無人機傾斜攝影在規劃核實測量中的應用

朱輝

（徐州市勘察測繪研究院有限公司，江蘇 徐州 221000）

1 引言

無人機傾斜攝影是我國現階段測繪地理信息領域最熱門的技術之一，其在實際應用中需要通過搭載多臺傳感器獲取數據信息，并借助攝像頭等其他組件模塊采集遙感影像，所獲取的數據具有精度高、現實感強的特點，現已被廣泛應用于資源管理、人口統計、應急指揮、環保監測等領域中，且在規劃核實測量中也有著較為明顯的優勢。

無人機傾斜攝影能夠使人們更加直觀地了解勘察情況。現階段，我國對該技術的研究速度正不斷加快，其應用成本正不斷降低，已成為人們獲取高精度數據的主要方式。

2 無人機傾斜攝影大比例尺測圖軟硬件系統

2.1 硬件系統

此次飛行采用的無人機是經緯M300 RTK 無人機，圖傳距離遠達15 km，最大續航55 min，支持6 向定位避障，防水等級IP45，擁有眾多智能功能，并同時支持三軸云臺。具有多項智能功能。

2.1.1 打點定位，智能跟蹤

在相機畫面或地圖上一鍵標記靜態目標，即可自動解算出其精確的位置信息，并以AR 圖標的形式投射到所有圖傳畫面中，實現自主識別、定位并持續跟蹤。同時，可以將位置信息自動分享至另一個遙控器，并可通過大疆司空等在線平臺共享給團隊其他成員，以此確定人、車輛和船只位置[1]。

2.1.2 精準復拍，靈活雙控

無人機采集的原始地質信息，通常以散亂且無序的數據形式存在，AI 算法會比對目標區域和實時畫面，保留有價值數據并生成人們需要的各種測繪地圖，準確從樣片中框選出目標區域，以此保證作業的準確性。得益于高級雙控模式，作業人員一鍵即可獲取飛行器或負載的控制權限，讓任務部署及團隊協作更加靈活，切實發揮出該技術的作用。

2.1.3 安全可靠，航空級態勢感知

經緯M300 RTK 引入全新的飛行輔助界面，將飛行參數、導航、障礙物地圖等多維度的關鍵信息整合至同一界面，賦予作業人員較強的態勢感知能力；具有Air Sense 功能，保障空中飛行安全；擁有夜航燈，使得作業時持續警示周邊，保障地面人員安全；集成雙目視覺和ToF 傳感器于機身的6 個面，避障距離最遠40 m，且可以通過Pilot App 調整；具有傳感器備份、動力系統雙鏈路備份、圖傳雙鏈路備份及其他安全設計功能。

2.1.4 配件豐富，搭配健康管理系統

一站式的無人機健康管理系統，可顯示各模塊的健康狀態，保存異常記錄，并提供簡易故障排查指南。搭配的BS60 電池箱便攜易用，一站式解決充電、儲存、運輸等電池管理問題，可實現無縫輪轉作業。TB60 智能電池的容量達5 935 mA·h。支持雙電池熱替換，無須關閉無人機電源亦可更換電池，在關鍵任務中節約時間，保障飛行作業的流暢性。DJI 帶屏遙控器行業版集成13.97 cm 的1 080 P 高亮顯示屏，戶外強光下仍可清晰顯示。

2.2 軟件系統

無人機傾斜攝影測量三維建模采用的軟件是大疆智圖DJI Terra，在實際執行中可以通過設定自動生成航線，在工作中結合實際情況自動調整航點的飛行高度、飛行速度、飛行航向，還可以規劃三維模型的航點，選定目標區域后自動生成航線。為保證后期數據處理更加清晰明確，無人機展開航攝作業之前需要對測繪地塊所在地進行三維坐標系的建立，將測繪區域內各個點位的坐標信息標記出來，避免圖像信息與實際地形位置之間產生偏差。這一過程中，需要對坐標數據進行反復核對，并按照不同坐標比例進行路線的距離對比，以保證能夠將誤差縮小至零。大疆智圖提供地圖打點、KML 文件導入、飛行器打點3 種方式添加邊界點，在無網絡情況下也可正常作業。規劃過程中，界面會顯示預計飛行時間、預計拍照數及面積等重要信息。傾斜攝影功能可以在選定目標區域后規劃航線，進行起飛地點與測繪地點之間的網絡拓撲建立，幫助構建更高精度的實景三維模型，根據測繪工作需要搭載合適的測繪軟件以及敏感組件，在飛行過程中實時生成二維正射影像，確保無人機各個功能模塊的正常運行[2]。同時，需要設置傾斜云臺角度等參數，準確細致地呈現目標對象和測區，全面升級的真正射影像技術能有效避免圖像扭曲變形，航線高度重疊率控制在53%左右，提前做好設備的調試以及檢查，最終靈活采取更具針對性的應對措施。

3 無人機傾斜攝影大比例尺測圖技術路線及實施方案

無人機傾斜攝影大比例尺測圖的總體技術路線圖如圖1所示。

圖1 總體技術路線圖

3.1 地面控制點測量

需根據測區地形地貌特征以及建模精度布設地面控制點，控制點布設應遵循“分布合理，有效控制測區精度”的原則。采用GNSS 實時動態定位系統、RTK 測量儀器，配合全站儀、水準儀等坐標系統信息，準確測量控制點的三維坐標。

針對每個控制點的實際位置應當制作點之記，針對所有控制點在測區的分布應當繪制整體分布圖，以便后期進行三維建模時能夠快速準確地將控制點測設在三維地形圖上。

控制點信息的準確是三維模型精度的基本保障，控制點應當穩固、明顯、周邊無遮擋，便于從空中查找。點位布設與測量完成后應當由專人負責保護、管理，以便后期數據檢查與二次利用。

3.2 空中三角測量

充分考慮影像的幾何變形和遮擋關系、POS 系統提供的外方位元素和相機安裝位置關系，使用大疆智圖軟件將垂直影像和傾斜影像進行多層級逐像素密集匹配，進行多視角聯合平差。結合像片控制點和各級影像上自動匹配的同名點，通過區域網光束法平差迭代聯合解算，獲取所有相機自檢校參數以及影像的真實空間位置和角度關系。

3.3 三維模型構建

為保證航攝影像能夠與實際地勢坐標重疊，需要考慮測區控制網的主點坐標，明確影像拍攝過程中產生的畸變參數，點云自動轉換為不規則三角網構TIN 模型，結合當前區域的實際情況控制航攝影像產生的偏差，獲取最佳視角影像紋理，自動賦予模型紋理。同時，模型構建基于Tile 劃分計算，在三維模型構建中需要分析與選擇合適的影像匹配單元，自動選擇不同視角上的最佳像對模型，對圖像當中形成自由平差進行抵消，在此基礎上根據生成的密集點云進行三維建模，對模型進行平滑和優化，根據三維TIN 的空間位置信息，通過對DEM 數據進行配對生成，實現自動化紋理映射[3]。

3.3.1 數據Tile 劃分

根據作業區實際范圍，劃定建模區域，當項目劃分為不同塊進行建模時，應保持各個塊建模的Tile 劃分原點一致。Tile劃分的大小由計算機的性能決定，一般設定為100 m×100 m，劃分工作可利用軟件全自動化實現。

3.3.2 點云匹配

空中三角測量完成后，并且檢查合格后需要進行三維場景重建，在執行三維重建任務前必須對空間框架和處理設定進行設定。三維模型的生成是分塊進行計算的，生成高精度的點云數據，在實際執行中需要優化構網算法，過濾掉一些異常或凸起的不規則點云，使多視影像密集與實際需求匹配，在數字表面模型的基礎上加載不同特性的濾波，并經過優化算法處理形成最終的DSM，用于后期模型的構建以及正射影像的生成，進一步提高點云的匹配度。

3.3.3 TIN 網構建

在數字點云的基礎上構建不規則三角網，從而形成TIN模型及三維白模，能夠表達出現實的三維場景，對切塊的點云數據進行構建，但是沒有映射真實的紋理貼圖[4]。經過密集匹配獲得高的密度點云，需要進行切割分塊，根據計算機性能設置的優先級別進行不規則三角網構建。

3.3.4 白模生成

根據三維TIN 的空間位置信息，進行分塊切割并形成無紋理的三維模型即白模。

3.3.5 紋理映射

紋理映射中需要自動進行裁切并映射到三角面，針對獲取圖像展開收集與處理分析，對借助Photo Scan 等相關圖像處理加工軟件，基于軟件強大的紋理映射算法對每個模型自動賦予紋理，輸出OSGB 格式城市實景三維模型成果，實現TIN 模型的自動貼圖。在之前的多視影像空三加密過程中，每張傾斜影像都具有高精度的空間坐標信息，最終生成包含真實貼圖信息的實景三維模型，保證坐標信息與相應坐標的貼圖信息相匹配。

3.4 傾斜模型三維測圖

此次無人機傾斜攝影采用的平面坐標系統是80 坐標系，中央子午線為117 度，3 度分帶。高程坐標系統采用1985 國家高程基準，基本等高距為1 m。像控點平面精度相對鄰近基礎控制點的平面位置中誤差不大于圖上±0.1 mm；相控點高程精度為不大于基本等高距的1/10。連接點的平面精度在平地、丘陵地區要小于圖上0.35 mm；山地、高山地不應大于圖上0.5 mm。特殊困難地區，中誤差可放寬1/2。

3.5 精度統計

對于此次生產的數字線劃地圖DLG，選取了20 個檢查點，對比檢查其精度，計算其平面中誤差為0.06 m，高程中誤差為0.06 m，滿足1∶1 000 以及1∶500 的成圖精度。

4 結語

將無人機技術與傾斜攝影測量技術相結合，無人機傾斜攝影測量具有高效率、高精度、低成本以及高度靈活性等特點，并且基于傾斜模型進行大比例尺測圖相比傳統航測立體測圖具有很多優越性，并將成為未來發展的趨勢，但目前尚存的一些技術難點和提升空間，所以本文就該技術展開深入研究和實踐，以加快該技術的成熟和應用。此外，無人機傾斜攝影大比例尺測圖在此次技術設計方案中能夠滿足1∶1000 及1∶500 的精度要求，相對于傳統航測立體測圖提供了一種全新的三維測圖方法，具有一定的應用推廣價值。