免像控无人机高清倾斜摄影三维建模精度分析

罗 枫

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

1 概述

无人机倾斜摄影测量技术颠覆了以往只能从垂直角度拍摄的局限。该方法可从多个视角采集影像，更加真实地反映地物情况和地理信息，包括外观、位置、高度等属性，弥补了传统二维制图的不直观、人工建模仿真度低的缺陷[1-2]。然而，对于地形落差较大的区域，常规无人机倾斜摄影难以获取高分辨率的影像数据，为满足工程需求，通常需要布设大量的地面控制点，并将模型转换为铁路工程所需坐标系，这将大大增加航测工作量和延长生产周期。

以下探索单镜头无人机在不同航高模拟倾斜摄影[3]，辅以人工细节拍摄，并利用网络RTK(Real-time kinematic)的方式获取曝光点高精度大地坐标，再对其三维坐标进行转换，以实现采用免刺像控点的方式进行工程所需坐标系的模型重建。

2 无人机倾斜摄影测量作业流程

图1为无人机倾斜摄影测量技术流程，无人机倾斜摄影测量主要包括航飞前准备工作、外业航飞作业、内业数据处理3方面。其中，关键步骤为外业航线设计和内业空三加密[4]。所使用的免像控方法无需进行像控点布设、GPS差分数据处理及像控点量刺，能极大地节省内外业时间，为抢险救援赢得宝贵时间。

图1 无人机倾斜摄影技术流程

3 实例分析

3.1 项目简介

2019年7月底至8月中旬，受持续强降雨影响，四川凉山州地区发生数次山体崩塌等地质灾害，致使西南山区某铁路部分段落冲毁，被掩埋线路长达70 m。为及时开展抢险救灾工作[5]，需要对受灾区域进行快速三维地形重建。

测区位于牛日河峡谷区域，东西长0.5 km，南北长约1 km，覆盖面积约0.5 km2；测区地形高差约400 m，地形等级为Ⅳ级[6]。

3.2 免像控倾斜摄影无人机系统

无人机倾斜摄影通常采用五镜头或者多角度两镜头，为增加续航减轻重量，工业级无人机通常不配备避障模块。但测区内现场交通中断，地灾体随时有二次崩塌的危险，常规地面测量和控制点布设难以进行。因此，使用带避障功能的大疆Phantom 4 RTK版无人机。该无人机是一款小型多旋翼高精度航测无人机，主要面向低空摄影测量，具备厘米级导航定位系统和高性能成像系统，可以实现免像控倾斜摄影数据的采集，数据生产符合《低空数字航空摄影规范》、《三维地理信息模型数据产品规范》的相关要求[7-8]。

为实现免像控三维重建，首先应提升曝光点的坐标精度。 Phantom 4 RTK集成全新RTK 模块，可通过4G无线网卡或 WiFi 热点与 NTRIP(Networked Transport of RTCM via Internet Protocol)连接，提供实时厘米级定位数据。该无人机基本参数如表1所示。

表1 Phantom 4 RTK无人机基本参数

其次，应修正曝光时间延迟及天线相位中心偏置。Phantom 4 RTK可实现飞控、相机与 RTK 的时钟系统微秒级同步，相机成像时刻毫秒级误差。此时，应对相机镜头光心位置和 RTK 天线中心点位置进行补偿，以减少位置信息与相机时间误差，为影像提供更精确的位置信息。相机基本参数如表2所示。

表2 相机参数

3.3 倾斜摄影航线设计

常规无人机倾斜摄影测量一般设计为定高航线，通过单向飞行即可获取多角度影像纹理数据。但在大落差山区，特别是山脚等重点关注区域，其分辨率往往较差。

Phantom 4 RTK无人机为单镜头，通过调整云台角度和航向角即可进行五向飞行，以模拟常规倾斜摄影[9]。

由于滑坡和崩塌所在位置落差较大，常规的倾斜摄影航线难以顾及山体侧面尤其是山脚处。因此，决定采用“模拟倾斜摄影”及“地质灾害部位高清补拍”的航线设计方案进行航飞作业。航线敷设示意如图2，具体方案如下。

(1)倾斜航线

综合考虑测区地形高差与起飞点高度，采用角度30°、相对起飞点航高400 m、井字形的倾斜航线，航向重叠度为75%，旁向重叠度为70%，以获取整个区域的倾斜影像数据。

(2)手动拍摄

为提升地质灾害体重点关注部位的光学分辨率，满足高分辨率三维模型重建，采用手动模式，距离被拍摄物约30 m对山体崩塌部位及铁路线位置进行多角度拍摄，以获取分辨率优于2 cm 影像数据。

(3)中间高度航线

由于手动拍摄的影像分辨率与固定航高的正射影像分辨率相差较大，在采用免刺控制点时，空三容易分层，而采用手工添加连接点的方式又会极大增加内业工作量[10]。因此，决定添加相对航高300 m、200 m、150 m，航向重叠度70%，旁向重叠度60%的航线，以获取测区的正射影像数据。

图2 航线敷设示意

3.4 内业空三及建模处理

(1)曝光点坐标转换

传统的倾斜摄影测量曝光点坐标精度较低，为获取高精度模型成果，将成果转为工程独立坐标系，通常需要布设大量可靠的像控点，但是对于抢险项目，像控点往往无法布设。通过网络RTK可获取曝光点的高精度三维坐标，平面坐标可直接利用Global Mapper软件，将经纬度坐标投影转换为工程所需的平面投影坐标。然而，使用Phantom 4 RTK进行影像数据采集时，获取的曝光点高程坐标是大地高系统，而一般铁路工程制图采用正常高系统。因此，需要对曝光点坐标的高程系统进行转换。

为了实现转换，可将测区高程异常值看作常数[11]，采用求取测区平均高程异常值的方法进行高程异常改正，具体方法如下：在测区内的铁路干线线位附近，选取适量具有大地高和正常高2套坐标系成果的已有控制点数据，计算测区平均高程异常值[12]。

(2)三维场景重建

外业数据整理后，使用Context Capture Center软件进行空三计算和模型重建。传统倾斜摄影测量需要在获取影像中进行像控点量刺，再进行空三计算。免像控方法则无需量刺，自动空三处理后，即可开始模型生产，较传统方式可节省1/3的内业工作量。最终获得如图3所示三维实景模型。

图3 三维模型效果

如图4所示，在添加了手动拍摄的山体侧面、重点工点细节影像后，可以清楚地辨别山体细微裂缝、铁路及其附属设施重要细节构造等，使得基于实景三维模型的细微地理量测和监控成为可能，可为应急灾害抢险工作提供可靠的基础地理数据。

图4 三维模型增加细节拍摄前后对比

3.5 测区三维重建模型应用

三维模型重建不仅可以展示测区地形情况，还能进一步生产多种形式的数字地形产品，辅助相关工作人员决策、展开抢险和施工工作，包括地形图绘制、滑坡体断面采集和塌方量计算等[13]。若需进行周期性倾斜摄影及建立每期的三维模型，则可在地质灾害区布设监测点，以监测灾害体的变形趋势等[14-15]。

3.6 免像控精度验证

为验证三维模型的精度，将实测三维坐标与模型三维坐标进行比较，结果如表3所示(平面中误差为0.246 m，高程中误差为0.220 m)。

表3 模型三维精度统计 m

由《三维地理信息模型数据产品规范》的相关内容(如表4、表5所示)可知[7]，采用该方法可满足1∶1 000比例的三维精度要求。

表4 平面精度要求 m

表5 高程精度要求 m

4 总结

采用不同航高航线设计、手动操控细节补拍的方法，可以清晰捕获地质灾害体的细节纹理，解决常规无人机倾斜摄影对于大落差山体无法获取高分辨率图像的问题，以及影像分辨率差异过大导致空三计算容易分层的问题。使用网络RTK无人机进行倾斜摄影，可以精确记录曝光点位置；在小范围内，通过既有铁路控制点的大地高和水准高求取测区平均高程异常值，并将其作为常数对曝光点三维坐标进行转换，最终在免刺控制点条件下实现“正常高系统”的高分辨率三维模型重建，该模型成果可直接用于二维、三维地形图生产。