无人机倾斜摄影三维建模实施方案研究

李乃强，陈 钰

(1.江苏省测绘工程院，江苏 南京 210013；2.南京市测绘勘察研究院股份有限公司，江苏 南京 210019)

0 引 言

传统大范围三维城市数字建模方法主要是测量建模的方法，主要采用外业人员手工拍照的方式得到建筑物的结构和纹理，然后通过内业人员的处理，结合正射影像、测区平面矢量图、屋顶矢量图等数据建立白模，再将拍摄的纹理分析模型的细部结构贴在白模上。传统建模方法虽然能在模型精细度上有很好控制，但存在生产工艺复杂、生产成本高、工作强度大、模型生产效果不确定等问题，无法满足城市大范围快速建模的需要。无人机倾斜摄影是以快速化、高精度的方式全面感知复杂场景，快速构建三维场景。技术优点主要有灵活机动、云下倾斜摄影影像分辨率高、大比例尺、操作简便、运行成本低等。但无人机技术目前属于发展阶段，技术手段并不完善，存在一些弊端，包括无人机体积小重量轻、在操控系统的控制下自动飞行稳定性差等。

无人机搭载的倾斜相机云台，分别通过5个不同方向的相机对测区进行影像采集，根据倾斜相机设备参数结合五镜头POS点信息，进行空三加密测量，获取每张像片的外方位元素，再基于影像确定房屋两侧点及基准面，建立初始几何模型，最终通过纹理映射及纹理坐标的建立、纹理的定位及轮廓线的配准、纹理的优选及渲染等进行建筑物三维模型构建。本文以MD4-1000无人机为例，详细介绍了倾斜摄影内外业技术路线、流程工序关键点、质量控制措施等内容。

MD4-1000无人机采用对称的四旋翼设计(图1、图2)，垂直起降，最高可飞到1 000 m，一般在500 m以下执行航拍任务，一个架次飞行25 min左右。能够在山地、楼顶等多种场地起降，机动性较强。机身、机翼全部采用碳纤维材料制造，重量轻、硬度高。航拍过程中，可以向地面站传回实时画面，遥控器能够显示飞机的实时位置、电量等信息，便于了解飞机的飞行状态。飞机下部的机载云台可以分别挂载数码相机、摄像机、倾斜摄影相机等设备以完成多种低空航拍任务。无人机在高压电磁环境下具有良好的抗干扰性和安全性。支持GPS、北斗定位，能够按设计航线自动航拍、自动悬停、自动返航。

图1 MD4-1000四旋翼无人机

图2 倾斜摄影镜头

1 技术路线

1.1 外业采集流程

(1)规划飞行区域

通过用户提供的界址坐标信息，在谷歌地球软件上将任务区域的范围标注出来，同时将区域范围及周边区域的图址信息缓存到本地并记录任务区域内最高点的海拔值。

运行飞控软件进行任务规划设计。在满足精度要求和飞行安全的前提下，任务规划需合理安排归航点的位置；选取合适的航向和旁向重叠度、计算摄区最高点航向和旁向重叠度, 计算摄区最低点地面分辨率。

(2)设定航线及飞行参数

按照地面分辨率和重叠度等参数，计算曝光点坐标，统计本次航摄的航线数、相片数、基线长度、旁向间距、总航程等参数。

(3)飞行采集拍照

设定任务并进行飞行采集，获取照片文件(图3)。

图3 外业采集成果

1.2 内业生产流程

无人机测量系统内业处理流程(图4)，最后生成内业数据处理成果(图5、图6)。

2 项目流程工序关键点

2.1 外业工序关键点

2.1.1 测区划分

在数据采集工作开始前，需要进行测区划分以及测区作业时间段规划两项工作。主要遵循以下原则或标准：

(1)测区划分标准：根据工作量、时间以及工作人员对测区进行划分，合理分工采集。

(2)测区作业时间段规划：按项目的实施计划来合理安排各测区的数据采集时间，时间段规划以周为单位。

图4 内业处理流程图

图5 数据解算

图6 贴图后三维成果

2.1.2 测区任务规划

任务规划是针对每个测区数据采集的前期准备工作(以天为单位)，成功的任务规划是顺利获取满足质量要求数据的保证。在任务规划阶段，主要包括采集前期准备及作业规划、采集方案确定两个阶段。

2.1.3 基站布设

在GPS动态差分定位中，随着移动站与基站的距离增加，移动站的定位精度会降低。因此，为了提高移动测量系统的POS定位精度(GPS定位精度达到厘米级)，需要在已知点上架设基站。

基准站的架设可参考《全球定位系统实时动态测量(RTK)技术规范》(CH/T2009-2010)图根点测量规范，移动站与基准站的最大距离一般控制在7 km以内。

2.2 内业工序关键点

通过软件解析、融合外业采集成果，建立三维模型。主要参考《低空数字航空摄影测量内业规范》(CH/Z 3003-2010)规范。

3 质量控制措施

3.1 数据采集要求

外业数据采集应按以下要求进行：

(1)作业员按照任务规划中原则选择合适硬件，并根据设计的采集时间、采集模式等进行数据采集；

(2)作业员需要随时关注天气等外界因素的影响，强烈的阳光以及阴天会导致影像质量降低；

(3)作业员在数据采集过程中需要严格按照系统使用说明书或相关操作规范来操作系统，避免误操作带来数据质量的降低以及系统的损坏；

(4)在城区以及高架等对GPS信号存在遮挡的区域，采集过程中，为了保证数据的精度，应尽量减短GPS信号中断的时间，在GPS信号中断后，由于惯性导航的精度随着时间的推移而快速降低，因此需要尽快将移动测量系统行使到GPS信号良好的区域，恢复组合定位定姿系统的精度后再进行数据采集；

(5)只在晴天、多云等空气可见度高的情况下采集数据，阴雨、沙尘、雾霾等不良天气不得进行数据采集；

(6)日景采集应避开阳光过强或过弱的时间采集，如黄昏、清晨等日照光线不足的时段。

3.2 外业阶段质量控制措施

(1)制定详尽的作业规范和质量检查规范；

(2)所有参与人员培训合格后上岗；

(3)实行“二级检查，一级验收”制度，保障项目质量。

3.3 内业阶段质量控制措施

(1)制定详尽的作业规范和质量检查规范；检查内容包括成果覆盖完整性、成果规格一致性，成果内容完整性、规范性；成果精度质量等；

(2)所有参与人员培训合格后上岗；

(3)实行“二级检查，一级验收”制度，保障项目质量。

3.4 数据安全措施

(1)执行项目前，涉及项目人员统一组织学习国家保密相关法律，包括《中华人民共和国测绘法》、《中华人民共和国国家安全法》和《中华人民共和国保守国家秘密法》等法律，从思想上高度重视地理信息安全的重要性，提高保密安全意识，通过了保密相关法律测试，并签订了保密协议。

(2)严格按照《中华人民共和国测绘法》、《基础测绘条例》法律法规进行外业地理信息数据采集。

(3)严格执行《重要地理信息数据审核公布管理规定》，对重要自然和人文地理实体的位置、高程、深度、面积、长度等位置信息数据和重要属性信息数据保密。

(4)做好测绘资料的保密管理，防止资料泄密或遗失；做好工作计算机的维护管理工作，电脑要安装防病毒软件，与外界的计算机互联网保持物理隔绝，测绘资料和作业数据严禁对外提供。

4 结 语

无人机倾斜摄影技术改变了传统测绘的作业方式，通过无人机低空多镜头摄影获取高清晰立体影像数据，自动生成三维地理信息模型，快速实现地理信息的获取，具有效率高、成本低、数据精确、操作灵活、侧面信息可用等优点。能够满足测绘行业的不同需求，将在城市空间数据建设中有着巨大的发展潜力，可在新型基础测绘、智慧城市、应急测绘等多个领域发挥重要作用。本文介绍的无人机倾斜摄影内外业技术路线及质量控制措施等内容，将为同类项目的开展提供有益借鉴。