無人機傾斜攝影測量技術及其應用

彭海濤

摘要：無人機傾斜攝影作為一種先進的影像獲取手段，正在應用于各個行業及領域之中。其中無人機傾斜攝影測量技術的要求最為復雜，無論是在地面分辨率、航攝參數設置、鏡頭相機參數的要求上，還是獲取影像后的模型建立與數據采編上，都應遵循一定的規則。

關鍵詞：無人機;傾斜攝影;測量技術;應用

1 無人機傾斜攝影技術

無人機傾斜攝影技術是指通過利用多角度相機，來采集地面物體不同角度及不同高度的影像，憑借其高分辨率的航測影像技術，將具有豐富的地理信息數據，通過三維建模的方式來呈現真實場景的技術。

其技術路線是利用傾斜攝影系統，結合無人機的快速便捷的采集能力，將采集的數據快速生成三維模型。其中傾斜攝影系統共分為三大部分：一是飛行平臺，包括小型飛機或無人機;二是航飛操作人員;三是儀器部分，包括傳感器（相機、GPS定位裝置）和姿態定位系統。本文將對此技術路線的無人機硬件、飛行控制軟件、數據處理系統進行詳述。

2 無人機低空攝影

2.1 試驗數據介紹

試驗區為靈武市上元名城小區，范圍大約為1000m2，有高層建筑，地勢總體較為平坦，拍攝當天天氣晴朗，植被遮擋較少，適宜拍照。

根據測區實際情況，相對航高設計為160m，地面采樣間隔0.09m，航向和旁向重疊度均為70%。在完成地面站設置工作后，完成起飛工作，駕駛員操縱操作桿控制飛機起飛，地面站同時監視飛機的姿態、飛速、航高、以及坐標位置，拍攝得到不同角度的影像。

2.2 像控點布設

控制點布設均勻地覆蓋在整個測區，標志清晰可見，方便像片刺點。試驗布設12個像控點，所有像控點皆為平高點。采用GPS靜態進行測量。試驗坐標系統采用西安獨立坐標系統。

2.3 數據處理關鍵技術方法

通過ContextCapture軟件對傾斜影像進行了處理，ContextCapture具有較高的自動化程度，無需過多的人工干預，且運行過程穩定。

數據處理關鍵技術流程如下：

2.3.1 多視影像匹配

影像匹配主要通過SIFI特征匹配算法建立不同像片之間的聯系，獲取大量同名點用于后續的空中三角測量。SIFI特征匹配算法具有運算速度快、抗噪能力強等優點，其可分為3個步驟：①檢測圖像;②生成SIFI特征描述符;③SIFI特征向量匹配。

2.3.2 空中三角測量

空中三角測量是傾斜攝影測量的核心步驟，通過前方交會和后方交會，利用區域內均勻分布的少量的控制點坐標，求解未知點坐標和影像的外方位元素，得到加密點的高程和平面位置，用于模型的絕對定向和后續產品的生成。目前無人機傾斜攝影測量內業數據處理多采用光束法區域網聯合平差，其利用2種不同觀測手段得到的數據進行平差，將GPS/IMU的初始信息，即像片的POS姿態數據作為外方位元素的初始值和控制點坐標數據聯合進行平差。

光束法區域網平差是以一張拍攝像片的一束光線作為平差基本單元，平差過程以共線方程作為平差的數學模型，以相鄰像片公共點對相交且坐標相等、外業測量控制點與內業像片標定控制點坐標相等為平差條件，列出已知控制點和待定加密點的誤差方程，進行平差計算，求解出每張像片的外方位元素，然后前方交會求出加密點地面坐標。具體流程是將傾斜影像帶有的POS數據作為初始外方位元素，然后通過自動選點、自動相對定向、構建自由航帶網等技術實現相對空中三角測量，之后通過控制點的半自動量測，加入控制點。通過光束法區域網聯合平差實現絕對空中三角測量，并將整個模型納入到指定的坐標系統中。

2.3.3 多視影像密集匹配技術

密集匹配是傾斜攝影測量三維建模的關鍵技術之一，其目的是生成密集點云數據，在航帶重建完成之后，根據空中三角測量解算的外方位元素構建立體相對，使用多視影像匹配技術生產密集點云。相比傳統單一視角的立體匹配，多視影像匹配有2個優勢：①多角度拍攝會產生大量的冗余信息，可用于矯正錯誤匹配信息，進而得到高精度的點云數據;②多視角拍攝能夠減少拍攝盲區，盡可能實現全方位的模型特征重建。

2.3.4 構建不規則三角網

在生成密集點云的基礎上，通過構建不規則三角網實現每一個地物模型的重建，是實景三維建模的關鍵步驟之一。像片的重疊度和地物的復雜程度影響著三角網的構建密度，像片重疊度越高，三角網的構建越是密集;地物越復雜，就需要更加復雜和密集的三角網去反映地物的特征信息。

2.3.5 紋理映射

完成模型的初步重建之后，需要進行模型的貼圖工作，實現二維空間和三維物體表面之間一一對應的關系，得到符合真實色彩的三維模型。傾斜攝影測量能夠獲取地物多個角度的影像，在眾多影像中選取最優的目標影像是紋理映射技術的關鍵，可通過計算每一個不規則三角網和對應影像區域的幾何關系實現三角網和目標影像的配準，之后將配準好的紋理貼圖到不規則三角網上，完成紋理映射。

2.3.6 核線重采樣

根據空三解算的外方位元素獲得核線影像，核線影像不僅能夠達到立體視覺效果，而且能夠增加同名像點搜索的速度。核線重采樣就是找到核線影像原始影像的坐標變換關系，此時原始影像坐標可能在幾個像元之間，就需要對原始影像進行重采樣得到核線影像的灰度值。常用的重采樣方法有雙線性內插法、最鄰近像元、立方卷積等方法。

3 應用實例

測區位于靈武市生態紡織園產業工人保障房，測區占地面積為30萬m2。依據作業需求，需要建立測區三維實景模型，并繪制符合精度要求的1∶500數字線劃地圖。作業采用中海達D6無人機搭載中海達miniQ5傾斜相機進行航攝工作，飛行高度設為100m。采用賓得R422NM全站儀進行平面精度檢驗，采用天寶DiNi03型水準儀進行高程精度檢驗。

測區共計布設像控點8個，精度檢查點20個，單體建筑空間精度檢查點10組。利用ContextCapture進行影像匹配及模型建立工作。利用清華山維EPS進行數字線劃圖的制作。（1）模型中檢查點平面誤差最大值達到0.110m，平均值為0.072m，檢查點的平面中誤差為0.074m，小于GB/T23236-2009《數字航空攝影測量空中三角測量規范》對于平地環境下1：500測圖比例尺平面檢查點最大限值應小于0.175m的要求。（2）模型中檢查點高程誤差最大值達到0.265m，平均值0.079m，檢查點高程中誤差為0.095m，小于GB/T23236-2009《數字航空攝影測量空中三角測量規范》對于平地環境下1：500測圖比例尺高程檢查點最大限值應小于0.15m的要求。（3）測區模型精度已達到測繪級精度，可以在測繪領域中應用。

4 結語

文中通過完整的技術流程及檢驗流程，將無人機傾斜攝影測量的基本要求及航攝方法進行了研究，得出以下結論：（1）無人機傾斜攝影測量技術在一定領域可以替代傳統測繪方法，在保證精度的同時，提高了作業效率，降低了人力資源的投入與項目成本的投入，使測繪成果可視化、數字化。（2）隨著無人機技術的發展，搭載更為高級的傳感器進行飛行作業可以獲取更為豐富的數據信息，將會進一步拓展無人機測量技術的應用領域。（3）無人機傾斜攝影測量技術在完善的航攝方案的支持下，可以對地物的表面紋理信息進行全面的采集，通過重疊影像特征點匹配法建立的模型滿足1：500數字線劃地圖制作的基本要求。

參考文獻：

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