無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在大比例尺地形測(cè)量中的應(yīng)用研究

劉海峰

（中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)春 130000）

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，大比例尺地形測(cè)量要求升級(jí)，相比傳統(tǒng)的工程測(cè)繪，這種大比例尺空間測(cè)量技術(shù)實(shí)施難度高，存在準(zhǔn)確率低的棘手問(wèn)題，并且繪圖周期長(zhǎng)，測(cè)量的成本高。基于此，為改變現(xiàn)狀，需積極革新測(cè)量技術(shù)，應(yīng)用無(wú)人機(jī)傾斜測(cè)量，確保大比例尺地形圖測(cè)繪效果良好，為測(cè)繪行業(yè)的發(fā)展保駕護(hù)航。

2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量綜述

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量原理是：在無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)上搭載不同角度的傳感器（通常包括1個(gè)垂直攝影相機(jī)和4個(gè)傾斜的射影相機(jī)）從多角度、多維度進(jìn)行高效、快速、可靠的數(shù)據(jù)采集工作，其采集的多角度地面數(shù)據(jù)，可以建立數(shù)字正射影像（DOM）、數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字線劃圖（DLG）等數(shù)字地理信息產(chǎn)品，使數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)更加直觀化、具體化。隨著科技的進(jìn)步，當(dāng)前的無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)，還會(huì)額外追加無(wú)鏡頭攝影程序，在應(yīng)用程序中植入IMU系統(tǒng)、定位系統(tǒng)，借助多系統(tǒng)的配合，提高地形測(cè)繪的能力[1]。圖1為無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量示意圖。

圖1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量

3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的支撐技術(shù)

3.1 合理構(gòu)建三維模型

在利用無(wú)人機(jī)完成高難度測(cè)量區(qū)域的測(cè)量工作后，需及時(shí)處理攝影獲取的素材，將相關(guān)結(jié)果系統(tǒng)導(dǎo)入軟件，通過(guò)理想化方式創(chuàng)建立體模型，確保地形測(cè)量的有效性。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量較特殊，不同于其他攝影信息狀況形成過(guò)程，一般情況下，要先將攝影信息處理，利用系統(tǒng)加工后的信息構(gòu)建科學(xué)的模型。除此之外，對(duì)傾斜攝影而言，想要取得一定的成果，還需精準(zhǔn)掌握多視影像聯(lián)合平差。研究發(fā)現(xiàn)，多視影像聯(lián)合平差屬于無(wú)人機(jī)測(cè)繪的關(guān)鍵技術(shù)，不容忽視。

3.2 密集匹配多視影像

大比例地形圖測(cè)量中，測(cè)量效果的精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)難度較高，在此過(guò)程中需應(yīng)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影，借此優(yōu)化測(cè)量結(jié)果。相比于垂直攝影技術(shù)，這種無(wú)人機(jī)傾斜攝影具有理想的運(yùn)動(dòng)效率，同時(shí)成像分辨率條件良好，即使地形變動(dòng)太大，也不會(huì)出現(xiàn)影像不清楚等測(cè)量技術(shù)問(wèn)題[2]。現(xiàn)實(shí)操作中，若操作者僅運(yùn)用常規(guī)技術(shù)，會(huì)難以獲得模型構(gòu)建同名像點(diǎn)。基于此，為發(fā)揮出無(wú)人機(jī)傾斜攝影的優(yōu)勢(shì)，需結(jié)合不同測(cè)量地貌，制訂合理的測(cè)量方案。隨著科技的進(jìn)步，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)革新成果顯著，不但能捕捉到高密度的地形數(shù)據(jù)，還可為后續(xù)模型的順利建立夯實(shí)基礎(chǔ)。

4 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

4.1 測(cè)量準(zhǔn)備工作

為達(dá)到理想測(cè)量效果，在應(yīng)用無(wú)人機(jī)輔助測(cè)量之前，需對(duì)測(cè)量指標(biāo)進(jìn)行預(yù)先調(diào)試，以保障測(cè)量數(shù)據(jù)可靠以及精確。完成上述步驟后，才能進(jìn)行建模，捕捉動(dòng)態(tài)、清晰的畫面。基于此，想要提升測(cè)量質(zhì)量，發(fā)揮無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，需做好以下兩點(diǎn)工作：第一，要設(shè)法提高管控點(diǎn)測(cè)量精準(zhǔn)度；第二，結(jié)合實(shí)際測(cè)量需求，增添恰當(dāng)?shù)臄?shù)量控制點(diǎn)，保障理想測(cè)量成果。現(xiàn)實(shí)工作中，如果需對(duì)房屋密集區(qū)開展傾斜攝影測(cè)量，需將控制點(diǎn)落實(shí)到位[3]。結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，每隔150 m需設(shè)置基本的控制點(diǎn)，如果房屋相對(duì)稀疏，要每隔300 m設(shè)置控制點(diǎn)，借助這樣的方式，為后續(xù)的測(cè)量提供保障。圖2為無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的實(shí)現(xiàn)流程圖。

圖2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

4.2 處理攝影影像

攝影影像是重要資源，想要完成后續(xù)的建模，就要對(duì)影像資料進(jìn)行處理。研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)人機(jī)傾斜攝影階段，常會(huì)匹配一些傳感器鏡頭，在鏡頭的相互作用下，完成成像過(guò)程。目前，五鏡頭應(yīng)用較多，在其使用階段，可完成多個(gè)區(qū)域的測(cè)量，同時(shí)進(jìn)行5個(gè)角度攝影，通過(guò)這樣的方式，確保成像最終質(zhì)量。經(jīng)實(shí)踐表明，在實(shí)際攝影測(cè)量階段，為強(qiáng)化地形測(cè)量效果，鏡頭需相互配合使用，確保畫面的清晰。基于不同的光照情況，積極調(diào)整攝影測(cè)量方式，對(duì)目標(biāo)地圖像采集，借助合理的方式，選擇適當(dāng)?shù)钠毓恻c(diǎn)，達(dá)成多維度攝影目標(biāo)。通常情況下，在運(yùn)用多視角攝影后，需先完成圖像處理，這是基礎(chǔ)性保障，不容忽視。要結(jié)合圖像處理結(jié)果，完成高規(guī)格的虛擬影像構(gòu)建。實(shí)踐環(huán)節(jié)中，為達(dá)到傾斜攝影測(cè)量的理想效果，需在視野范疇內(nèi)選擇影像資料，之后加工影像。在加工過(guò)程中，最重要的一步是將凸起重影剪切。除了上述操作外，在預(yù)處理數(shù)據(jù)時(shí)，需要明確影像的健全度等參數(shù)，與此同時(shí)查看清楚度、范圍等，完成特殊數(shù)據(jù)的編輯。數(shù)據(jù)應(yīng)用處理中，要盡可能規(guī)避掉光線因素，確保模型的清晰度，這樣才能提高模型構(gòu)建的精準(zhǔn)性。

4.3 實(shí)施加密處理

結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)可知，應(yīng)用無(wú)人機(jī)實(shí)施傾斜攝影測(cè)量任務(wù)階段，為保證質(zhì)量，會(huì)應(yīng)用到空三加密系統(tǒng)，這是一種智能化的系統(tǒng)。空三加密系統(tǒng)的應(yīng)用，可分為以下幾類：首先，將位置信息（測(cè)量區(qū)域的）和地面控制信息共同匯總，確保工作效率和質(zhì)量。其次，系統(tǒng)應(yīng)用階段，會(huì)智能剖析錄入信息，借助核心的智能模塊，智能化地把傾斜攝影階段生成的主要連接點(diǎn)分配，為后續(xù)工作提供方便。最后，將連接點(diǎn)的權(quán)限合理化明確，在技術(shù)保障下進(jìn)行檢查與核對(duì)。在整個(gè)實(shí)踐過(guò)程中，完成偏差的連接點(diǎn)排除，在合理保障下，達(dá)到平差效果的最優(yōu)化，借助最佳的途徑，提高測(cè)量的精準(zhǔn)度。

4.4 建立攝影三維模型

完成上述工作后，便可實(shí)施模型的建立，在建立立體模型時(shí)，需綜合考量多項(xiàng)因素，確保較高的建模質(zhì)量。首先，注意無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)，把無(wú)人機(jī)拍錄的圖像完整匯總，同時(shí)處理測(cè)量的相關(guān)數(shù)據(jù)，將處理后的重要信息傳輸?shù)阶詣?dòng)建模軟件。至此，便可依托先進(jìn)技術(shù)自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。需要強(qiáng)調(diào)的是在測(cè)量建模過(guò)程中，相關(guān)操作者需完成多種影像校對(duì)，同時(shí)做好平差處理，利用好三角網(wǎng)工作高質(zhì)量完成對(duì)圖像中的特點(diǎn)處理，合理強(qiáng)化多視角影像的處理能力，提高其可視化水平，借此成功搭建三維模型，為大比例尺地形測(cè)量夯實(shí)基礎(chǔ)。

4.5 測(cè)繪大比例尺地形圖

以某1∶1 000地形圖測(cè)繪項(xiàng)目為例，進(jìn)行航空攝影、數(shù)據(jù)處理、空三處理、三維建模后，利用生成的DOM、DSM等數(shù)據(jù)進(jìn)行地形圖生產(chǎn)。基于清華三維EPS平臺(tái)三維測(cè)圖模塊，加載ODGB傾斜模型和正射影像DOM，采用二維三維一體化測(cè)圖模式采集高程點(diǎn)數(shù)據(jù)。基于南方CASS平臺(tái)，加載正射影像圖，進(jìn)行地物采集，然后導(dǎo)入高程數(shù)據(jù)，繪制等高線，完成地形圖的繪制。

地形圖繪制完成后，野外實(shí)測(cè)平面地物檢查點(diǎn)75個(gè)，高程檢查點(diǎn)274個(gè)。將儀器實(shí)測(cè)成果與正射模型采集成果以及傾斜模型采集成果進(jìn)行比較，結(jié)果見表1精度統(tǒng)計(jì)表。

表1 精度統(tǒng)計(jì)表

地形圖比例尺為1∶1 000，等高距1 m，對(duì)應(yīng)的規(guī)范要求如下。

平面精度要求：一般地區(qū)地物點(diǎn)中誤差小于±0.8 m。

高程精度要求：一般地區(qū)丘陵地高程中誤差小于±0.5 m（H/2，H為基本等高距）。

由表1中統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，正射模型和傾斜模型采集數(shù)據(jù)的平面精度和高程精度滿足大比例尺測(cè)圖規(guī)范要求，同時(shí)傾斜模型精度要比正射模型精度高。

5 傾斜攝影技術(shù)的注意事項(xiàng)

在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，傾斜攝影技術(shù)的注意事項(xiàng)多，可以概括為以下幾點(diǎn)：

首先，是大比例尺地形圖測(cè)量實(shí)施階段，需綜合考慮多項(xiàng)因素，特別是要設(shè)法規(guī)避掉建筑物自遮擋問(wèn)題，確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。結(jié)合現(xiàn)實(shí)經(jīng)驗(yàn)可知，在橋梁的路線地形圖校準(zhǔn)時(shí)，會(huì)經(jīng)常遇到植物遮擋的情況，為了不影響測(cè)量數(shù)值，需借助多維度攝影技術(shù)，同時(shí)匹配反復(fù)飛行攝錄方法，合理減少植物遮擋現(xiàn)象發(fā)生，為后續(xù)測(cè)量提供保障。

其次，是無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在國(guó)內(nèi)還不成熟，技術(shù)需要進(jìn)一步研發(fā)，在光線不充足的情況下效率會(huì)下降，測(cè)量作業(yè)受到限制較多。基于此，大比例地形圖測(cè)量階段，需盡可能選擇白天或光線較好的自然條件完成傾斜攝影，確保傾斜攝影測(cè)量的成果。

最后，是無(wú)人機(jī)在飛行階段，因?yàn)槭芰Σ痪燥w機(jī)機(jī)身?yè)u擺不定，會(huì)產(chǎn)生過(guò)度的抖動(dòng)問(wèn)題。一旦出現(xiàn)此種情況，會(huì)誘發(fā)像素位置移動(dòng)，從而導(dǎo)致圖像不清晰。基于此，測(cè)量大比例尺地形圖應(yīng)用到無(wú)人機(jī)傾斜測(cè)量時(shí)，需設(shè)定好無(wú)人機(jī)的像素，科學(xué)處理圖像不清晰問(wèn)題，提高無(wú)人機(jī)航拍測(cè)量的優(yōu)越性。另外，在攝錄區(qū)域圖像時(shí)，要注重對(duì)建筑物信息的采集，尤其是建筑物側(cè)面信息。人員駕駛無(wú)人機(jī)時(shí)，需嚴(yán)格按照技術(shù)流程，規(guī)避掉操作不當(dāng)?shù)膯?wèn)題，提高測(cè)量的專業(yè)性。在操作前，需對(duì)人員開展培訓(xùn)，確保其無(wú)人機(jī)操作技藝純熟。工作實(shí)踐中，只有掌握正確方法，才能發(fā)揮無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量最大化優(yōu)勢(shì)，確保地形測(cè)繪的順利實(shí)施。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)牽引下，大比例尺地形測(cè)量活動(dòng)增多，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越高。為了在短時(shí)間完成大比例尺地形測(cè)量，同時(shí)保障測(cè)量數(shù)據(jù)精確，可在原有測(cè)量技術(shù)模塊中，增加無(wú)人機(jī)傾斜攝影，借助該技術(shù)，提高大比例尺地形測(cè)量的有效性。目前，城市地形測(cè)量行業(yè)正向著數(shù)字化邁進(jìn)，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)融合其中，可推動(dòng)傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)升級(jí)。這種傾斜攝影測(cè)量精度高，與此同時(shí)應(yīng)用范圍廣，適用性強(qiáng)，具有良好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。在今后的應(yīng)用中，需持續(xù)優(yōu)化無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，加大該技術(shù)研究力度，將其全面應(yīng)用到大比例尺地形圖測(cè)量中，借此推進(jìn)測(cè)量行業(yè)的健康發(fā)展，為后續(xù)工作夯實(shí)基礎(chǔ)。