基于無人機航攝影像的大比例尺測圖及三維建模研究

竇葉贇 DOU Ye-yun

（安徽省第三測繪院，合肥 230031）

0 引言

當前，無人機低空航攝完成了傳統數據獲取方式的有力補充，也彌補了衛星遙感等測繪手段在精度和及時性等方面的不足。無人機與傾斜攝影的結合，顛覆了傳統測繪作業方式，在獲取高清晰立體影像數據的同時自動生成三維地理信息模型，隨著使用需求的提升，無人機傾斜攝影測繪系統正向著自動化、智能化、全面化、高效化的方向快速發展，無人機傾斜攝影三維模型上實現大比例尺圖形采集成為必然，這也是促進無人機航測技術發展、促進其精準度和數據分析能力進一步提升的主要手段之一。

1 無人機航攝系統的組成以及理論基礎

1.1 無人機航攝系統的組成

1.1.1 飛行平臺

飛行平臺是整個無人機航攝系統的基礎構成，是指令接收單元也是指令發射單元，能夠完成控制端飛行地點以及飛行高度的目標指令接收，并將相關指令通過成像傳感器系統完成直接傳輸保證無人機航攝按照既定的航線完成飛行任務的執行。不同的飛行平臺擁有不同的優劣勢，其在應用的范圍內也不盡相同（常見無人機飛行平臺見表1）。

表1 無人機飛行平臺特點

1.1.2 飛控系統

飛控系統包含導航、控制系統兩個部分，輔助航攝任務完成導航和定位實現及時的接收路線質量修改，同時也肩負著航行姿態以及軌跡進行掌握記錄的任務。

1.1.3 機載傳感器設備

機載傳感器設備用于完成航攝攝影相的獲取，包括CCD數碼相機、激光掃描儀以及磁測儀和多光譜成像儀等。通過遙感傳感器能夠獲取含有豐富信息的影像，通過計算機的輔助處理，完成對圖像的恢復、增強以及分類工作，從而真正發揮出信息的參考作用。傾斜攝影技術顛覆了正射影像垂直角度拍攝的局限，通過同一飛行平臺的多臺傳感器的搭載能夠完成五個角度的影像采集任務，能夠得到高精度、高分辨率的數字表面模型（DSM）。

1.1.4 數據處理系統

數據處理系統是核心組成，保證了地面部分和無人機之間的通訊聯系。系統不僅能夠完成各類信息的接收，同時能夠給予相關飛行參數以及導航軌跡等直接的顯示。是整個無人機航攝相關信息的及時反饋，在完成數據獲取的過程中需要保證適合的范圍確定，同時再根據相應的比例以及降落場地完成有效連接，整個系統工作過程當中要注意避免障礙物以及無線電設備的影響。

1.2 無人機航攝系統理論基礎

整遙感技術是技術核心，與傳統的人工實地測量以及信息核實效率相比速度更快周期更短，利用不同波段的穿透性最大限度地獲取物體的內部數據信息，在計算機輔助處理之下完成對遙感采集到的圖像的恢復、增強以及分類工作正發揮出信息的參考。數據的獲取以及處理是工作核心，根據成圖的需求來完成航攝因子的計算，同時完成航攝路線規劃，結合航攝任務執行范圍內的地理地形因素特點，消除地形因素對圖像質量重疊度精度的影響。矯正畸變差為關鍵處理點，通過空三加密預處理來保證影像質量。

2 無人機大比例尺地圖測繪

2.1 大比例成圖流程和技術路線

首先利用無人機航攝系統完成航空攝影經過片控制點的測量以及空三加密建立完善系統模型，進而在完成圖像采集的過程中通過數字立體模型的建立完成立體采集，并通過系統獲取的點云數據完成手工精細分類以提取高程點。（圖1）

圖1 無人機圖像獲取流程

2.2 航飛準備與飛行作業

2.2.1 航攝比例尺確定

表2 航攝比例尺確定

2.2.2 航高確定

式中：H為航高；m為CCD像元尺寸；M為像元尺寸對應地面的長度。

2.2.3 航速確定

式中：w無人機重量；s機翼面積；ρ空氣密度；c無人機升力系數。

2.3 影像預處理

無人機在航攝過程當中搭載的是非測量數碼相機來完成拍攝任務，對測量精度會產生較大的影響，必須要經過畸變糾正以及影像匹配等預處理才能夠保證空三測量后續處理工作的順利進行。預處理的手段不僅包括紋理增強以及畸變糾正，同時也包括像片色調的處理。人工神經網絡分類法的主要思想是通過將遙感圖像體現出的明顯特征作為輸入信號，按照相應的規則進行訓練，在輸出端完成對輸入信號的分類。BP網絡神經分類屬于人工神經網絡分類的一種，不但具備良好的容錯特征，同時能夠實現高精度的分類。

2.4 空三加密

空三測量根本原理在于減少野外控制點，通過密集數據模型的使用，以最小二乘法原理來保證坐標以及高層的解析，利用已知點來完成外方位元素影像的求解。當計算范圍完成由單像片擴張到一條航帶或者是立體雙像擴張到多條航帶時，空三解算也被稱之為空三加密。空中三角測量方法按照相應的數學模型有航帶法、獨立模型以及光速法三種。處理流程較為繁瑣，需要通過校驗文件的導入來完成航帶的劃分，利用金字塔處理完成航攝影像的處理（三種平差方法見表3）。

表3 空三加密平差方法比較

3 無人機航攝成圖影響因素以及優化

3.1 成圖精度誤差分析

像片傾角影響的主要元素在于無人機飛行狀態時不穩定性因素導致，該過程中最主要的影響因素在于平面像點的位移以及地形的起伏高程差。其中，平面影響主要是氣流的影響，因為在氣流的作用之下無人機航攝飛行過程當中難以保證完全置平，而在這樣的過程當中，會導致點構像存在相應的誤差。另外，在無人機完成航攝工作任務的過程當中，傾斜像片同理想像片之間無法產生相應的橫坐標，此時的投影差也會產生相應的影響。

式中：δ為像點位移量；γ為向徑長，該長度以等角點為起點，以目標成像點為終點；φ為向徑與影像等比線的夾角；α為像片傾角。

式中：δ為像點位移量；γ為向徑長，該長度以等角點為起點，以目標成像點為終點；φ為向徑與影像等比線的夾角；α為像片傾角；h為地面點相對于水平面高差；H為航攝飛行高度。

3.2 精度優化方法

無人機航測任務完成過程當中，圖像精度受到多重影響，其包括本身處理系統也包括軟硬件的限制，而外界的天氣、溫度以及地形等不可控的影響也較為明顯。外界因素難以改變，所以想要實現精度的提升，必須從內部下手。首先，要規范操作流程，其次通過軟件的開發和硬件的增強來保證圖像精度的提高實現高精度作業，在此過程中應嚴格依據《大比例尺地形圖航空攝影測量數字劃測圖規范》控制并分析誤差。

現有的影像處理軟件在處理過程中對無人機航飛的原始數據存在局限，常用的pix4d軟件在航飛的影像按項目處理時往往會存在因圖形結構不好影像預處理通不過，三維CC軟件在影像項目處理時存在空三不能通過或空三處理結果異常而不能滿足建模需要。另外，無人機航測影像往往由于分辨率高，影像數據量過大，在常用的地形圖成圖軟件CASS中使用過程不能直接插入CAD圖，要保證分辨率不降的條件下加載影像，可行的辦法是對影像進行裁切，將大影像裁切成若干塊，然后分批插入圖形中，在吃過程中需要根據實際情況選取影像，整理pos數據，因此可以通過自動挑選影像與pos數據整理，對無人機數據預處理，以滿足pix4d及CC三維建模的需要，同時借助相關軟件（如arcgis）批處理自動裁切影像，將大影像裁切成若干塊滿足影像成圖的需要。

4 三維建模以及成果分析

4.1 三維模型建立方法

利用專業的軟件完成建模是最為直接有效的方式，常見的三維模型軟件包括CC三維建模、SketchUP、AutoCAD以及3DMax等。無人機傾斜攝影能夠從五個視角完成相關圖像的采集，模型建立過程中，首先要完成現有資料的分析，保證其在無人機傾斜攝影基礎之上利用像片控制點測量成果并完成空中三角測量。同時在五個視角影像和空三加密成果的基礎之上利用CC三維建模進行模型成果展示，根據三維模型采集大比例尺DLG。

4.2 技術要求

首先，在模型建立的過程當中要保證道路、橋梁以及水面等圖像的優化。其次，由于傾斜攝影航拍視角的遮擋性很多建筑物表面影像會出現漏洞，所以在建模過程當中可以采用三維模型編輯工具來完成圖像的修復。另外，在傾斜攝影過程當中由于角度的問題難以獲得建筑內部紋理圖像，所以三維模型當中實際結構展現的并不完整，在此過程當中需要通過單獨模型的建立，在三維激光掃描的基礎之上利用貼圖軟件完成貼圖建模。最后，由于序設置的缺陷，三維建模過程中會有諸多云匹配提取錯誤、三維模型不平整、三維模型中存在懸浮物的缺陷，需要對其進行修正處理。

4.3 技術路線

在進行空三加密的過程中需保證在精測區分塊、相對篩選點、云計算點、云購網以及白體三維模型構建。在模型的建立過程中需在漏洞修復以及元數據制作等操作技術過程當中保證數學基礎正確，相關的采集精度符合實際的需求，能夠在三維模型的基礎之上完成三維坐標以及野外實測檢測筆坐標的比較。另外，要保證整個建筑模型在建立的過程當中呈現自然狀態，無作業區空洞以及不合理的懸浮面片的出現。整個建模過程當中，要保證細節的完整性，其紋理精度需滿足影視向地面分辨率的需求。

4.4 成果分析

三維模型的可視化，以GIS、BIM以及物聯網技術為基礎，無人機航攝系統完成相關數據的收集在軟件處理之下完成數據疊加，使其直接顯現在虛擬場景當中。三維場景的可視化相較于傳統的2D頁面形象更為直觀，角度更為貼切，能夠滿足信息查詢以及規劃設計等功能，同時強大的數據分析和參考能力也為計劃的制定提供了極為有利的輔助。三維模型的可視化在于，將各種模型完成空間位置以及場景的組織通過圖形的方式直接顯示在計算機屏幕上，是人機交互的切實體現，在此過程當中可以通過漫游功能來保證精準性和實時性。

通過無人機數據預處理以及成圖輔助系統的協助，在CC三維建模過程當中實現了良好的工作準備，在CAD平臺以及S軟件的基礎之上突破了航測成圖難的問題，填補了軟件不足的空白，同時實現了外業問題到內業處理上的轉化，有效的減輕了外業的工作量，利用實測高程點構建圖形，完成了三維模型大比例尺DLG的采集工作，滿足高精度成圖需要。

5 綜述

測繪無人機是當前測繪行業的發展主流，逐漸完成了小區域大比例尺測圖的廣泛覆蓋。而其憑借著較低的成本投入、較高的精度預測以及較為簡單的操作方式贏得了大眾的信賴。在無人機航攝系統完成大比例尺成像的過程當中，精度的評定和誤差分析必不可少。想要提升圖像質量必須從軟硬件結合入手，既要保證硬件設施的穩定性和高質量性，同時也要保證相應的軟件具備良好的圖像處理能力，保證比例尺成圖精度。通過傾斜攝影的影像建立三維模型，然后在三維模型上采集大比例尺圖形，是無人機測繪自動化、智能化、全面化、高效化的集成體現，能夠更好地滿足實際需求。