基于單鏡頭的無人機(jī)傾斜攝影測量方法及其精度分析

高永濤，張 寅，胡 洋

(1.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000； 2.自然資源部第一地理信息制圖院，陜西 西安 710054；3.西安市勘察測繪院，陜西 西安 710054)

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，攝影測量在城市規(guī)則工作中的應(yīng)用也越來越廣泛，攝影測量能夠以非接觸的方式獲取建設(shè)規(guī)格數(shù)據(jù)，無人機(jī)技術(shù)與傾斜攝影技術(shù)的結(jié)合進(jìn)一步提高了測量工作效率，為城市空間的合理布局奠定了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。國內(nèi)學(xué)者對此進(jìn)行很多研究，文獻(xiàn)[1]研究了無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在延安治溝造地中的應(yīng)用；文獻(xiàn)[2]分析了無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在城市基礎(chǔ)測繪中的應(yīng)用；文獻(xiàn)[3]分析了無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在鐵路突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急搶險(xiǎn)中的應(yīng)用。基于此，本文對基于單鏡頭的無人機(jī)傾斜攝影測量方法及其精度進(jìn)行了分析。研究為后續(xù)無人機(jī)傾斜攝影測量提供了借鑒。

1 傾斜攝影的基本原理

傾斜攝影以無人機(jī)為飛行平臺，通過架設(shè)在無人機(jī)上的攝像頭以傾斜的視角來采集建設(shè)物紋理信息，進(jìn)而獲取其規(guī)格參數(shù)，并將所采集到的數(shù)據(jù)用于建筑改建或城市規(guī)劃，其基本原理如圖1所示[3-4]。

圖1 傾斜攝影與垂直攝影Fig.1 Oblique and vertical photography

根據(jù)圖1可知，傾斜攝影比垂直攝影更方便從建筑物的側(cè)面進(jìn)行觀察，有效測量范圍更大，可以更加完整地描述建筑物表面紋理。

2 單鏡頭無人機(jī)傾斜測量方案設(shè)計(jì)

2.1 無人機(jī)選型

此次研究所選用的無人機(jī)設(shè)備為Phantom 4 Pro小型旋翼無人機(jī)，該型號無人機(jī)只能安裝一顆攝像頭，但也具備飛控、云臺等關(guān)鍵模塊和功能，質(zhì)量1 368 g，最大單次飛行時(shí)間30 min，相對飛行高度500 m，最大遙控距離7 000 m。Phantom 4 Pro無人機(jī)還安裝有一枚CMOS影像傳感器，支持最大分辨率為5 472×3 648，拍攝焦距9 mm，像元尺寸2.4 μm。

2.2 影像采集流程

無人機(jī)傾斜攝影測量影像采集的基本流程：①做好前期設(shè)備準(zhǔn)備工作，確定測區(qū)位置；②規(guī)劃航線，結(jié)合當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)要求與現(xiàn)有的地形資料設(shè)計(jì)航線，計(jì)算無人機(jī)飛行高度、攝影比例尺等重要參數(shù)；③航攝飛行，結(jié)合自動飛行和手動飛行兩種方式將無人機(jī)上升至預(yù)定的飛行高度，以自動飛行模式執(zhí)行任務(wù)；④巡航飛行，由地面站對拍攝情況和飛行情況實(shí)施監(jiān)控，確保無人機(jī)與地面站之間的通信順暢[5-8]。

2.3 確定無人機(jī)飛行參數(shù)

(1)確定飛行高度。在確定般攝相機(jī)一般參數(shù)的情況下，首先確定相機(jī)的焦距和像元尺寸，結(jié)合地面分辨率來確定無人機(jī)的飛行高度。計(jì)算方法：

(1)

式中，a為像元尺寸；f為鏡頭焦距；GSD為地面分辨率。

(2)航向、旁向重疊率。航攝所獲得的立體相是由2張相鄰像片重疊所形成的，所獲影像之間也因此存在一定程度的重疊，而這種重疊又包括航向重疊和旁向重疊2種[9-10]。航向重疊指的是沿?zé)o人機(jī)航線方向的像片重疊，旁向重疊指的是相鄰航線之間的像片重疊。具體形式如圖2所示。

圖2 航向重疊和旁向重疊Fig.2 Course overlap and side overlap

計(jì)算航向重疊度的具體方法：

(2)

式中，A為航向重疊度；Lx為單張像片長度；Px為相鄰像片航向重疊長度。

計(jì)算航向重疊度的具體方法：

(3)

式中，A為航向重疊度；Ly為單張像片寬度；Py為相鄰像片旁向重疊長度。

(3)確定攝影基線長。攝影基線長指2次曝光瞬間鏡頭中心之間的間距，計(jì)算方法：

L=(1-A)×m×a×H/f

(4)

式中，m為航向像元；L為攝影基線長。

(4)確定航帶間距。相鄰2條航線之間的距離即為航帶間距，計(jì)算方法：

B=(1-D)×n×a×H/f

(5)

式中，B為航帶間距；D為旁向重疊度；a為像元尺寸；n為影像橫向像元數(shù)。

2.4 航攝方案設(shè)計(jì)

此次研究采用“井”字形的航線攝影方案，具體形式如圖3所示。

圖3 “井”字形的航線規(guī)劃方案Fig.3 Route planning scheme in the shape of "well"

(1)下視航線設(shè)計(jì)。下視航線具體設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

圖4 下視航線設(shè)計(jì)方案Fig.4 Down-view route design plan

在規(guī)劃航線之前，首先要依照常規(guī)面積航空攝影方法建立平等直線航線，對攝站點(diǎn)間隔進(jìn)行合理規(guī)劃，完整覆蓋測區(qū)，旁向重疊不低于30%，航向重疊不低于60%。

(2)前、后視航線設(shè)計(jì)。前、后視航線的規(guī)劃要求下視航線與航線方向一致，此次研究將相機(jī)傾角設(shè)置為-60°。傾角絕對值與建筑物高度呈正比，前、后視航線設(shè)計(jì)方案分別如圖5和圖6所示。

圖5 前視航線設(shè)計(jì)方案Fig.5 Forward looking route design plan

圖6 后視航線設(shè)計(jì)方案Fig.6 Rear view route design plan

(3)左、右視航線設(shè)計(jì)。左、右視航線的規(guī)劃要求最大程度地垂直于前、后視航線，本次研究將相機(jī)傾角設(shè)置為-60°，左、右視航線設(shè)計(jì)方案分別如圖7和圖8所示。

圖7 左視航線設(shè)計(jì)方案Fig.7 Left view route design plan

3 單鏡頭無人機(jī)傾斜攝影測量精度分析

本次研究從對單鏡頭無人機(jī)傾斜攝影測量的平面精度進(jìn)行驗(yàn)證，在選定的試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)設(shè)置20個(gè)平面檢查點(diǎn)，其分布狀況如圖9所示。

圖8 右視航線設(shè)計(jì)方案Fig.8 Right view route design plan

圖9 檢查點(diǎn)分布狀況Fig.9 Check point distribution

平面精度分析結(jié)果如圖10所示。

圖10 平面檢查點(diǎn)精度分析結(jié)果Fig.10 Analysis result of plane checkpoint accuracy

根據(jù)圖10可知，單鏡頭無人機(jī)傾斜攝影測量的平面精度誤差普遍在0～0.3 m，基本滿足如《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》(CH T9015—2012)所提出的要求。

4 結(jié)語

本文對單鏡頭無人機(jī)傾斜攝影測量的基本方法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，通過Phantom 4 Pro小型旋翼無人機(jī)及其搭載的CMOS影像傳感器進(jìn)行了實(shí)地?cái)z影測量，并對攝影測量的平面精度進(jìn)行了分析，所得出的測量結(jié)果基本滿足《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范CH T9015—2012》所提出的要求。在未來的研究工作中，還需要進(jìn)一步加強(qiáng)旋翼無人機(jī)搭載多顆鏡頭情況下對于建筑實(shí)體的測量方法研究，合理運(yùn)用圖像處理算法，進(jìn)而豐富測量結(jié)果的數(shù)據(jù)內(nèi)含。