使用無人機傾斜攝影進行快速實景三維建模研究

周本辰

（上?？辈煸O計研究院（集團）有限公司 上海 200438）

使用無人機進行傾斜攝影是近年逐漸成熟并發展起來的新技術，相對傳統正拍航測，增加了更多角度的傾斜影像，采集了側面紋理。隨著無人機技術的逐漸進步提升，其制造成本大幅度降低。目前，無人機傾斜攝影平臺的軟硬件成本與操作難度較之以前也大為降低［1］。本文以上海某測區測繪工程為例，使用無人機進行攝影傾斜測量并建立實景三維模型，在這期間，采用多種方法保障成果質量并考慮提升效率。最后，在軟件中，內業對所建立的傾斜模型進行地形圖測繪，并對建模和數字化地形圖進行精度驗證，驗證可滿足1∶500數字化地形圖測繪精度要求。

1 測區概況

該測區面積約1km2，測區內建筑物較多，地勢平坦，存在農村密集居民點及部分工業園區，因此，給傳統測圖帶來諸多不便。

2 無人機傾斜攝影并建模

可用于無人機傾斜攝影的設備眾多，建模及三維采集軟件也多種多樣。本文使用大疆M300RTK 搭載P1 設備進行無人機傾斜攝影，在進行傾斜攝影過程中，通過制訂好航飛計劃，采用少量像片控制點的方法來保障成果質量和提升效率［2］。然后，使用大疆制圖軟件進行建模，最后生產完成的實景三維模型導入EPS軟件，進行地形圖測繪。

2.1 傾斜攝影測量設備選型

經緯M300 RTK 是一款小型多旋翼高精度航測無人機，面向低空攝影測量應用，具備厘米級導航定位系統和高性能成像系統，便攜易用，全面提升航測效率。該系統針對小范圍快速獲取傾斜攝影數據的需求，將無人機技術與傾斜攝影技術有效結合［3］。系統具有成本低、飛行可靠性高、操作使用簡單、起飛和著陸場地要求低、定位精度高等特點，可以滿足傾斜攝影測量與快速三維建模對數據獲取的要求。

禪思P1 是一款高性能、多用途的航測相機，集成了全畫幅4500萬圖像傳感器與三軸云臺，搭配焦距為35mm 的行業專用定焦鏡頭。靈活的三軸穩定云臺和快至0.7s的最小連續拍照間隔，禪思P1在三維數據采集時可邊飛邊擺動云臺角度，實現了智能擺動傾斜航測。通過云臺的旋轉，將單鏡頭連續轉向5 個方向進行航拍，模擬五鏡頭航拍作業，大幅提升了單鏡頭在傾斜攝影作業中的作業效率［4］。

2.2 少控方法探尋

在傳統航測中，像控點測量工作是非常重要的一道工序，控制點的布設密度、觀測精度以及內業刺點都直接影響著最終測量結果的精度。大比例尺地形圖測圖要求更高密度的控制點來保證精度，因此布控的成本會比較大［5］。在效率方面，也易受天氣環境等因素影響。在精度方面，使用像控點測量也容易因選點、觀測等人為誤差，對成圖精度造成影響。后續的空三解算中進行內業刺點工序，對作業人員經驗也有要求，不熟練的作業員不容易刺準從而會影響結算精度。要想培養一個有經驗的作業人員，也需要大量的技術支持。

M300 RTK 無人機支持使用遙控器，通過4G 網卡連接網絡RTK 服務（RTCM3.2）接入千尋位置服務，從而獲取無人機拍攝每張照片時的精確坐標。同時，根據飛控可以感知到相機的旋轉角度等，經過積分運算，實時測定無人機的位置姿態信息。M300 RTK 無人機本身自帶的RTK采用的千尋網絡RTK實時差分定位。為減少測區內千尋網絡RTK 定位與已知控制點的誤差，安排在測區四角做4個像控點測量。另外，在測區均勻分布10個像控檢查點用于精度驗證。

2.3 航線設計

航線設計方案主要包括航高設計和航線設計。方案設計應明確任務范圍、影像分辨率、航攝方法、技術參數、成果類型及精度、航攝時間等基本內容，制訂實施計劃。

像片重疊度：建筑稀少區域航向、旁向重疊度最小不低于75%，建筑密集區域航向、旁向重疊度不低于80%。

設計影像分辨率：考慮測區較為復雜，設計像片分辨率為0.02m。

本次項目根據測區內地面建筑物的高度，將測區分為高層及低層兩種情況。低層為農村居民地區，平均高度低于20m 的密集建筑區；高層為平均高度超過90m的小區高層建筑區。為保證飛行安全及保證設計分辨率，低層區域采用加密航向、旁向重疊度的方法，盡量采集側面紋理；高層區域則采用分層飛行、局部繞飛補充采集的方法，保證設計分辨率在建筑物的底部能夠得到保證。

采用分層、局部繞飛等的飛行方法時，因為存在時間差，同一地點陰影位置不同，最終制作的模型紋理會出現變花（臟點）的情況。為了減少這種情況對模型觀感的影響，在采用分層飛行、局部繞飛補充采集時，應該盡量選擇在陰影較小的天氣時進行航拍作業［6］。

2.4 航飛方案的執行

（1）飛行前，對使用的設備、材料進行認真檢查，確保設備安裝和各項設置正確無誤。

（2）航攝現場負責人要嚴格掌握天氣情況，確保符合航飛方案設計要求。

（3）飛機及人員抵達測區后，立即安排試飛試照工作，為正式作業做好準備工作。

（4）航攝時間宜控制在10：00-15：00之間，確保有足夠的光照度，攝影時太陽高度角應大于45°，陰影不大于1倍。高層建筑物密集區域應在當地正午前后1h內攝影。

（5）航攝結束后，應及時對圖像質量進行檢查。

（6）航攝影像出現的相對漏洞和絕對漏洞均應及時安排補攝和重攝。漏洞補攝應按原設計要求進行，補攝的設備應采用前一次航攝設備。補攝航線的兩端應超出漏洞之外兩條基線以上。

（7）影像質量應清晰、層次豐富、反差適中、色調柔和，應能辨認出與地面分辨率相適應的細小地物影像，能夠建立清晰的立體模型。影像上不應有云、云影、煙、大面積反光、污點等缺陷。確保因飛機地速的影響在曝光瞬間造成的像點位移不應過大。拼接形成的高分辨率彩色影像不應出現明顯色彩偏移、重影、模糊現象。拼接影像應無明顯模糊、重影和錯位現象。

2.5 三維模型構建

傾斜攝影完成后，首先要對獲取的影像進行質量檢查，對不合格的區域進行補飛，直到獲取的影像質量滿足要求。當照片數據符合要求后，在大疆智圖中導入所有的照片數據，進行三維建模。

傾斜攝影測量建模流程如圖1 所示，包括導入像控點坐標、匹配坐標系、像控刺點、空中三角測量、空三解算通過、建立模型。

圖1 傾斜攝影測量建模流程

（1）添加照片，選擇重建類型，選擇建圖場景，選擇所要輸出的模型格式、坐標系等設置，進行首次空三處理。

（2）在完成首次空三處理后，導入像控點及檢查點坐標成果，準備在軟件中進行刺點操作。

（3）刺點：①選中任一像控點，然后點擊照片庫中包含此像控點的某張影像，則空三視圖左側區域將出現刺點視圖，其上的藍色準星表示所選像控點投影到此影像中的預測位置。②在刺點視圖的影像上，按住鼠標左鍵可拖動影像，滑動滾輪可縮放影像。點擊影像使用黃色準星進行刺點，標記像控點在影像上的實際位置。刺點在刺點視圖和照片庫縮略圖中顯示為綠色十字，同時，照片庫縮略圖右上角將顯示對勾標記，表示此為刺點影像。③對于同一像控點，由第三張影像刺點開始，每次刺點后，藍色準星的預測位置會根據刺點位置實時更新，像控點信息下方的刺點重投影誤差和三維點誤差亦會更新。推薦每個像控點的刺點影像數量不少于4 張，所刺控制點盡可能在測區內均勻分布，推薦不少于4個控制點（需要將像控點類型設置為控制點），檢查點可以視實際情況設置。點擊要刺的控制點—點擊照片—查看點之記，在照片內找到控制點位置—按shift件+鼠標左鍵進行刺點。

（4）以上步驟完成后，點擊開始重建，重建完成后，會顯示建好的三維模型，結果如圖2所示。

圖2 三維模型實景成果整體展示

3 精度分析

用EPS 軟件中將三維模型導入，并導入前面外業已做好的10個檢查點，在三維模型界面中找到對應的點位，匯總統計模型上的坐標與實際坐標進行對比，計算兩者誤差大小。模型坐標與檢查點坐標對比如表1所示。

表1 模型坐標與檢查點坐標對比

數據顯示，在三維測圖軟件中，像控檢查點的平面中誤差大約在0.43cm，高程中誤差為0.57cm，可以滿足1∶500數字化地形圖測圖精度要求。

4 結語

傳統的大比例尺全野外數字化地形圖測繪受外業作業天氣影響大，并且工作量大，成圖時期長。大比例尺傳統正拍航測由于成圖原理，加上外業縮房檐誤差等問題，導致精度相對大比例尺全野外數字化地形圖差。采用無人機進行傾斜攝影的方法，選用合適的飛行平臺、傳感器、軟件平臺，采用少量控制點的方式生產實景三維模型，再導入三維測圖軟件中進行測圖，可一定程度上解決這一問題。外業工作量少，內業自動化程度高，成果可靠并且具有可視化效果，因此，采用無人機進行傾斜攝影，最終將建模成果導入軟件進行地形圖繪制的技術方法可作為地形測繪方法的重要補充。