单目无人机倾斜摄影在山地建模中的应用

李旭阳 陶博文

摘要：无人机凭借着其高速、灵活、安全、成本低廉等一系列的优势，在农林业、电力巡检、国土资源勘查以及山地地形测绘等领域得到了广泛的应用。无人机航测与传统测量方法相比效率大大提高，已经逐渐成为山地复杂地形测绘的主要方法之一。基于此，本文提出一种单目无人机倾斜摄影方法，利用目前市面上常见的消费级无人机对高山滑雪竞技结束区平台进行倾斜摄影建模实验，通过合理设计多条重叠航线，达到与多目无人机拍摄相同素材采集效果。结果表明，采用本文提出的方法构建出的三维模型，可以很好的反映场地各立面的信息，结果较为精确，可用于指导现场施工。

Abstract： UAV has been widely used in agroforestry， electric power inspection， land resources exploration and mountain topographic mapping， etc. due to its high speed， flexibility， safety and low cost. UAV aerial survey is much more efficient than traditional survey methods， and has gradually become one of the main methods for mountainous complex terrain mapping. Based on this， this paper proposes a monocular UAV tilt photography method， which uses the current consumer-grade UAVs on the market to carry out tilt photography modeling experiments on the alpine skiing competition end zone platform， and rationally design multiple overlapping routes to achieve Shoot the same material with the multi-head drone. The results show that the three-dimensional model constructed by the method proposed in this paper can reflect the information of each fa？ade of the site well， and the results are more accurate and can be used to guide the construction on site.

關键词：单目无人机;倾斜摄影;三维建模

Key words： monocular unmanned aerial vehicle;tilt photography;3D modeling

中图分类号：P231                                         文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）12-0161-04

0  引言

传统的工程测量主要是依托人力和各种专业测量设备采集在工程建设各阶段与地形或位置有关的数据信息。随着社会的发展，传统的测量方法由于受限于地形的复杂程度高、测量范围广、测量步骤繁琐、后期成图不直观等因素。渐渐难以满足现代工程建设地理信息大数据采集的需求。摄影测量作为一门高效便捷的测量新技术应运而生。摄影测量是指采用带定位的光学照相机获取相片，通过后期分析，对所拍摄物体进行量测、记录、分析的一门技术。因其设备轻便、不需直接接触物体、受地形限制少等特点逐渐在各类地理信息数据采集中得到应用，例如上世纪90年代，加拿大拉瓦尔大学的Carl Gravel等人将数码相机挂载在全站仪上，开发出了一套摄影全站仪CAPS。但仅利用光学照相机进行摄影测量并未解决在测量大范围、地形复杂的场景下工作效率低的问题。随着20世纪末无人机技术的发展，特别是本世纪民用无人机的普及，让摄影测量技术得到飞速发展。通过在无人机上搭载光学照相机进行地理信息采集，能从不同角度对物体进行测量，且无人机在飞行时不受地形起伏的影响，飞行速度也较快。无人机航测分为正摄影像测量和倾斜影像测量，正摄影像测量是指采用固定角度的照相机（一般是垂直地面）进行拍摄，其仅能反应待测物体的顶部信息，并不能完整的获取拍摄物体的侧立面信息，对待测物体的高度反馈也不灵敏。倾斜摄影测量是指在无人机从不同角度对测量物体进行信息采集，其能很好的反应出被测物体的侧立面信息，对物体的表面纹理也能很好的还原。其采集的数据相较于正摄影像呈倍数的增长，对后期计算机图像处理提出了较高的要求。但由于现在计算机特别是工作站在数据图形处理性能上的爆炸式增长，这个原本处于金字塔顶端的测绘技术也变得“亲民”了。

较早应用倾斜摄影相机的是徕卡公司推出的ADS40三向数码相机，它主要是从前、后、下三个角度获取拍摄物体的影像。之后如微软的UltraCam Osprey Oblique Camera System倾斜相机、欧洲的MIDAS倾斜相机都为五向数码相机，能够从前、后、左、右、下五个角度获取拍摄物体的影像，信息更加全面。与国外相比，我国倾斜摄影测量技术发展较晚，国内的倾斜摄影测量系统也是在最近几年才陆续推出，如四维远见公司的SWDC-5、中测新图的TOPDC-5等。目前，武汉、上海、天津、柳州等多个城市已经开展无人机倾斜摄影三维城市建模的工作，得到的三维模型可用于城市空间规划和辅助决策等。中海油、中石化等大型企业也在寻找油气资源等领域引入倾斜摄影技术。

1  概述

国家高山滑雪中心项目位于北京市松山自然保护区内，是2022年北京冬奥会雪上项目的举办场所之一，由中交隧道工程局承建的国家高山滑雪中心第二标段施工范围为除C1/B1雪道之外的全部雪道及连接雪道的技术道路。雪道平均坡度达到50%。且雪道两侧都是需要保护的树木，严禁砍伐。传统的全站仪由于不通视，在山地难以应用，只能采用RTK进行测量。加之山区作业高差大、区域分散，采用传统的方式进行人工测量效率低下，且在测量过程中容易产生安全隐患，当发生信号丢失或相同频段的干扰，测量精度就会大大下降，影响施工。基于此，将倾斜摄影技术引入对山地地形数据的采集中，能很大程度的减少测量人员的工作量，大大提高测量工作效率，同时降低施测过程中潜在的安全隐患。由于无人机定位和RTK基站所使用的传输方式不同，几乎不会受到其它基站的干扰，其采集的数据质量也能得到保证。本文提出一种单目无人机倾斜摄影技术来部分替代传统的人工测量，通过采用多条航线并行加地面基准点校准的方式采集测量物体各立面的信息，在后期处理软件上生成点云，并通过提取照片中的纹理信息对测量物体进行三维建模还原，获得符合要求的地理信息数据。

2  单目无人机倾斜摄影步骤

一般而言，单目无人机倾斜摄影只是在数据采集过程中区别于多目无人机。从数据采集到最后生成三维模型的步骤可以由图1表示。

在踏勘阶段，首先要明确需要拍摄的山区范围和无人机起飞场地，为了避免出现数据缺失的情况，需要加大范围拍摄。另外，还需确定拍摄影像信息的分辨率并根据需要的分辨率选择相应的无人机飞行高度，表1为飞行高度对应的分辨率。

为了保证无人机航测的精度，在航测飞行前，需在待测场地内布置若干控制点，控制点为已知地理位置信息的点（经纬度、高程）。控制点一般不选待测场区内的边界点。且根据“金字塔”法则，控制点尽可能均匀分布在整个待测山区。控制点设置数量应适宜，过多的控制点会造成后期图像处理工作量增加。

在单目无人机信息采集时，通过采用多条相互交叉的飞行航线代替多目无人机单条航线采集的图像信息。一般航测一块区域需要设计五条航线，无人机航线分布如图2。

图2黑色部分为待测区域，灰色部分及黑色部分为无人机设计的五条航线。其中中间黑色部分的航线摄像头垂直向下拍摄，旁边四条灰色部分的航线摄像头与地面呈一定角度拍摄。由上图可知，利用单目无人机进行倾斜摄影其飞行区域面积一般是待测区域的5倍。

在规划好无人机飞行路线后，需要让无人机在之前选择的控制点分别起飞一次，飞行高度為进行航测时的飞行高度，有条件的可以在无人机上垂直向下挂载一个红外激光灯，使飞机飞到设定高度后与控制点经纬度重合。重合后调整无人机姿态并拍摄一张照片留待后期处理使用。

在校正完无人机位置后，按照之前设计的多条飞行路线进行无人机航测，拍摄一定数据的照片。注意无人机的飞行时间，在电量不足以满足一条航线的飞行拍摄时，应提前返航更换电池。避免电量不足提前返航。

在采集到一定数量的照片后，开始进行室内处理。本文采用ContextCapture软件进行后期倾斜摄影建模处理。该软件由主界面软件、计算引擎软件和视图软件三个子软件配套而成。是目前市面上运用较为成熟的一套倾斜摄影建模软件。通过在软件中进行照片点位校正、建立空三模型、计算三维模型和纹理映射等步骤得到立体的三维模型和倾斜影像图。

山地地形的测量结果及生成的三维模型需要进行检查点校核，当纹理缺失或测量精度不达标时，需要根据缺失的数据或图像进行外业补测工作。

3  实地试验

测区位于2022年国家高山滑雪中心竞技结束区，是北京市松山自然保护区核心区。场区面积约3800m2，测区内平均高程1489m，为两山之间的沟谷地段，在开工初期由挖掘机平整出一个不规则的椭圆形平台，赛时为大小回转和团队回转赛道的缓冲区，施工期为建设项目的临建平台，很好的做到了永临结合。由于测区内地形较为平缓，具备无人机起飞条件，因此选择该区域为本次试验的测试区。

测区的控制点为：①453873.4947、375686.8794;②453913.2368、375618.852;③453862.8207、375611.9733;④453839.531、375647.6398。

本次试验所用的无人机型号为大疆精灵4pro，作为目前市场上较为成熟的民用无人机厂商，大疆无人机在飞控、续航、图传上的表现都比较好，快门曝光时间最短为1/8000s，单张照片像素最高可达2000万。试验前先用RKT在测取内选取4个点作为控制点，用于校正后期拍摄照片点位。试验采用Altizure第三方飞控软件进行航线规划和拍照控制，规划了5条航带，其中第一条航线相机垂直地面，第二至第五条航带相机与地面夹夹角62°，无人机飞行时相对高度设计为80m，飞行速度为4m/s，拍照间隔为6s。航向重叠率80%，旁向重叠率80%。本次实验共拍摄160张照片。航线设计如图3所示。

在室外航测工作完成后，将得到的照片导入ContextCapture软件中，利用4个控制点校正整片区域采集到的照片信息，经过空三解算和纹理映射后，得到测区内倾斜摄影三维模型。整个区域被剖分成21块矩形片理，片理之间采用三角网格剖分，相邻片理之间剖分加密。

在解算完空三网格后，进行像片纹理映射构建最终的三维模型。为了比较倾斜摄影模型的优越性，本次试验采用在同一区域采集的32张正摄影像进行三维建模，将二者得到的模型进行对比。图4、图5所示。

由图4、图5可知，相较正摄影像，倾斜影像能采集更多物体侧立面信息，且模型表面纹理过渡更加平顺。最明显的区别就是图7和图8中红色矩形框内，倾斜摄影能很好的表现出LED屏幕的全貌，而正摄影像表现出的LED屏幕中间是破碎的，这是由于无人机在飞行时，垂直的镜头与屏幕平行，不能采集到屏幕侧立面信息。

4  后处理分析

为了检验倾斜摄影模型的精度，通过随机提取模型中若干点位置信息及选取合适的待测物体进行长度、面积、体积量测，进行误差分析。同时，通过分析PC端处理倾斜摄影数据的效率，来验证倾斜摄影建模的高效性。

4.1 平面精度的检查

为了检测生成的三维模型方位精度，利用RTK实地量测了5个平面检查点，提取模型上相同点位的方位信息。位置信息统计表如表2所示（经过归一化）。

根据表中的△X，△Y和△XY数据，由误差公式M=[（△XY）2/（n-1）]1/2，可知，检查点的点位误差平均值为 4.99cm。满足雪道边线误差控制在5cm内的要求。

4.2 高程精度的检查

为验证生成的三维模型的高程精度，选用如上文所示的5个检查点。提取模型上相同点位的高程信息。高程信息统计表如表3所示。

采用三角网格内插法计算出模型中某个点位的高程。依据公式M=（△Y2/（n-1））1/2，计算本次高程误差平均值为18.28cm，满足雪道高程误差控制在25cm内的要求。

4.3 距离、面积精度的检查

在得到的模型中进行距离、面积测量精度的检查。下面分别说明：

图6、图7所示为利用倾斜摄影模型测量施工现场临时办公楼大小，图中黄色线为在模型中拉出的测线。图6选取临时办公楼最长轴进行距离测量。如图测得的临时办公区楼36.29m，与实际长度36.5m误差控制在0.6%以内，吻合较好。图7选取临时办公楼从二楼楼顶到混凝土路面的高度进行测量，如图测得的临时办公楼高5.66m，与实际高度5.7m误差控制在0.7%以内，吻合较好。

图8所示为利用倾斜摄影模型量测竞技结束区平台的面积，按照设计图纸上给出的形状在图中选择适当的点位圈出相应的面积，见图中黄色部分。最终圈出的面积为3774.3m2，与平台实际面积3800m2吻合較好，误差控制在0.7%以内。

5  结论

利用无人机倾斜摄影进行山地建模是一个综合性强、涉及面广的问题。本文提出了一种基于单目无人机倾斜摄影进行山地建模的方法。通过试验检测证明了单目无人机倾斜摄影的可行性，能较好的用于部分替代传统的山地人工测量工作。但是采用单目无人机无法很好的定位移动的物体。同时，航测得到的模型精度仍不足以满足更高精度要求的山地施工作业。因此，如何对移动物体进行建模以及如何提高单目无人机航测精度将是下一步研究方向。

参考文献：

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