秒級同步，相機成像時刻毫秒級誤差。此時，應對相機鏡頭光心位置和 RTK 天線中心點位置進行補償，以減少位置信息與相機時間誤差，為影像提供更精確的位置信息。相機基本參數如表2所示。

表2 相機參數

3.3 傾斜攝影航線設計

常規無人機傾斜攝影測量一般設計為定高航線，通過單向飛行即可獲取多角度影像紋理數據。但在大落差山區，特別是山腳等重點關注區域，其分辨率往往較差。

Phantom 4 RTK無人機為單鏡頭，通過調整云臺角度和航向角即可進行五向飛行，以模擬常規傾斜攝影[9]。

由于滑坡和崩塌所在位置落差較大，常規的傾斜攝影航線難以顧及山體側面尤其是山腳處。因此，決定采用“模擬傾斜攝影”及“地質災害部位高清補拍”的航線設計方案進行航飛作業。航線敷設示意如圖2，具體方案如下。

(1)傾斜航線

綜合考慮測區地形高差與起飛點高度，采用角度30°、相對起飛點航高400 m、井字形的傾斜航線，航向重疊度為75%，旁向重疊度為70%，以獲取整個區域的傾斜影像數據。

(2)手動拍攝

為提升地質災害體重點關注部位的光學分辨率，滿足高分辨率三維模型重建，采用手動模式，距離被拍攝物約30 m對山體崩塌部位及鐵路線位置進行多角度拍攝，以獲取分辨率優于2 cm 影像數據。

(3)中間高度航線

由于手動拍攝的影像分辨率與固定航高的正射影像分辨率相差較大，在采用免刺控制點時，空三容易分層，而采用手工添加連接點的方式又會極大增加內業工作量[10]。因此，決定添加相對航高300 m、200 m、150 m，航向重疊度70%，旁向重疊度60%的航線，以獲取測區的正射影像數據。

圖2 航線敷設示意

3.4 內業空三及建模處理

(1)曝光點坐標轉換

傳統的傾斜攝影測量曝光點坐標精度較低，為獲取高精度模型成果，將成果轉為工程獨立坐標系，通常需要布設大量可靠的像控點，但是對于搶險項目，像控點往往無法布設。通過網絡RTK可獲取曝光點的高精度三維坐標，平面坐標可直接利用Global Mapper軟件，將經緯度坐標投影轉換為工程所需的平面投影坐標。然而，使用Phantom 4 RTK進行影像數據采集時，獲取的曝光點高程坐標是大地高系統，而一般鐵路工程制圖采用正常高系統。因此，需要對曝光點坐標的高程系統進行轉換。

為了實現轉換，可將測區高程異常值看作常數[11]，采用求取測區平均高程異常值的方法進行高程異常改正，具體方法如下：在測區內的鐵路干線線位附近，選取適量具有大地高和正常高2套坐標系成果的已有控制點數據，計算測區平均高程異常值[12]。

(2)三維場景重建

外業數據整理后，使用Context Capture Center軟件進行空三計算和模型重建。傳統傾斜攝影測量需要在獲取影像中進行像控點量刺，再進行空三計算。免像控方法則無需量刺，自動空三處理后，即可開始模型生產，較傳統方式可節省1/3的內業工作量。最終獲得如圖3所示三維實景模型。

圖3 三維模型效果

如圖4所示，在添加了手動拍攝的山體側面、重點工點細節影像后，可以清楚地辨別山體細微裂縫、鐵路及其附屬設施重要細節構造等，使得基于實景三維模型的細微地理量測和監控成為可能，可為應急災害搶險工作提供可靠的基礎地理數據。

圖4 三維模型增加細節拍攝前后對比

3.5 測區三維重建模型應用

三維模型重建不僅可以展示測區地形情況，還能進一步生產多種形式的數字地形產品，輔助相關工作人員決策、展開搶險和施工工作，包括地形圖繪制、滑坡體斷面采集和塌方量計算等[13]。若需進行周期性傾斜攝影及建立每期的三維模型，則可在地質災害區布設監測點，以監測災害體的變形趨勢等[14-15]。

3.6 免像控精度驗證

為驗證三維模型的精度，將實測三維坐標與模型三維坐標進行比較，結果如表3所示(平面中誤差為0.246 m，高程中誤差為0.220 m)。

表3 模型三維精度統計 m

由《三維地理信息模型數據產品規范》的相關內容(如表4、表5所示)可知[7]，采用該方法可滿足1∶1 000比例的三維精度要求。

表4 平面精度要求 m

表5 高程精度要求 m

4 總結

采用不同航高航線設計、手動操控細節補拍的方法，可以清晰捕獲地質災害體的細節紋理，解決常規無人機傾斜攝影對于大落差山體無法獲取高分辨率圖像的問題，以及影像分辨率差異過大導致空三計算容易分層的問題。使用網絡RTK無人機進行傾斜攝影，可以精確記錄曝光點位置；在小范圍內，通過既有鐵路控制點的大地高和水準高求取測區平均高程異常值，并將其作為常數對曝光點三維坐標進行轉換，最終在免刺控制點條件下實現“正常高系統”的高分辨率三維模型重建，該模型成果可直接用于二維、三維地形圖生產。