無人機傾斜攝影測量在鄉村環境整治提升工程中的應用研究

梁秀英，張廣波

（1.中材地質工程勘查研究院有限公司，北京 100102；2.北京華星勘查新技術有限公司，北京 101102）

0 引言

隨著全國“創城”工作的不斷深入推進，建筑物外立面改造和景觀提升逐漸成為城市精細化管理和城市規劃設計的重要工作之一，建筑立面測量和地形測量是鄉村環境整治提升的基礎性工作[1]。傳統的立面測量和地形測量采用實時動態測量（real-time kinematic survey，RTK）、全站儀結合測距儀的方式，存在工作量大、投入人員多且作業效率低的問題，已不滿足新時代測繪工作的新要求[2]。隨著無人機傾斜攝影測量技術的興起，其作業方式和成果精度逐漸得到行業認可，該技術能夠對地物進行多角度拍攝，通過內業數據處理，生成真實三維場景模型。基于模型制作地形圖和建筑立面圖具有效率高、成本低、信息豐富等特點。本文探討無人機傾斜攝影測量技術在地形測量和立面測量中的應用并分析其成果精度，對實際生產具有較強的指導和借鑒意義。

本文基于旋翼無人機平臺搭載的五鏡頭傾斜攝影測量系統，獲取了北京市延慶區某村莊的影像數據。首先，經過差分解算、空三加密、模型生產、模型精修等處理流程制作實景三維模型；然后，基于實景三維模型生產了1：500 地形圖和建筑立面圖；最后，對比分析了基于實景三維模型提取數據與野外實測數據的差異。

1 無人機傾斜攝影測量

無人機傾斜攝影測量是以無人機為飛行平臺，通過搭載多鏡頭傾斜相機（最常見的是五鏡頭傾斜相機）獲取地表遙感影像信息的無人航測數據獲取系統[3]，主要分為外業數據獲取和內業模型制作兩部分。外業工作主要包括現場踏勘、航線規劃、像控布測、影像采集等步驟；內業工作主要包括數據整理、空三加密、三維建模、模型修復等步驟。無人機傾斜攝影測量作業流程如圖1 所示。

圖1 無人機傾斜攝影測量作業流程

2 鄉村環境整治提升工作內容

為了響應和貫徹“美麗、干凈、整潔、宜居”的鄉村環境整治提升要求及“無痕山林”辦奧理念，本研究基于2022 年北京冬奧會環境建設一期項目，同時結合《農村人居環境整治提升五年行動方案（2021—2025 年）》[4]，相關部門共同商定了本項目中鄉村環境整治提升的農村生活垃圾治理、廁所糞污治理、生活污水治理、提升村容村貌、加強村莊規劃五項工作內容。其中，前三項工作內容涉及垃圾投放點、廁所糞污點、生活污水點的調查和測繪，需要提供地形圖；后兩項工作內容涉及村容村貌現狀道路、線纜、墻面等要素的獲取及村莊規劃編制，需要提供真實三維場景模型、地形圖和立面圖。無人機傾斜攝影測量在不動產測繪和工程測量中的應用實踐[5-9]，完全能夠滿足本項目的需求，但對其精度的系統研究相對較少[10]，本研究結合實際項目，探討了無人機傾斜攝影測量在鄉村環境整治提升中的應用。

3 數據獲取與處理

3.1 測區概況

實驗區選擇北京市延慶區某村莊，總面積約0.5 km2，其中，居民區面積約0.3 km2，山地面積約0.2 km2。居民區地勢較平坦且建筑物密集，周邊地區為小海陀山山地，地勢陡峭且植被茂密。

3.2 航線規劃

無人機傾斜攝影測量航線規劃經常設計為絕對航高不變的平行航線或交叉航線[11]，平行航線如圖2（a）所示，交叉航線如圖2（b）所示。對于中間低、四周高的盆狀地形，傳統的航線布設方法存在以下問題。

圖2 航線設計方案

（1）在保證飛行安全的情況下，盆地低洼處相對航高較高，導致地面分辨率降低，影響建模精度和視覺效果。

（2）在保證地面分辨率的情況下，盆地四周起伏變化較大區域相對航高較低，導致影像重疊度降低，同時影響飛行安全。

（3）當滿足飛行安全和地面分辨率的基本條件時，存在的遮擋盲區、數據冗余問題影響內業數據處理和建模效率。

針對以上問題，本研究航線規劃采用“井”字形方案，如圖2（c）所示采用兩種絕對航高、不同覆蓋范圍的航線設計方案。充分利用航帶間的重疊率，避免發生因建筑物密集導致影像缺失、拉花、破洞等問題；為了飛行安全，覆蓋山地的航高相對較高。居民區的航線規劃基本參數設置如下：1 個像素表示的地面距離為 1.1 cm；飛行速度為5.5 m/s；采用等時間間隔拍照，時間間隔為1.2 s；平均航高為67 m；航向、旁向重疊率分別為85%、76%；飛行2 個架次、53 條主航線，航線總長度為14.3 km。山地區域的航線規劃基本參數設置如下：1 個像素表示的地面距離為3 cm；飛行速度為5.5 m/s；采用等時間間隔拍照，時間間隔為3.4 s；平均航高為156 m；航向、旁向重疊率分別為85%、76%；飛行1 個架次、13 條主航線，航線總長度為8.4 km。

3.3 像控點布測

由于像控點直接參與空三解算，其布設和測量直接影響模型和測圖的數學精度[12]。傳統傾斜攝影測量的像控點布設模式一般采用航向、旁向均勻分布的規則格網布設方式[13]，但測區形狀不規則且周邊高差較大，植被茂密且特征地物較少，傳統像控點布設模式存在以下問題：對于不規則測區，如果像控點數量不能包圍住整個區域，邊緣處的精度難以得到保證；由于密林山區通行困難，實際操作需要考慮像控點布設成本和外業工作量，部分格網中的像控點難以布設到位。

針對測區實際狀況，本研究將測區劃分3 種類型，即平坦區、陡峭區和帶狀區。平坦區采用6點法布點形式，按航線每分段布設6 個平高點，如圖3（a）所示。陡峭區采用地形特征點布設形式，在陡崖、斜坡、溝谷等地貌要素的頂部和底部布設平高點，如圖3（b）所示。帶狀區采用點對布設形式，即在垂直于帶狀兩邊和帶狀區域中間布設平高點，如圖3（c）所示。

圖3 像控點布設方案

同時，高質量的像控點布測應注意以下3 點：遵循“角點布設、中間加密、均勻布設”的原則，盡量布設在6 度重疊區；外業像控采集需要每個點測3 個測回（每個測回平滑10 次）；地形起伏較大區域應加密像控點，盡量體現地形變化。本項目共計布設了20 個像控點，并使用全球衛星導航系統（global navigation satellite system，GNSS）RTK 技術得到像控點的平高坐標。

3.4 影像數據獲取

本實驗采用大黃蜂BB4 四旋翼無人機平臺搭載的睿博D2 五鏡頭傾斜相機獲取航測影像數據。

3.5 實景三維模型制作

實景三維模型制作主要分為數據整理、空三解算、三維建模和模型修測4 個部分，其中最關鍵的一步是空三解算，其結果直接影響模型的精度。為提高模型精度，本文對4 個部分工作的注意問題和主要操作進行如下說明。

（1）數據整理。將傾斜相機5 個鏡頭分別編碼為S（下視）、W（前視）、X（后視）、A（左視）和D（右視），分別存儲鏡頭對應的像片數據。編輯生成“Photo.csv”文件，存儲拍照瞬間飛行平臺的位置，包括像片編號、緯度、精度、大地高等信息。編輯生成“Photo.kml”文件，存儲航測的定位測姿系統（position and orientation system，POS）數據。編輯生成“blocksbaseOR-Riy.xlsx”文件，主要存儲各個架次的分區數據和各個鏡頭的航向角、俯仰角、橫滾角、畸變等光學屬性數據。最終經過數據檢查、數據預處理等流程，共得到10 715 張有效像片和2 143 條概略POS 數據。

（2）空三解算。在多視角、多幅像片上精確標記同名像控點的位置，空間參考系統的選擇與像控點保持一致，后續通過空中三角測量解算，將整體坐標糾正至目標坐標系。刺點原則可概括為虛實結合像素點、不刺過曝像片、不刺像片邊緣，盡量多鏡頭像片皆刺點；使用瞰景智慧三維（Smart3D）軟件進行空三解算，空三精度必須滿足《數字航空攝影測量空中三角測量規范》（GB/T 23236—2009）的限差要求。

（3）三維建模。利用瞰景Smart3D 軟件進行三維建模，采用規則平面格網模式對空三成果進行切塊。調整切塊的大小，將隨機存儲器（RAM）使用量控制在計算機內存容量的1/3（實踐經驗值）。本實驗的三維模型格式選擇開源場景圖像二進制（open scene gragh binary，OSGB），紋理壓縮質量選擇50%；設定模型的空間參考系統與像控點保持一致。

（4）模型修測。采用天際航數字圖像建模系統（digital photo modeler，DP-Modeler）軟件對三維模型中的拉花、破洞、水面等進行修補，得到精細實景三維模型，如圖4 所示。模型紋理 清晰，細節豐富，能夠滿足立面測圖的視覺要求。

圖4 三維實景模型

4 成果制作

在空三加密精度滿足1：500 地形圖精度要求的前提下，本文將瞰景Smart3D 軟件生產的OSGB格式三維模型導入南方數碼凱思三維（CASS 3D）基礎版軟件，基于實景三維模型進行地形圖制作和建筑立面采集。建筑立面圖成果如圖5（a）所示，地形圖成果如圖5（b）所示。

5 質量分析

5.1 評價指標

精度評價采用中誤差作為衡量立面精度和點位精度的指標[14]，中誤差計算公式如公式（1）。

式中：vi代表殘差，分為邊長、高程和點距離3 種類型；n代表檢查點數量；m為中誤差。

5.2 立面精度

本文使用徠卡手持測距儀采集建筑物門窗、墻面等明顯地物邊長并將其作為立面檢查數據，共采集60 條邊長檢查數據。在實景三維模型中采集相應的邊長數據，并與實地測量數據進行對比分析。經統計，立面相對中誤差為3.03 cm，平均殘差為0.379 cm。立面精度檢核表如表1 所示。

表1 立面精度檢核表

5.3 點位精度

本文使用北京連續運行參考站系統（continuously operating reference stations，CORS）配合全站儀實地對房屋拐角、道路拐點及硬化路面斑馬線特征點進行測量，將獲取的房角點作為平面檢查點、硬化路面斑馬線特征點作為高程檢查點，共采集96個平面檢查點、68 個高程檢查點。在傾斜模型上采集相應檢查點的坐標數據，并與實地測量數據進行對比分析，經統計，平面位置中誤差為4.4 cm，高程中誤差為6.1 cm，滿足1:500 國家基本比例尺地形圖的要求。高程精度檢核表如表2所示，平面精度檢核表如表3 所示。

表2 高程精度檢核表

表3 平面精度檢核表

6 結論

近年來，無人機傾斜攝影測量技術逐漸發展成熟，并在各行各業得到應用和驗證[15]，本文通過實際生產項目進一步驗證了相關研究結論。上述統計結果可以分析得出，基于無人機傾斜攝影測量方法生成的三維實景模型及其生產的立面圖，滿足1：500國家基本比例尺地形圖精度要求，而且獲得了測區紋理豐富、精度較高的實景三維模型，可以繼續提取地物要素，更好地輔助城市管理部門進行城市規劃和設計。該方法效率高、成本低、數據完整，對立面測量工作具有較強的指導意義。但無人機傾斜攝影只能從建筑物頂部獲得數據，存在建筑物底部、隱蔽區域數據缺失和影像拉花的現象，對立面數據采集造成一定的影響，基于近景攝影測量、激光掃描數據與傾斜影像的多源數據融合將是解決上述問題的努力方向。