基于单镜头的无人机倾斜摄影测量方法及其精度分析

高永涛，张 寅，胡 洋

(1.陕西能源职业技术学院，陕西 咸阳 712000； 2.自然资源部第一地理信息制图院，陕西 西安 710054；3.西安市勘察测绘院，陕西 西安 710054)

随着城市规模的不断扩大，摄影测量在城市规则工作中的应用也越来越广泛，摄影测量能够以非接触的方式获取建设规格数据，无人机技术与倾斜摄影技术的结合进一步提高了测量工作效率，为城市空间的合理布局奠定了坚实的数据基础。国内学者对此进行很多研究，文献[1]研究了无人机倾斜摄影测量技术在延安治沟造地中的应用；文献[2]分析了无人机倾斜摄影测量技术在城市基础测绘中的应用；文献[3]分析了无人机倾斜摄影测量技术在铁路突发地质灾害应急抢险中的应用。基于此，本文对基于单镜头的无人机倾斜摄影测量方法及其精度进行了分析。研究为后续无人机倾斜摄影测量提供了借鉴。

1 倾斜摄影的基本原理

倾斜摄影以无人机为飞行平台，通过架设在无人机上的摄像头以倾斜的视角来采集建设物纹理信息，进而获取其规格参数，并将所采集到的数据用于建筑改建或城市规划，其基本原理如图1所示[3-4]。

图1 倾斜摄影与垂直摄影Fig.1 Oblique and vertical photography

根据图1可知，倾斜摄影比垂直摄影更方便从建筑物的侧面进行观察，有效测量范围更大，可以更加完整地描述建筑物表面纹理。

2 单镜头无人机倾斜测量方案设计

2.1 无人机选型

此次研究所选用的无人机设备为Phantom 4 Pro小型旋翼无人机，该型号无人机只能安装一颗摄像头，但也具备飞控、云台等关键模块和功能，质量1 368 g，最大单次飞行时间30 min，相对飞行高度500 m，最大遥控距离7 000 m。Phantom 4 Pro无人机还安装有一枚CMOS影像传感器，支持最大分辨率为5 472×3 648，拍摄焦距9 mm，像元尺寸2.4 μm。

2.2 影像采集流程

无人机倾斜摄影测量影像采集的基本流程：①做好前期设备准备工作，确定测区位置；②规划航线，结合当前的实验要求与现有的地形资料设计航线，计算无人机飞行高度、摄影比例尺等重要参数；③航摄飞行，结合自动飞行和手动飞行两种方式将无人机上升至预定的飞行高度，以自动飞行模式执行任务；④巡航飞行，由地面站对拍摄情况和飞行情况实施监控，确保无人机与地面站之间的通信顺畅[5-8]。

2.3 确定无人机飞行参数

(1)确定飞行高度。在确定般摄相机一般参数的情况下，首先确定相机的焦距和像元尺寸，结合地面分辨率来确定无人机的飞行高度。计算方法：

(1)

式中，a为像元尺寸；f为镜头焦距；GSD为地面分辨率。

(2)航向、旁向重叠率。航摄所获得的立体相是由2张相邻像片重叠所形成的，所获影像之间也因此存在一定程度的重叠，而这种重叠又包括航向重叠和旁向重叠2种[9-10]。航向重叠指的是沿无人机航线方向的像片重叠，旁向重叠指的是相邻航线之间的像片重叠。具体形式如图2所示。

图2 航向重叠和旁向重叠Fig.2 Course overlap and side overlap

计算航向重叠度的具体方法：

(2)

式中，A为航向重叠度；Lx为单张像片长度；Px为相邻像片航向重叠长度。

计算航向重叠度的具体方法：

(3)

式中，A为航向重叠度；Ly为单张像片宽度；Py为相邻像片旁向重叠长度。

(3)确定摄影基线长。摄影基线长指2次曝光瞬间镜头中心之间的间距，计算方法：

L=(1-A)×m×a×H/f

(4)

式中，m为航向像元；L为摄影基线长。

(4)确定航带间距。相邻2条航线之间的距离即为航带间距，计算方法：

B=(1-D)×n×a×H/f

(5)

式中，B为航带间距；D为旁向重叠度；a为像元尺寸；n为影像横向像元数。

2.4 航摄方案设计

此次研究采用“井”字形的航线摄影方案，具体形式如图3所示。

图3 “井”字形的航线规划方案Fig.3 Route planning scheme in the shape of "well"

(1)下视航线设计。下视航线具体设计方案如图4所示。

图4 下视航线设计方案Fig.4 Down-view route design plan

在规划航线之前，首先要依照常规面积航空摄影方法建立平等直线航线，对摄站点间隔进行合理规划，完整覆盖测区，旁向重叠不低于30%，航向重叠不低于60%。

(2)前、后视航线设计。前、后视航线的规划要求下视航线与航线方向一致，此次研究将相机倾角设置为-60°。倾角绝对值与建筑物高度呈正比，前、后视航线设计方案分别如图5和图6所示。

图5 前视航线设计方案Fig.5 Forward looking route design plan

图6 后视航线设计方案Fig.6 Rear view route design plan

(3)左、右视航线设计。左、右视航线的规划要求最大程度地垂直于前、后视航线，本次研究将相机倾角设置为-60°，左、右视航线设计方案分别如图7和图8所示。

图7 左视航线设计方案Fig.7 Left view route design plan

3 单镜头无人机倾斜摄影测量精度分析

本次研究从对单镜头无人机倾斜摄影测量的平面精度进行验证，在选定的试验区域内设置20个平面检查点，其分布状况如图9所示。

图8 右视航线设计方案Fig.8 Right view route design plan

图9 检查点分布状况Fig.9 Check point distribution

平面精度分析结果如图10所示。

图10 平面检查点精度分析结果Fig.10 Analysis result of plane checkpoint accuracy

根据图10可知，单镜头无人机倾斜摄影测量的平面精度误差普遍在0～0.3 m，基本满足如《三维地理信息模型数据产品规范》(CH T9015—2012)所提出的要求。

4 结语

本文对单镜头无人机倾斜摄影测量的基本方法进行了详细的介绍，通过Phantom 4 Pro小型旋翼无人机及其搭载的CMOS影像传感器进行了实地摄影测量，并对摄影测量的平面精度进行了分析，所得出的测量结果基本满足《三维地理信息模型数据产品规范CH T9015—2012》所提出的要求。在未来的研究工作中，还需要进一步加强旋翼无人机搭载多颗镜头情况下对于建筑实体的测量方法研究，合理运用图像处理算法，进而丰富测量结果的数据内含。