無人機(jī)大比例尺測(cè)圖技術(shù)應(yīng)用研究

韓新哲

（1.華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021；2.自然資源部金屬礦山地下水災(zāi)害防治工程技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050021）

隨著無人機(jī)（Unmanned Air Vehicle，UAV）系統(tǒng)裝備的智能化應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展以及新型測(cè)繪地理信息技術(shù)研究的深入，基于無人機(jī)系統(tǒng)的新型測(cè)繪技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)以其成本低、安全系數(shù)高、復(fù)雜區(qū)域適應(yīng)強(qiáng)、精度滿足測(cè)量要求等優(yōu)點(diǎn)在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如智慧城市建設(shè)、礦山治理、違建監(jiān)管等。隨著不斷深入研究，通過無人機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)搭載高清數(shù)碼相機(jī)（單拼相機(jī)或五拼相機(jī)） 運(yùn)用攝影測(cè)量技術(shù)制作4D 測(cè)繪產(chǎn)品，包括數(shù)字正射影像圖（Digital Orthophoto Maps，DOM）、數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）、數(shù)字表面模型（Digital Surface Model，DSM）、數(shù)字線劃圖（Digital Line Graph，DLG）以及實(shí)景三維模型。張祖勛等[1]闡述了工業(yè)攝影測(cè)量技術(shù)概念，對(duì)新型攝影測(cè)量技術(shù)在算法改進(jìn)、工藝流程等方面提出了新思路，為我國(guó)攝影測(cè)量的發(fā)展指明了研究方向。陳巧等[2]闡述了無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在地質(zhì)滑坡災(zāi)害中的應(yīng)用，通過快拼影像，獲取山體滑坡特征，識(shí)別滑坡形變區(qū)域，精準(zhǔn)的量測(cè)滑坡變形值，為地質(zhì)滑坡災(zāi)害精準(zhǔn)治理提供依據(jù)。蘭峰等[3]為構(gòu)建精細(xì)化實(shí)景三維模型更好的服務(wù)于智慧城市建設(shè)，提出一種基于地物類別的傾斜攝影三維建模方法，通過計(jì)算三維模型的紋理信息結(jié)合植被提取算法，經(jīng)規(guī)整后白膜重構(gòu)三維模型，能夠簡(jiǎn)化三維模型，且模型外觀與原始模型基本無差別，提高了三維模型在地理信息系統(tǒng)中的適配性。趙國(guó)梁等[4]驗(yàn)證無人機(jī)搭載單拼鏡頭精心立體繞飛技術(shù)在1∶500 不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量中的可行性，提高了作業(yè)效率，減少了外業(yè)飛行時(shí)間，節(jié)約了人工成本，并經(jīng)過精度驗(yàn)證表明單鏡頭繞飛技術(shù)在不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量中的創(chuàng)新性、適用性。前人的研究探討了無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在各個(gè)方面的應(yīng)用，構(gòu)建數(shù)字正射影像圖或?qū)嵕叭S模型服務(wù)于各個(gè)領(lǐng)域，通過成果圖件描繪地理信息，但是如何更加精確地應(yīng)用到大比例尺測(cè)圖中，或保證測(cè)圖精度，就需要更加深入的研究。本文闡述了無人機(jī)系統(tǒng)組成及其在大比例尺測(cè)圖中的關(guān)鍵技術(shù)，通過應(yīng)用實(shí)例，分析無人機(jī)大比例尺測(cè)圖技術(shù)的可行性、適用性。

1 無人機(jī)航攝系統(tǒng)

無人機(jī)航攝系統(tǒng)由航攝平臺(tái)、傳感器、差分定位系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)組成[5-8]。

航攝平臺(tái)指無人機(jī)機(jī)體，根據(jù)飛行方式不同可分為固定翼、旋翼機(jī)以及復(fù)合翼，相比較而言，旋翼機(jī)飛行航時(shí)短，載荷任務(wù)量輕，較靈活，適應(yīng)于山區(qū)及小面積區(qū)域作業(yè)。

傳感器為搭載的采集數(shù)據(jù)平臺(tái)，大比例尺測(cè)圖應(yīng)用中一般搭載單拼或五拼高清數(shù)碼相機(jī)，包括可量測(cè)相機(jī)與非量測(cè)相機(jī)等。

差分定位系統(tǒng)由GNSS 接收機(jī)、地面基站、差分系統(tǒng)組成，通過實(shí)時(shí)差分技術(shù)解算無人機(jī)的位置，即位置和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)（POS） 數(shù)據(jù)。

地面控制系統(tǒng)接收和傳遞無人機(jī)信號(hào)，對(duì)無人機(jī)進(jìn)行發(fā)送指令，控制無人機(jī)完成作業(yè)任務(wù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

本文研究的無人機(jī)大比例尺測(cè)圖技術(shù)基于傾斜攝影測(cè)量原理，通過無人機(jī)搭載五拼鏡頭，獲取下視、前視、后視、左視、右視影像，經(jīng)過影像匹配與空中三角測(cè)量技術(shù)，提取特征點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維模型重建，并基于實(shí)景三維模型進(jìn)行大比例尺地形圖繪制。

2.1 影像匹配

影像匹配根據(jù)相鄰重疊影像的同名點(diǎn)信息進(jìn)行提取匹配，通過同名點(diǎn)區(qū)域計(jì)算影像間的相對(duì)位置關(guān)系，通常采用尺度不變特征轉(zhuǎn)換（Scale Invariant Feature Tranform） 將各個(gè)影像數(shù)據(jù)匹配到同一坐標(biāo)系中，主要包括3 個(gè)步驟。

1) 特征提取。直接影響匹配速度與產(chǎn)品精度，所以項(xiàng)目實(shí)施過程中需均勻布設(shè)大量像控點(diǎn)。

2） 特征匹配。建立同名點(diǎn)區(qū)域影響間的位置關(guān)系，后見影像幾何關(guān)系模型。

3） 影像變換。將影像數(shù)據(jù)匹配至同一坐標(biāo)系下，實(shí)現(xiàn)影像的幾何變換。

2.2 空中三角測(cè)量

空中三角測(cè)量主要通過用較少的控制點(diǎn)，計(jì)算出位置坐標(biāo)與影像的外方位元素。采用光速法聯(lián)合平差的方法，光束法區(qū)域網(wǎng)平差是以影像為單位，利用每個(gè)影像與所有相鄰影像重疊區(qū)內(nèi)（航向、旁向） 的公共點(diǎn)、外業(yè)控制點(diǎn)，進(jìn)行整體求解每張影像的6 個(gè)外方位元素。每個(gè)攝影中心與影像上觀測(cè)的像點(diǎn)的連線就像一束光線[9-10]，見圖1。

圖1 光束法區(qū)域網(wǎng)平差

2.3 密集匹配與構(gòu)建三角網(wǎng)

通過多視角匹配技術(shù)生成密集點(diǎn)云，由密集點(diǎn)云生成三角網(wǎng)，三角網(wǎng)的復(fù)雜性直接反應(yīng)地形環(huán)境的復(fù)雜性，根據(jù)多視角拍攝獲取俯視與側(cè)面紋理，密集的點(diǎn)云直接反應(yīng)地形的三維信息。采用區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差來處理傾斜攝影數(shù)據(jù)，便于全面解決像片之間的幾何變形以及遮擋問題。通過POS 數(shù)據(jù)得到傾斜影像外方位元素，采用由粗到精的金字塔匹配策略在每一級(jí)像片上進(jìn)行同名點(diǎn)的自動(dòng)匹配以及區(qū)域網(wǎng)光束法平差，得到精度較高的同名點(diǎn)匹配結(jié)果。同時(shí)建立連接點(diǎn)與連接線、POS 數(shù)據(jù)與GPS/IMU 數(shù)據(jù)的傾斜圖像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差的誤差方程，對(duì)其采用聯(lián)合平差計(jì)算，來確保平差結(jié)果精度能夠滿足要求。

影像密集匹配是傾斜攝影測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)，并且傾斜圖像的籠罩區(qū)域大、分辨率高。所以，在密集匹配過程中可能會(huì)產(chǎn)生大量冗余信息的前提下，迅速精確地得到傾斜圖像的同名點(diǎn)坐標(biāo)，從而獲取地面物體的三維信息是傾斜影像密集匹配的重點(diǎn)。采用SFM 算法發(fā)展起來的多基元、多角度圖像匹配方法用于解決傾斜影像密集匹配。

2.4 紋理映射

實(shí)景三維模型紋理映射是將真實(shí)世界的圖像應(yīng)用于三維模型表面的過程，以使模型看起來更真實(shí)且細(xì)致。此方法將圖像轉(zhuǎn)化為適合于模型表面的數(shù)據(jù)，并將其映射到模型上。這些圖像由無人機(jī)航空攝影生成，以保證模型與真實(shí)世界場(chǎng)景的一致性。紋理映射將圖像與模型的特定區(qū)域?qū)?yīng)起來，以影像紋理貼圖至模型，構(gòu)建出實(shí)景三維模型，達(dá)到真實(shí)的視覺效果。

2.5 大比例尺地形圖繪制

基于完成后的精細(xì)化實(shí)景三維模型進(jìn)行矢量數(shù)據(jù)采集，以實(shí)景三維模型圖件為底圖進(jìn)行描繪繪制。通過地物數(shù)據(jù)采集與等高線、高程點(diǎn)提取最終形成大比例尺地形圖矢量數(shù)據(jù)。

3 實(shí)例分析與精度評(píng)定

本文以某村落1∶500 地形圖繪制項(xiàng)目為例，通過中海達(dá)iFly D1pro 無人機(jī)搭載五拼相機(jī)進(jìn)行工作區(qū)傾斜攝影測(cè)量，構(gòu)建實(shí)景三維模型，繪制地形圖。中海達(dá)iFly D1pro 無人機(jī)掛載傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)，集成1 個(gè)垂直相機(jī)和4 個(gè)傾斜相機(jī)，有效像素為1.2 億像素（2400×5），下視相機(jī)鏡頭焦距為25 mm，傾斜相機(jī)鏡頭焦距為35 mm。工作區(qū)海拔均勻，地勢(shì)平坦，俱備無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量條件。

3.1 像片控制測(cè)量

像控點(diǎn)布設(shè)根據(jù)測(cè)區(qū)實(shí)際情況劃分區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)，采用IMU/GNSS 輔助航攝，1∶500 地形圖測(cè)制，航線跨度不大于6 條，基線跨度不大于12 條。本次像控點(diǎn)之間按平均150 m 的格網(wǎng)間距均勻布設(shè)，且覆蓋整個(gè)試驗(yàn)區(qū)。噴涂標(biāo)識(shí)時(shí)應(yīng)以像控點(diǎn)為中心，噴繪像控拐點(diǎn)形狀，像控點(diǎn)的測(cè)量主要采用GNSS-RTK 方法。

3.2 航線規(guī)劃

根據(jù)傾斜攝影的數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗(yàn)，模型精度一般是地面分辨率的3 倍，因此，為滿足測(cè)圖精度，設(shè)計(jì)航攝分辨率為1.5 cm，設(shè)計(jì)航高時(shí)，傾斜相機(jī)的性能計(jì)算公式為

式中：a 為成像單元；GSD 為地面分辨率；f 為鏡頭焦距；H 為航攝高度。

由式（1）設(shè)計(jì)相對(duì)航高約96 m，為保證模型成果的精細(xì)化，航攝重疊率設(shè)計(jì)為航向重疊率80%，旁向重疊率75%，外擴(kuò)后飛行面積約0.6 km2，任務(wù)航時(shí)約50 min，航攝速度為8 m/s。

3.3 三維模型構(gòu)建

1） 整理航攝后的原始影像、相機(jī)文件及POS數(shù)據(jù)。

2） 對(duì)航攝后的影像進(jìn)行勻光勻色處理，使最終影像成果在視覺上的表現(xiàn)完整統(tǒng)一。

3） 將相機(jī)參數(shù)、影像數(shù)據(jù)、POS 數(shù)據(jù)導(dǎo)入建模軟件，進(jìn)行多視角影像特征點(diǎn)密集匹配，并進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)的自由網(wǎng)多視影像約束平差解算，建立在空間上相對(duì)位置關(guān)系準(zhǔn)確的區(qū)域網(wǎng)模型，完成相對(duì)定向；將外業(yè)測(cè)定的像片控制點(diǎn)成果，在內(nèi)業(yè)環(huán)境中進(jìn)行轉(zhuǎn)刺，利用這些控制點(diǎn)對(duì)已有區(qū)域網(wǎng)模型進(jìn)行約束平差解算，將區(qū)域網(wǎng)納入到精確的地面坐標(biāo)系統(tǒng)中，完成絕對(duì)定向。空中三角測(cè)量結(jié)束后應(yīng)及時(shí)查看精度報(bào)告以符合規(guī)定的精度要求。經(jīng)過空中三角測(cè)量得到每張像片的精確外方位元素后，在建模軟件里提交建模任務(wù)，設(shè)置相關(guān)參數(shù)并進(jìn)行自動(dòng)化建模處理，建立后實(shí)景三維模型示意圖見圖2。

圖2 實(shí)景三維模型示意圖

3.4 大比例尺測(cè)圖

從垂直、傾斜等不同角度采集影像，形成傾斜模型后，利用EPS 傾斜攝影測(cè)圖系統(tǒng)基于實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量數(shù)據(jù)采集，形成三維矢量化示意圖，見圖3。測(cè)圖內(nèi)業(yè)主要采集房角點(diǎn)及部分房屋附屬設(shè)施點(diǎn)，為充分驗(yàn)證內(nèi)業(yè)測(cè)圖的精度，將前期外業(yè)采集的部分房角點(diǎn)展入測(cè)圖系統(tǒng)，從三維場(chǎng)景中觀察，絕大部分的外業(yè)坐標(biāo)都在實(shí)景模型的角上。并通過利用三維模型對(duì)房屋的特征輪廓和點(diǎn)狀地物進(jìn)行矢量制圖，包括高程點(diǎn)的提取、操作過程中地物要素國(guó)標(biāo)的實(shí)時(shí)編碼、所有要素的矢量制圖，最終經(jīng)過圖形整飾形成大比例尺地形圖。

3.5 精度評(píng)定

1∶500 比例尺測(cè)圖完成后，根據(jù)野外實(shí)地測(cè)量點(diǎn)（以明顯特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量）作為檢核點(diǎn)，與基于無人機(jī)大比例尺測(cè)圖點(diǎn)位對(duì)比，見表1 的誤差精度評(píng)定表。

根據(jù)表1 誤差精度評(píng)定進(jìn)行分析，基于無人機(jī)大比例尺測(cè)圖技術(shù)的平面誤差與高程誤差滿足于1∶500 測(cè)圖規(guī)范要求，符合精度標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

本文論述無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的組成，探究其測(cè)圖關(guān)鍵技術(shù)，并經(jīng)過實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，得出以下結(jié)論。

1） 基于無人機(jī)航攝系統(tǒng)采集影像數(shù)據(jù)，制作實(shí)景三維模型，實(shí)現(xiàn)地形數(shù)據(jù)的矢量化，在大比例尺測(cè)圖上的應(yīng)用是可行的，其測(cè)量精度滿足測(cè)圖規(guī)范要求。

2） 無人機(jī)大比例尺測(cè)圖技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了測(cè)圖目的，而且其過程數(shù)據(jù)豐富了測(cè)繪成果，形成了實(shí)景三維模型，矢量圖與三維模型結(jié)合進(jìn)行后期使用線劃圖更加直觀。

3） 對(duì)比傳統(tǒng)大比例測(cè)圖方法，無人機(jī)大比例尺測(cè)圖技術(shù)降低成本投入的同時(shí)，生產(chǎn)效率大大提高，對(duì)于復(fù)雜區(qū)域數(shù)字測(cè)圖的生產(chǎn)，以無人機(jī)代替人力采集數(shù)據(jù)，安全系數(shù)更高。

綜上所述，無人機(jī)大比例尺測(cè)圖技術(shù)在項(xiàng)目生產(chǎn)中具有很大優(yōu)勢(shì)，外業(yè)數(shù)據(jù)采集較快，但如何提高內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理效率，如何提高影像數(shù)據(jù)質(zhì)量和空中三角測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量，需要進(jìn)一步研究。