無人機仿地傾斜攝影建模精度淺析

羅 衛 李林輝 張林杰 黃 筱 馮 剛 熊 豪 左 強

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

從“數字地球”“數字水利”到“智慧地球”“智慧城市”［1-2“］智慧園區”［3“］智慧水利”［4］等概念的轉變和拓展，反映了數字測繪信息從平面模式向著三維立體多元模式發展。無人機傾斜攝影測量在各項三維建模任務中發揮重要作用［5］。

低空無人機航攝易于避開密云、機動性強、周期短、效率高，能輕松到達高危區域，快速獲取和更新測繪基礎數據。無人機搭載單個或多個高清數碼鏡頭采集器獲取地表信息，結合內業數據質檢和空中三角測量等一系列處理步驟，最終建立真實三維模型。同時，由于地面高差信息表征的復雜性，傳統無人機飛行高度恒定方法獲得的像片質量因位移差異而降低。無人機以不同的高度仿地航攝作業，即無人機同拍攝地表高差基本保持一致，獲取恒定地面分辨率、更小畸變的基礎數據，提高建模的真實性和準確性。近年來，不少學者對無人機仿地飛行傾斜航攝展開了一定研究和應用。文獻［6］設計無人機變高飛行的傾斜航攝作業獲取水庫地區基礎圖像數據，通過后續內業處理，完成的1∶500大比例尺地形圖滿足精度要求；文獻［7］將多旋翼無人機通過仿地飛行航攝快速完成了復雜礦區1∶1 000 比例尺地形圖的量測工作；劉文鍇等［8］利用無人機仿地飛行航攝數據建立南水北調輸水渠三維模型，用以精確挖填方計算等應用；趙佳等［9］研究無人機仿地技術在植保方面的應用。鑒于此，在地形高差明顯地區探索變高飛行的無人機傾斜攝影建模，對提高實景三維精細建模整體質量具有一定現實意義。

1 傾斜攝影測量技術概述

1.1 仿地飛行技術原理

無人機飛行采集測區內圖像數據前，根據現有高程數據，取測區平均高程作為航拍基準面。從相機物鏡中心到航拍基準面的垂直距離稱為攝影高度。飛行高度與攝影基準面的差值嚴格規定，根據立體空間相對前交原理，可以計算出飛機航高，公式為

式中：h為航高；a為像元尺寸；GSD（ground sample distance）為攝影地面分辨率；f為攝影機鏡頭焦距。若無人機在地形高差明顯的區域以恒定高度飛行，實際的GSD 會相應降低，影響后續建模質量。相比傳統恒定航高飛行傾斜測量，變高飛行傾斜測量能夠與地表保持相對恒定高差，保證地面攝影分辨率GSD 基本相同，即無人機仿地測量有效解決高差明顯引起地面分辨率懸殊問題。圖1為恒高飛行和仿地飛行傾斜攝影測量原理示意圖。

圖1 恒高、仿地飛行傾斜航攝示意圖

無人機仿地飛行技術［10-11］實現，大致經歷以下步驟：

（1）測區地形數據準備。將給定范圍線定位至測區，下載對應的地形數據；在此基礎上，以一種平滑的濾波方法跟隨地形預處理，導入飛行路線的地形數據。

（2）仿地飛行航線計算。根據無人機實際飛行速度和航線平均長度，計算高度采集點距離和對應點的海拔高度，以平滑濾波算法建立航線高度模型，找出模型極值點，繼而算出極值高度差和無人機同地面間的垂距與斜距。

（3）仿地航線飛行。每條航線相鄰采集點逐步插值，根據極值點高度差與飛行高度比較和垂斜距夾角，實現無人機飛行升降速率調整。

1.2 空中三角測量技術

無人機可大范圍采集航攝數據而廣泛應用。空間后方交點法計算外部位置元素，至少需要4個已知地面控制點計算立體相對，然而大范圍的測區不能依靠傳統方式測量控制點［12］。測量少量圖像控制點，利用攝影測量對大量的圖像控制點加密，以滿足立體圖像對的映射，該過程被稱為空中三角測量，亦稱為空中三角測量加密（簡稱空三加密）。簡言之，空中三角測量根據航攝相片量測像點坐標和像控點大地坐標，通過投影、透視變換、共線方程等嚴謹的模型，計算圖像外方位元素過程，可用于地形圖繪制或高精度攝影測量加密［13］。

式中，x、y為像點平面坐標；x0、y0、f三個元素確定攝影中心與像片位置相對關系的內方位元素；（XA，YA，ZA），（XS，YS，ZS）分別表示地物點與拍攝點在物方空間坐標系的坐標；a1，a2，...，c2，c3則表示包含了相機拍攝瞬間3個姿態角?、ω、κ構成的方向余弦正交矩陣R。該方程最大特點可將相機拍攝到的真實地物點及其在相機平面的對應像點坐標相互聯系，成為空中三角測量加密控制點有力的理論依據。

2 傾斜攝影數據采集和處理

2.1 測區概況和航線設計

測區水利樞紐位于貴州省黔西北畢節市，地處云貴高原腹地。測區大致呈長方形，面積約8.6 km2，高差約450 m。測區地物主要包括大壩主體、道路、大壩監測站、項目營地及當地居民樓。主要地貌為大高差的河谷和陡崖。

對外業航飛數據采集前，首先需規劃航線。由于現場高差起伏大，直接導入全球數字高程模型（digital elevation model，DEM）不能滿足無人機仿地飛行精度要求和安全條件，需利用低分辨率單相機影像，獲得精掃的數字地表模型（digital surface model，DSM）輔以航線設計。本次任務設計的影像地面分辨率為3 cm，無人機采用仿地飛行以保證攝區最低點分辨率達到精度要求。規劃航線的航向重疊率為80%，旁向重疊率為65%。本次測區實際航飛總面積約9.0 km2，飛行3 架次，航飛時長約4 h，共獲取7 600 張影像。對航飛數據質量進行檢查：航片清晰，光照色彩真實，基本符合傾斜攝影建模要求。

2.2 數據處理

采用Smart3D 軟件開展內業數據處理。該軟件集地理參考數據（像片或激光點云數據）自動處理生成三維模型，對數據和建模尺寸兼容性強、自動化程度高，已成為三維實景任務常用軟件［14-16］。將像片和定位定姿系統（position and orientation system，POS）數據導入軟件，經過區域網聯合平差、匹配密集連接點、空中三角測量解算、多視圖立體匹配、網格優化、精細紋理映射和場景瓦片化等步驟，輸出具有真實地理信息、TIN以及紋理格式的傾斜三維場景模型。

外業數據采集與處理的詳細步驟如圖2所示。

圖2 外業數據采集與內業處理流程

與定高飛行的傾斜模型相比，仿地傾斜航攝模型展現出水利樞紐及周邊地物的細節紋理模型特征更加細膩清晰，更接近真實場景，如圖3所示。

圖3 仿地傾斜航攝建模結果

3 仿地傾斜建模和精度分析

為驗證基于仿地飛行傾斜航攝得到的影像傾斜建模精度，無人機數據拍攝結束，在測區采集了房角、公路標志線等44個特征明顯坐標作為模型精度檢查點。

內業建模結束，將采集的檢查點坐標導入傾斜三維模型，逐個對比外業采集的特征檢查點坐標與模型特征檢查點坐標空間位置的偏差，得出仿地航攝傾斜模型質量精度。表1列出各特征檢查點的平面和高程誤差。

表1 仿地航攝傾斜建模精度 單位：cm

經計算，表1 最終的平面點位誤差為0.092 m，高程誤差為0.113 m。結果滿足了《三維地理信息模型數據產品規范》（CH/T 9015—2012）I級1∶500比例尺地形圖三維模型平面點位誤差小于0.3 m、高程中誤差小于0.5 m 的精度要求［17］。

4 結束語

針對高差顯著的山地嚴重影響無人機獲取圖像質量的問題，本文采用無人機仿地航攝作為解決方案，無人機的航攝基本上同地表保持相同的高差，從而提高圖像質量。本文以黔西北某水利樞紐工程作為實驗區，分析和論證了無人機仿地飛行的傾斜攝影技術能夠滿足地形復雜、高差明顯的河谷地區的三維建模精度。與傳統的定高飛行設計相比，它保證了航空攝影的質量和視覺效果。推進水利數字化發展、管理和運營進程，提高后續監測和維護能力。