無人機(jī)傾斜攝影在建筑密集區(qū)地形測繪中的應(yīng)用分析

姜國華

（江西省地質(zhì)局地理信息工程大隊，江西 南昌 330002）

1 引言

近年來，我國基礎(chǔ)工程建設(shè)對測繪工作提出了更高要求，傳統(tǒng)測繪工作模式無法滿足現(xiàn)階段工作需求。傳統(tǒng)的地形測繪需要人工野外作業(yè)，存在時間長、成本高、環(huán)境危險、數(shù)據(jù)不直觀等問題，尤其在建筑密集區(qū)域，工作強(qiáng)度大、工序復(fù)雜，難以保證工程如期完成，從作業(yè)效率、降低成本等角度來看有很大的提升空間。

隨著實景三維技術(shù)和計算軟硬件技術(shù)的飛快發(fā)展，傾斜模型的建模速度及精度都有了很大提升，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在各行業(yè)的應(yīng)用也越來越廣泛。無人機(jī)遙感技術(shù)相對于傳統(tǒng)的測繪方式，不受環(huán)境空間限制，能實現(xiàn)更大尺度航拍，實現(xiàn)高效率、高精度航測。本文通過開展應(yīng)用實例，探討了無人機(jī)傾斜攝影測量應(yīng)用于建筑密集區(qū)地形測繪中的可行性。

2 主要技術(shù)介紹

2.1 無人機(jī)傾斜攝影測量原理

傾斜攝影測量技術(shù)是一種集計算機(jī)、遙感、空間信息等多種技術(shù)于一體的新型測繪技術(shù)，通過五個角度對地面情況進(jìn)行拍攝，獲得的三維數(shù)據(jù)可以反映地物的真實面貌，客觀展現(xiàn)了地物的外觀、結(jié)構(gòu)和高度等屬性，同時傾斜攝影測量技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)包含空間位置和影像數(shù)據(jù)[1]，可以輸出3D 數(shù)據(jù)成果，滿足傳統(tǒng)航測技術(shù)的要求，該技術(shù)利用提取及貼紋理的方式，大幅降低了三維建模的成本。與傳統(tǒng)測量技術(shù)相比，傾斜攝影測量技術(shù)具有效率高、精準(zhǔn)度高、成本低和抗干擾能力強(qiáng)等顯著優(yōu)勢。

無人機(jī)傾斜攝影測量系統(tǒng)可分為無人機(jī)飛行平臺、地面站和工作人員三部分，飛行平臺是整個系統(tǒng)的核心，主要包括導(dǎo)航控制系統(tǒng)和數(shù)碼相機(jī)，其中導(dǎo)航控制系統(tǒng)包括POS 系統(tǒng)、傳感器、飛行控制等[2]。

2.2 三維測圖系統(tǒng)

三維測圖系統(tǒng)能夠提供正射影像、實景三維模型的二三維高效采編功能，支持大數(shù)據(jù)瀏覽和采編制圖建庫一體化技術(shù)[3]，具備項目級網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同作業(yè)能力、適應(yīng)各類項目環(huán)境的多樣化測圖模式、智能化的地物采編操作以及一體化采編入庫作業(yè)支持，能夠智能完成大比例尺地形圖繪制工作，具有如下特點(diǎn)：

（1）支持三維實景模型同步生成正射影像，在沒有DOM 數(shù)據(jù)的情況下也能實現(xiàn)正射與模型同步，并且正射影像縮放范圍可調(diào)控，同時保證分辨率不失真；

（2）具有豐富的測圖功能，在三維實景模型上添加多個不同高程的水平切片，并將模型輪廓映射到二維視圖窗口進(jìn)行測圖，不僅滿足建筑物不同樓層不同輪廓的矢量采集，更是提高了建筑物的采集精度[4]。

3 建筑密集區(qū)地形測繪技術(shù)路線

利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)開展建筑區(qū)地形測繪主要包括傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取、三維模型構(gòu)建和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集。傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取包括利用無人機(jī)搭載的高分辨率相機(jī)獲取作業(yè)區(qū)的高分辨率影像、利用GNSS-RTK 測量獲取像控點(diǎn)坐標(biāo)，三維模型構(gòu)建包括影像匹配、空中三角測量、構(gòu)建三角網(wǎng)等過程，最終在EPS 三維測圖系統(tǒng)中通過加載三維模型來進(jìn)行地理要素的采集與處理，技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 技術(shù)路線

4 應(yīng)用實例

4.1 作業(yè)區(qū)域概況

測區(qū)位于福建省東部某區(qū)縣，面積為0.68km2，平均海拔為586m，作業(yè)區(qū)域多為丘陵和山地，且建筑密集區(qū)密度較大。

4.2 傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取

試驗采用飛馬D200 無人機(jī)平臺在任務(wù)區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。該無人機(jī)提供厘米級定位精度，可高精度成圖，還可精準(zhǔn)跟隨地形的起伏實現(xiàn)變高飛行。

4.2.1 航攝高度的設(shè)置

無人機(jī)傾斜攝影的飛行高度是航線設(shè)計的基礎(chǔ)，因此航攝前首先要設(shè)置航攝高度，設(shè)置時需要根據(jù)任務(wù)要求選擇合適的地面分辨率，無人機(jī)航測遙感系統(tǒng)中航高的確定跟成圖比例尺、像元大小、地面分辨率有關(guān)，其相互關(guān)系為：

公式中：H為攝影航高，單位為m；f為鏡頭焦距，單位為mm；GSD為像元尺寸，單位為mm；a為地面分辨率，單位為m。

4.2.2 航攝重疊度的設(shè)置

低空數(shù)字航空攝影規(guī)范規(guī)定：“航向重疊度一般應(yīng)為60%～80%，最小不小于53%；旁向重疊度一般應(yīng)為15%～60%，最小不小于8%。”在無人機(jī)傾斜攝影時，旁向重疊度明顯不夠。不論航向重疊度還是旁向重疊度，按照算法理論建議值是66.7%。

由于建筑密集區(qū)域的建筑遮擋問題非常嚴(yán)重，如果設(shè)計航線的重疊度不足，容易造成建筑模型幾何結(jié)構(gòu)的粘連。為了提高建筑密集區(qū)域影像采集質(zhì)量[5]，本文將影像重疊度設(shè)計為80%。當(dāng)高層建筑的高度大于航攝高度的1/4 時，采取增加影像重疊度和交叉飛行增加冗余觀測的方法來解決[6]。

4.3 三維模型構(gòu)建

傳統(tǒng)的三維建模是采用人工方式通過平面信息來構(gòu)建沒有紋理的三維模型，然后再將建筑照片貼到三維模型上作為紋理信息，如3D Max、AutoCAD 等建模軟件，這種方式構(gòu)建的三維模型存在精度低、紋理偏差大、過度依賴人工等問題，另外由于建模的周期較長，模型成果的時效性不夠，難以滿足用戶需要[7]。依托航測數(shù)據(jù)，傾斜攝影建模軟件可以通過影像預(yù)處理、區(qū)域聯(lián)合平差、多視影像匹配等步驟，自動、批量地構(gòu)建高質(zhì)量、高精度的三維模型，大大降低了三維模型數(shù)據(jù)采集的經(jīng)濟(jì)成本和時間成本。

將相關(guān)模型導(dǎo)入Smart3D 軟件，完成影像匹配。然后利用空中三角測量等技術(shù)完成三維模型的設(shè)立，生成有效數(shù)據(jù)，并落實測量區(qū)域內(nèi)的分辨率。根據(jù)實景、商業(yè)模型以及相關(guān)成果，以時間為基準(zhǔn)，完成網(wǎng)格以及貼圖的匹配處理。最后調(diào)整POI 信息，完成影像專題圖。

航空影像數(shù)據(jù)采集完成后，首先需要剔除質(zhì)量不符合要求的影像，然后對漏洞區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)飛，直到獲取的影像質(zhì)量滿足要求，最后將所有影像導(dǎo)入建模軟件，具體建模流程如下：

（1）添加影像 ：添加被攝物/區(qū)域影像并新建工程，完成影像匹配。

（2）自動空三：影像數(shù)據(jù)進(jìn)行自動解算，得到RGB 點(diǎn)云。空中三角測量可以全面提取區(qū)域內(nèi)部的數(shù)據(jù)值，利用POS 提供的多視影像外方位元素，并將其作為初始值，通過計算機(jī)采用SIFT 算法進(jìn)行影像的整體特征點(diǎn)匹配[8]，以獲取影像之間的連接點(diǎn)。

（3）三維重建：基于點(diǎn)云進(jìn)行構(gòu)網(wǎng)建模、自動映射紋理得到三維紋理模型。根據(jù)其特征點(diǎn)，構(gòu)建密集的測試云系統(tǒng)，有效建立不同影像之間的相關(guān)特征。

4.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集

通過實景三維重建系統(tǒng)進(jìn)行實景三維重建，得到的實景3D 模型可視化效果良好，可顯示精確地理位置及1∶1 尺寸信息，在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中，可以準(zhǔn)確獲取地物的尺寸信息；另外，通過EPS 系統(tǒng)支持三維模型的旋轉(zhuǎn)和多角度觀察等功能，可直接在可視化的多元數(shù)據(jù)成果上量測出與實景一致的距離、面積、體積、點(diǎn)位坐標(biāo)等信息，免去大量的外業(yè)實測及調(diào)繪工作，大大提高地形圖測繪的工作效率。

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集的具體步驟為：首先對前期的工作環(huán)境做好準(zhǔn)備，新建工程，將三維模型和正射影像圖導(dǎo)入EPS 系統(tǒng)，然后通過人工方式進(jìn)行立體編輯處理、數(shù)據(jù)檢查，最后成果輸出。

4.5 精度分析

為了驗證數(shù)據(jù)采集精度以及傾斜攝影測量在建筑密集區(qū)地形測繪中應(yīng)用的可行性，在數(shù)據(jù)采集完成后，隨機(jī)選取15 個檢測點(diǎn)，采用高精度中誤差檢測方法進(jìn)行精度檢測，檢測統(tǒng)計結(jié)果如表1 所示。

表1 檢測點(diǎn)檢測精度統(tǒng)計

通過表1 可以看出，15 個檢測點(diǎn)中，X方向和Y方向最大殘差分別為±5.4cm 和±4.6cm，XY方向最大殘差為±7.0cm，15 個點(diǎn)的中誤差為±2.1cm，均未超過相關(guān)規(guī)范要求，表明本次成果精度良好，成果可用。

4.6 作業(yè)效率和成本分析

采用傳統(tǒng)全外業(yè)解析測量法和無人機(jī)傾斜攝影測量方法，分別對同一任務(wù)區(qū)開展地形測繪，作業(yè)效率對比如表2 所示。

表2 作業(yè)效率對比

無人機(jī)傾斜攝影測量具有以下優(yōu)勢：

（1）效率高。無人機(jī)能夠突破一些復(fù)雜山地、山川、河流或危險等環(huán)境限制性因素，直接到達(dá)測繪區(qū)域，大范圍實現(xiàn)區(qū)域作業(yè)，工程測繪不僅質(zhì)量高，成果也得到了提高和強(qiáng)化。由表2 數(shù)據(jù)可知，與傳統(tǒng)測量方法相比，無人機(jī)傾斜攝影測量方法投入人員相對較少，更加省時省力，大大減少了工作量，同時具有較高的自動化水平。

（2）作業(yè)范圍廣。無人機(jī)遙感測繪技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)低空拍攝，作業(yè)人員可根據(jù)實際需求，設(shè)定航拍高度，進(jìn)而實現(xiàn)不同高度的科學(xué)作業(yè)，高空飛行時，作業(yè)范圍大[9]，且檢測精度極高。

（3）設(shè)備操作簡單、經(jīng)濟(jì)成本低。無人機(jī)質(zhì)量輕、體積小，便于工作人員攜帶 ；運(yùn)行時通過遙感操作實現(xiàn)，具備自動駕駛技術(shù)，靈活性強(qiáng)，可有效保障工作人員的人身安全。

5 結(jié)束語

本文探索無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在建筑密集區(qū)地形測繪中的應(yīng)用，利用無人機(jī)采集分辨率較高的傾斜影像，經(jīng)過軟件處理生成較為精細(xì)的三維表面模型，并在三維模型上采集數(shù)據(jù)，滿足測量精度的同時確保地形測繪按時完工，不僅可行性高，也更加省時省力。

綜上所述，在建筑密集區(qū)地形測繪工作中，采用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，可以全面提高測繪工作效率，保證測繪的精準(zhǔn)性以及有效性，完美解決了以往測量效率低、周期長、成本高、真實性不足的缺陷，可為后續(xù)測量工作提供科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膮⒖家罁?jù)。