無人機傾斜攝影測量關鍵技術及工程應用探究

賴春曉

廣東省測繪技術公司 廣東 廣州 510075

引言

傾斜攝影測量技術是近年來發展起來的一項高新技術，傾斜攝影技術三維數據可真實反映地物的外觀、位置、高度等屬性，比傳統測量技術更優異，它是利用三維空間的立體模式對測量模型進行創新，這種技術具有很大的應用價值。本文分析傾斜攝影測量技術的相機標定、圖像定位、飛行計劃、影像采集、產品生成等關鍵技術流程，同時結合工程實例綜述了目前無人機測量技術應用的研究進展，并指出了無人機測量技術的未來發展方向。

1 無人機傾斜攝影測量技術概要

無人機攝影技術的特點是能夠在同一平臺上安裝多個影像采集傳感器，還可以從各個方向拍攝圖像，超越了傳統航空攝影的范圍。無人機傾斜攝影測量技術是按照傾斜的4個方位加上豎直方向的觀測來提供有效的信息圖像，比傳統的航空攝影更具有真實性，能夠從各個方位獲得高分辨率的圖像信息，突破了傳統航測單相機只能從垂直角度拍攝獲取正射影像的局限。還能自動生成三維數字模型，節約人力、效率高，能極大地縮短測繪外業的協同工作，解決了由于天氣等外因造成的工作延誤，把原本大量的外業工作轉變成內業工作，極大地縮短了測量人員的勞動時間，降低了外業勞動強度[1]。

2 無人機傾斜攝影測量關鍵技術流程

人機傾斜攝影測量技術的實施流程包括相機標定、圖像定位、飛行計劃制定、影響采集、三維模型與4D產品生成等步驟，如圖1所示。

圖1 傾斜攝影測量技術實施流程

相機標定又稱相片內定向，目的是復原相片與鏡頭的位置關系。主要有自檢校、預檢校和兩者相結合的三種方式。自檢校精度較低、可靠性較差，目前多使用預檢校的方法，該方法多基于室內的標定板和標定場，利用不同主距下的內方位元素值，獲得畸變系數隨主距變化的規律。

圖像定位也稱為影像的外定向，目的是確定影像間的相對姿態和位置關系。Onyango等（2017）提出一種無人機傾斜攝影的匹配定位方法，為增加數量和提高通信質量，使用濾波器對圖像進行預處理，并對不同的方案和相應的精度進行了比較。

飛行計劃包括飛行高度、線路和速度、影像采集角度、相機參數、拍照頻率、影航向和旁向像重疊度的設計。Shen等（2017）利用混沌遺傳算法改進的人工魚群算法可避免動態目標的打擊，能夠有效地避免在飛行空間中隨機移動的目標，并驗證了該方法的可行性和有效性。

影像采集。無人機平臺的負載能力和飛行平穩度是影響影像采集質量很重要的因素。連蓉等（2014）利用四旋翼無人機系統的低空航空攝影技術，通過兩種不同的POS系統與歷史數據進行對比，研究了四旋翼無人機在空中三角測量后獲得正交投影圖像的可行性，并對結果進行了評估。

產品生成。無人機傾斜攝影測量的產品生成過程包含表面重建、4D產品生成和特征提取。Turner等（2014）對用于生成產品的后期處理軟件進行了比較研究，采用搭載佳能550D相機的Oktopter無人機獲取超高分辨率影像，用Photoscan、Pix4D web service和一種內部打包機方法對同一組影像進行處理，發現Photoscan不僅操作最容易、運算速度最快，而且處理的結果具有較高的精度[2]。

3 無人機傾斜攝影測量技術的工程應用

無人機傾斜攝影測量技術具有低成本、靈活機動、實時性強等特點，在數字城市建設、橋梁檢測、滑坡調查、地形圖測繪等多個工程領域得到廣泛的應用，下面重點結合傾斜攝影測量技術在大比例尺地形圖測繪中的應用進行分析。

3.1 測區數據獲取

依照傾斜攝影測量的技術參數和流程，選取廣東省某縣部分區域進行地籍數據采集和精度評定。所選測區面積1.08km2，地物類主要是房屋建筑、道路、耕地，地勢平坦，無復雜地形。選取晴朗、能見度高、風力小的天氣進行數據采集，保證像片無大面積云影、煙和反光等缺陷。將相片導入軟件中完成三維建模和地籍要素采集。試驗使用六旋翼航測無人機搭載傾斜雙相機，利用兩臺全畫幅相機依次前下后擺動60°，一個周期采集6張不同角度的地物航空影像，達到6臺相機同時工作的效果，原理如圖2所示。

圖2 傾斜雙相機周期擺動設計工作原理

3.2 測量關鍵技術

無人機傾斜攝影測量系統自身特點決定影像處理方式與傳統航測方法不同，本文采用Smart3D Capture軟件完成空三、實景三維模型建立、點云生成，導入Geoway 3D Mapping軟件完成地理要素矢量化、地形圖分幅整飾等。

試驗第一個關鍵技術是將POS檢校解算后的傾斜像片導入Smart3D Capture軟件中進行空三加密、模型快速化一體生產、模型數據局部修整及少量人工干預處理，聯機運算一周由9236張1km2的真彩色航空相片生成點云和OSG格式的實景三維模型[3]。

試驗第二個關鍵技術是將實景三維模型和點云導入Geoway 3DMapping軟件中，按照《國家基本比例尺地圖圖式第1部分：1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖圖式 GB 20257.1—2007》規范中 1∶500 地形圖要求，參照點云和三維模型完成全要素矢量化采集。

測區在縣城中心，地物類主要是房屋、道路和植被，沒有復雜地形。1km2的測區由5名采編員耗時5d手動采集整飾，得到6.08MB的DWG文件。

整理完成的數字線劃圖，匯集需補測的問題交給外業調繪補測，最后修改整飾地形圖，完成測圖工作。

3.3 大比例尺地形圖精度評定

為確保試驗數據的精確性，需要對成果圖進行數學精度的驗證。為保證界址點點位精度檢驗的準確性，依照“均勻分布”的原則在測區內選取219個界址點做精度評定，對利用傾斜攝影進行大比例尺地籍測量所獲界址點坐標數據進行精度檢驗，計算圖上獲取的點位坐標數據與實地對應點坐標數據差值。計算可得界址點的點位等精度中誤差為±2.3cm，高精度中誤差為±3.3cm，界址點點位中誤差滿足國家規范要求，通過實測冗余數據充分證明傾斜攝影測量可以在大比例地籍圖上應用。

本試驗選取30組界址點進行間距精度評價，利用卷尺和鋼尺等測量工具實地測量界址點之間的距離數據，與大比例尺圖上獲取的數據進行較差計算，計算可得界址點，間距等精度中誤差為±2.7cm，高精度中誤差為±3.8cm，界址點間距中誤差滿足國家規范要求，數據有效證明傾斜攝影測量在大比例地籍圖上應用的可行性[4]。

4 無人機傾斜攝影的發展和應用展望

目前，無人機傾斜攝影測量技術已經取得了長足進步，精度、效率、成本上的優勢有了進一步的增強。在未來的發展中，除了需要在加強軟硬件方面來改進傾斜影像處理能力和提高信息提取能力；在行業規范方面，更需要解決無人機使用服務和管理監督不規范問題。而隨著傾斜攝影技術的進一步發展，原有的很多應用都將遷移到傾斜攝影技術上，并且還將繼續開拓出更多新的應用模式。譬如利用效果好的傾斜攝影真實模型結合三維眼罩等虛擬現實裝備可實現實現沉浸式三維體驗；隨著傾斜攝影技術精度的提高和傾斜模型數據的豐富，基于完全符合現實狀況的傾斜模型數據將可能實現對汽車自動駕駛和無人機快遞，再一次對行業進行顛覆；傾斜攝影技術在互聯網方面將隨著傾斜模型的保密性問題解決，以及 5G 網絡的發展，中國互聯網地圖很快升級為三維地圖，地圖上所見即所得的真三維場景將被廣泛普及[5]。

5 結束語

傾斜攝影作為在傳統航空攝影之上發展起來的新技術，由于其增加了不同角度的相機拍攝，使得采集的信息更全面，并在自動化建模軟件的支撐下能快速、低成本的構建出逼真的三維模型，從而使得傾斜攝影技術得到蓬勃發展，并具備廣泛的應用前景。可以說，傾斜攝影開辟了一條地理信息應用的新道路。

綜上所述，隨著科學技術的發展，無人機傾斜攝影測量技術已得到廣泛應用，且在多個領域都發揮著重要作用。通過無人機航空攝影測量技術在傾斜攝影測量技術在大比例尺地形圖測繪中的應用和研究，探索出更加高效方便快捷的測繪途徑。高效、低成本的無人機航空攝影測量技術必將在高精度的測繪方面將得到更廣泛的應用。