基于旋翼无人机的快速倾斜摄影测量作业研究

樊丰新，孙建军

（1.天津市勘察设计院集团有限公司,天津 300191）

构建城市社区空间地理三维模型,需要纹理真实直观、定位信息准确的影像数据作为支撑[1]。传统三维建模数据采集周期长、成本高,且易出现地理信息少、纹理失真、精度低等问题[2]。倾斜摄影测量克服了只能从垂直角度获取影像的局限,可获得不同角度高分辨率的建筑物侧面纹理信息,从而降低三维建模成本[3]。旋翼无人机倾斜摄影测量实施方便,三维建模软件自动化程度高,三维景观表现好,三维裸眼测图、真正射影像制作等后期数据处理技术基本成熟,能满足一般用户的需求。然而,将旋翼无人机倾斜摄影三维建模技术应用于应急测绘时,不仅要求快速生成逼真的三维模型,而且需要基于三维模型进行精确的测量分析,这对三维建模的效率、精度和表现效果提出了更高的要求[4]。本文基于城市社区测量实践分析,研究了无人机倾斜摄影的生产作业流程,探讨了快速高质量测量作业的实施方案,提出了一套提高旋翼无人机三维建模质量和效率的方法。

1 基于倾斜摄影测量的三维建模技术

1.1 技术流程

首先利用旋翼无人机倾斜摄影测量技术获取多视角垂直、倾斜数字影像,然后经过数据处理生成密集三维点云数据,最后结合自动化实景三维建模方法获得真实的三维地理信息场景。其作业过程包括摄影规划、影像获取、影像预处理、像控点布设与测量、区域网联合平差、倾斜影像密集匹配、数字表面模型点云生成、不规则三角形格网构建、纹理映射和实景三维建模等环节[5],如图1所示。基于倾斜摄影测量技术的三维模型构建包括影像匹配、空中三角测量、密集匹配、构建三角网和纹理映射5个关键流程。

图1 小区域快速勘测技术流程图

1.2 倾斜摄影测量数据处理软件

倾斜摄影测量数据处理软件能对多源、海量照片自动构建带有图像纹理的三维格网模型,具备同名点自动选取、多视匹配、三角网构建、自动赋予纹理等功能,支持生产通用格式三维成果数据,能输出不同分辨率的通用格式真数字正射影像和数字表面模型成果数据。目前市场上实景三维建模软件包括:①法国AirBus公司像素工厂,能实现对航空航天遥感影像的全自动处理,作为像素工厂子系统的街景工厂能全自动处理倾斜影像构建的三维模型,具有人工干预少、处理效率高的特点；②Bentley公司ContextCaptrue软件,能在倾斜影像上进行空中三角测量,其精度满足要求后可自动生成实景三维模型；③Skyline公司PhotoMesh软件、Intergraph公司DMC软件和徕卡公司的LPS工作站等都具备处理倾斜影像数据的能力[6]。

1.3 无人机倾斜摄影测量质量控制

1.3.1 飞行质量检查

在人工建筑物区域,航向重叠度应不小于80%,旁向重叠度应不小于80%；在自然障碍物区域,航向重叠度应不小于80%,旁向重叠度应不小于75%；在开阔地区域,航向重叠度应不小于70%,旁向重叠度应不小于65%。航摄飞行俯仰角一般不大于10°,最大不超过20°,出现超过15°的相片数不大于总数的5%。横滚角一般不大于3°,最大不超过15°,出现超过6°的相片数不大于总数的5%。同一条航线内航向角互差一般不大于5°,相邻航线航向角互差约为180°。同一航线上相邻相片的航高差应不大于3m,最大航高与最小航高之差应不大于5m,实际航高与设计航高之差应不大于3m。航摄中出现的航摄漏洞均应及时补摄,应采用相同的数码相机在相同的气象条件下补摄,补摄航线的两侧应超出漏洞之外两条基线。

1.3.2 相片质量检核

相片应清晰、层次丰富、反差适中、色调柔和；应能辨认出与地面分辨率相适应的细小地物,能建立清晰的立体模型；不应有烟、污点、大面积反光、云影等缺陷。

1.3.3 像控点测量成果检查

利用CORS站进行RTK测量:选择固定点位进行重复观测,每次观测坐标与前日互差应不大于4 cm。利用已知点进行RTK测量:每次测量前后应在同一已知点上进行检核,当检核坐标满足要求后才能进行测量作业,测量结束后还应对控制点进行检核,检核方法同测前。同一点位应观测4测回,测回间平面坐标互差和高程互差均应不大于4 cm。

1.3.4 空中三角测量精度要求

参照GB/T 23236-2009《数字航空摄影测量 空中三角测量规范》的有关要求,对成图区域进行空中三角测量,检查点平面位置中误差、高程中误差。内业加密点对附近野外控制点的平面位置中误差、高程中误差应符合表1规定。

表1 空中三角测量平面位置中误差、高程中误差要求/m

2 三维建模实践

2.1 实验区概况

实验区为某城市面积约为0.2 km2的区域,东西长约400 m、南北宽约500 m,平均海拔为40 m,最大地面高差为23 m,地形地貌以楼房、城市道路和林地为主。

2.2 方案实施

人员配备（共4人）:航飞组2人,像控测量组2人,内业数据处理2人（出自前2组）。设备投入:无人机系统1套,车辆1台,RTK 1套,数据处理工作站1台。方案实施时间如表2所示。

表2 方案实施时间表

2.3 像控点测量

由于实验无人机航摄系统自带高精度差分POS,可大量减少地面像控点数量,因此像控点布设的原则为:①最小化外业工作量和强度；②不均匀布点,测试极限条件下的产品精度。实验区为0.2 km2的小区域,仅需布设5个像控点,大体布设在4个角隅和中心,如图2所示。

图2 像控点分布图

像控点使用南方银河1plus接收机,采用网络RTK方式进行测量,每个点测3个测回,每个测回平滑10次,取其平均数作为最终值。测回间平面X、Y方向较差小于1 cm,高程方向较差小于2 cm。

2.4 无人机航摄

实验设计1个航摄架次,按南北方向敷设7条航线（图3）,航向重叠度为70%,旁向重叠度为60%,航高为120 m,地面分辨率为4 cm,采用高精度GNSS差分POS数据作为相片外方位元素。相机快门速度为1/1 600,ISO感光度小于400,曝光采用平均测光,像点位移为1.5 cm,小于影像地面分辨率4 cm,符合像点位移不高于1个像素的要求。实验共获取影像550张。

图3 实验区航线规划图

2.5 数据处理

按照ContextCapture软件要求的数据格式整理好原始数据后,再进行畸变纠正、匀光匀色、格式转换等预处理工作；然后进行空中三角测量,先自由网平差再人工加刺像控点和检查点,检查空中三角测量的精度；最后进行产品生产,依次生成高精度的实景三维模型、DOM、DSM等数字化产品。

3 实验结果分析

3.1 数据成果

实验的主要成果（图4）包括DOM、DSM、实景三维模型,其中正射影像拼接完好、色调清晰均匀、反差适中；实景三维模型细部表现准确、纹理自然清晰、场景表现真实、比例协调一致,没有飞点、强光、拉花等现象。

图4 主要成果展示

3.2 精度分析

本文共设置6个均匀分布的检查点,能反映无人机航摄区实景三维模型、DOM、DSM等产品的平面和高程精度。以实景三维模型精度分析为例,以网络RTK实测值作为真值,比较分析点位较差和中误差,统计结果如表3所示。

表3 实景三维模型精度统计表/m

由表3可知,实验区实景三维模型平面误差绝对值的最大值为0.084 m、最小值为0.001 m,平面位置中误差为0.061 m；高程误差绝对值的最大值为0.114 m、最小值为0.009 m,高程中误差为0.059 m,表明实景三维模型满足《三维地理信息模型生产规范》的要求。

无人机倾斜摄影过程决定了三维建模的质量和效率,航摄相片的数量和质量必须恰到好处。一般来说,无人机倾斜摄影场地勘察、航迹规划和补摄对倾斜摄影质量的影响较大[7],将直接影响后期数据处理的难度和效率。

4 结 语

基于0.2 km2区域地形图测绘作业实践,本文系统梳理了无人机倾斜摄影测量技术应用于小范围测绘生产的具体作业流程。实验结果表明,无人机低空倾斜摄影测量技术可满足大比例尺地形测绘的技术要求,有效提升成图效率[8],具有广阔的应用前景。结合实际作业,本文总结了提高旋翼无人机倾斜摄影三维建模质量和效率的技术方案,有利于旋翼无人机倾斜摄影测量技术的推广应用。