基于飛馬D2000 無人機的免像控傾斜攝影實景三維建模航測方法研究

陳偉CHEN Wei；錢俊錦QIAN Jun-jin

（四川中水成勘院測繪工程有限責任公司，成都 610072）

0 引言

隨著無人機與數碼相機技術的發展，無人機測繪近年來得到廣泛應用，相比傳統測繪，無人機航測具有機動高效、精細準確、適用范圍廣、生產周期短、成果多樣等特點，在小區域和飛行困難地區高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優勢。無人機航拍可廣泛應用于國家重大工程建設、災害應急與處理、國土監察、資源開發、新農村和小城鎮建設等方面，尤其在基礎測繪、土地資源調查監測、土地利用動態監測、數字城市建設和應急救災測繪數據獲取等方面具有廣闊前景。飛馬D2000 是基于高性能旋翼平臺的一站式高精度單兵作業平臺，飛馬D2000 無人機具有功能多樣、安全保障、操作便利等特點。本文就如何使用飛馬D2000 無人機進行免像控傾斜攝影實景三維建模進行研究。

1 測區概況

測區地處西部高原，平均海拔在3000m 以上，測區高差達900m，根據任務要求需制作測區的分辨率優于5cm的實景三維模型。按照傳統航測的要求，需要根據航攝間距布設像片控制點[1]，并且像控點要能控制整個測區。受地形、交通等因素影響，測區布設像控點無法控制整個測區，且像控點控制范圍以外的區域，其三維模型精度無法滿足規范要求。加之測區植被茂盛，野生動物種類繁多，活動頻繁，作業人員進入林區有較大的安全風險。為保證三維模型精度和測繪人員的人身安全，經現場踏勘后決定采用免像控作業方式進行航測，選用無人機機型為飛馬D2000無人機。測區局部地形見圖1。

圖1 測區局部地形

2 無人機航測實景三維建模原理

三維建模原理是將相機在空中拍攝每張影像的地物紋理信息、定位信息和姿態信息通過快速影像匹配技術解算出相鄰影像之間的空間關系，將影像中的各像素在三維空間中離散化形成彩色點云，利用彩色點云的幾何特性通過TIN 三角構網法[2]將離散的點云連接成一個個三角形面片并形成實景三維模型中的基礎模型，通常稱之為白模，最后發揮點云的彩色屬性根據空間位置映射白模上形成既有幾何外觀又有真實色彩的實景三維模型。無人機航測免像控實景三維建模是指在空三數據處理軟件中無需添加像控點實現三維建模的自動化生產[3]。

3 主要設備簡介

本次作業采用飛馬D2000 無人機搭載傾斜攝影模塊D-OP3000 進行。飛馬D2000 無人機系統是深圳飛馬機器人股份有限公司全新研發的一款小型、長航時且同時能滿足高精度測繪遙感及視頻應用的多旋翼無人機系統，可搭載航測模塊、傾斜模塊、可見光視頻模塊、熱紅外視頻模塊、熱紅外遙感模塊等，具備多源化數據獲取能力。DOP3000 是一款可見光多鏡頭相機模組，包含1 個下視和4 個側視高清鏡頭，5 鏡頭總計1.2 億像素，像元大小3.9μm，其成像清晰，鏡頭畸變小，很適合進行傾斜攝影三維建模作業。

4 航飛作業流程

航飛的作業流程主要包括：現場勘查、方案設計審批、空域申請、航測攝影、空三測量、三維建模。本次航飛采用飛馬無人機管家系統進行航線設計和自動化飛行，現場勘查對于整個航飛作業流程至關重要，踏勘時需收集地形地貌信息、重要建筑信息、交通信息等，為無人機的起降點規劃、航線規劃提供資料，保證無人機飛行安全。

4.1 獲取相機檢校參數

根據多次的生產案例，相機檢校參數是獲取高精度免像控三維模型的關鍵因素之一。無人機搭載的相機在出廠時會有一個數碼相機檢校報告，但由于運輸、實驗場地等原因導致跟飛行區域有一定區別，所以為了獲取高精度三維模型需要在飛行前對相機進行檢校。為保證相機檢校參數的精度，檢校點的布設數量和方式參考文獻[4]中像控點的布設要求。本次為獲取相機檢校參數的飛行分辨率為1.5cm，檢校點布設了9 個，相互間距約50m。分別在瞰景科技公司的Smart3D Master 軟件、Bentley 公司的ContextCapture 軟件中按常規作業流程進行空三測量，空三測量完成后將相機文件導出保存備用。檢校流程圖見圖2[5]。

圖2 檢校流程圖

4.2 航線設計

由于測區面積超過10km2，且測區高差大，為保證成果質量和飛行安全，需要根據地形、無人機續航時間等將測區劃分位不同區塊進行航飛作業。本次飛行需滿足1:500 建模精度要求，根據航高計算公式H=f×GSD/a，（式中H 為飛行高度，f 為相機焦距，GSD 為地面分辨率，a 為像元大小），計算得出，無人機搭載D-OP3000 時，飛行高度不得高于320m。由于測區高差大，要滿足飛行高度不高于320m 就必須進行仿地飛行。進行仿地飛行的航線規劃，需要有測區的DEM（數字高程模型），航線設計軟件根據DEM 對無人機的各個航點高度進行規劃，無人機飛行時根據規劃的航點高度進行升高和降低。飛馬的航線設計軟件自帶全國的DEM 數據，可以直接在航線設計軟件中進行仿地飛行航線設計。最終將測區劃分為4 個區塊，按300m 相對航高設計航線。主要飛行參數見表1。

表1 飛行參數

4.3 檢查點布設

為了檢查本次免像控三維模型的精度，在測區共計布設了321 個檢查點，檢查點覆蓋整個測區。檢查點包括明顯地物和對空標識兩種。檢查點坐標采用GNSS-RTK（實時動態測量技術）和全站儀坐標測量的方式進行測量。采用GNSS-RTK 測量時，根據接收機的圖根測量功能，每個檢查點測量時設置衛星高度截止角為15 度，PDOP＜4，接收機收到至少5 顆衛星信號，單次觀測的平面收斂精度不大于2cm，單次觀測的高程收斂精度不大于3cm，測量3個測回，每次觀測歷元數不少于10 個，采樣間隔2～5s，測回間GNSS 設備自動斷開重連。取各次測量的中數作為最終檢查點測量結果；采用全站儀坐標測量時，在全站儀中對溫度氣壓進行改正，測量中誤差不大于±5cm。

4.4 外業航飛

飛行前首先按照國家的法律、行政法規和工程所在地的地方法規及規章，向飛行管制部門提出空域申請，經批復后按照批復要求進行航飛作業。要保證成果精度滿足要求，無人機POS（POS 數據指的是Positioning System Data，即定位系統數據）數據必須達到厘米級精度，通常情況下采用網絡RTK 方式獲取厘米級POS 數據，由于測區地處高海拔地區，網絡信號不穩定，網絡RTK 不能保證無人機POS 數據固定率（即達到厘米級精度的比例），故采用地面架設靜態觀測基站與無人機機載GNSS 觀測數據來進行數據后差分處理的方式獲取厘米級的POS 數據。

4.5 三維模型建模

本次飛行共劃分為4 個區塊，共計拍攝約20000 張影像，POS 覆蓋13.9km2。由于植被茂盛，地形變化大，如果直接將全部航飛影像進行統一的空中三角測量將難以保證空三測量的成功率，故在空三測量時，根據飛行順序、地形變化情況、照片數量劃分為不同的空三區塊（可不與航飛區塊相同），各區塊單獨進行一次空三計算，然后將不同區塊的空三成果合并，合并之后再次進行全測區的空三測量。目前航測內業處理軟件種類繁多且各具特點，常用軟件中，瞰景科技的Smart3D Master 空三算法高效，獨有的分布式空中三角測量算法讓測量成果更精確、穩健，實現了傾斜實景三維大數據全流程的并行處理；Bentley 公司的ContextCapture 其算法能夠自動處理影像中的噪聲、光照、反射等問題，生成的三維模型具有高度保真的特點。參考兩個數據處理軟件的特點和以往的生產經驗，為得到高質量的三維模型，此次三維模型成果通過Smart3D Master和ContextCapture 生產。數據處理的具體流程為：首先將每個區塊的影像、POS 數據以及準備好的相機參數對應照片組導入Smart3D Master 中進行空三，創建空三任務時候參照相機選擇下視鏡頭影像，位置模式（POS 精度）選擇高精度位置，源數據紋理選擇弱，開啟軟件的性能模式；然后將處理后的空三成果以Blocks Exchange XML format 格式導出，導出時選擇正確的坐標系并勾選輸出連接點；再將空三成果分別導入ContextCapture 軟件中進行合并，將合并后的區塊在ContextCapture 軟件進行一次整體空三，整體空三后，可以使三維模型精度更高并使全部航飛影像進行整體勻色處理；空三完成后即可開始三維建模。三維模型效果見圖3。

圖3 三維模型效果圖

4.6 精度檢查分析

本次模型精度檢查根據《測繪成果質量檢查與驗收》規范規定，平面中誤差與高程中誤差按照誤差差值的算術平均值計算檢查點中誤差，按照公式進行計算，式中M 為中誤差，Δi為檢查點較差，n 為檢查點個數。依據《三維地理信息模型數據產品規范》可知：三維模型可視化表達的要求可以用平面精度、高度精度、地形精度、DOM 精度、模型精細度以及紋理精細度六個指標來表述。每個指標劃分為不同表達級別，每個級別對應相應的技術要求。本次航測的三維模型平均分辨率為4.7cm，成圖比例尺1:500，按規范要求此次三維模型的平面精度和高度精度對應等級為Ⅰ級，檢查點按1:500 三維模型精度要求進行檢查，平面精度限差為30cm，高度精度限差為50cm，兩倍中誤差為最大誤差。

本次三維模型檢查點分布完整覆蓋整個測區，根據《測繪成果質量檢查與驗收》和《三維地理信息模型數據產品規范》中的規定計算統計出本次三維模型的平面點位誤差最大值為16.3cm，高程點位誤差最大值為10.3cm，平面中誤差為5.4cm，高程中誤差為3.7cm，絕大部分檢查精度在10cm 以內，最大誤差與中誤差均滿足1:500 三維模型精度要求。檢查點統計表見表2。

表2 精度檢查統計表

4.7 不同分辨率下免像控三維模型精度分析

為了驗證在不同分辨率下免像控航測三維建模的精度，根據以上作業流程和作業方法，在不同的相對航高下，在不同的區域采用飛馬D2000 無人機搭載D-OP3000 傾斜攝影模塊進行其他項目的免像控三維建模處理，根據精度檢查報告，得出如下結論：免像控測量時，分辨率越高精度越高，不同的分辨率下，三維建模精度均不劣于2 倍分辨率。統計情況如表3。

表3 不同項目免像控三維模型精度統計

5 結論

本項目覆蓋區域廣，測區地形復雜，通過三維模型成果的精度分析驗證了無人機免像控技術的精度和可行性。隨著無人機技術的不斷發展，在日常的測繪工作當中，采用免像控作業方式可大幅度提高項目生產效率，降低項目成本，減輕測繪外業工作強度，減少測繪外業人員受傷風險。采用免像控作業方式時應注意以下幾點：①相機檢校參數是三維模型精度影響的關鍵因素之一，航測前需對無人機所搭載的數碼相機進行檢校，檢校場地選擇地形平坦的區域進行；②為確保影像的重疊率和最終三維模型的分辨率，在航飛前需提前獲取測區的DEM 成果，地勢變化大的地區必須采取仿地飛行；③采用地面架設靜態觀測基站對POS 數據進行后差分處理，確保POS 數據精度。靜態觀測基站的位置應避免多路徑效應，遠離無線電發射源和具有強烈反射衛星信號的物體，周邊無大型建筑和樹木等，衛星高度截止角不大于15°；④使用瞰景Smart3D Master軟件空三時注意參照相機選擇下視鏡頭，位置模式選擇高精度位置，如果測區植被茂盛則勾選弱紋理模式。空三成果導出時注意選擇Blocks Exchange XML format 格式導出并勾選輸出連接點；⑤使用ContextCapture 軟件三維建模前將合并后的區塊進行一次整體空三，確保模型最終成果色彩均勻。