彭海濤

摘要：無人機(jī)傾斜攝影作為一種先進(jìn)的影像獲取手段，正在應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)及領(lǐng)域之中。其中無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的要求最為復(fù)雜，無論是在地面分辨率、航攝參數(shù)設(shè)置、鏡頭相機(jī)參數(shù)的要求上，還是獲取影像后的模型建立與數(shù)據(jù)采編上，都應(yīng)遵循一定的規(guī)則。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);傾斜攝影;測量技術(shù);應(yīng)用

1 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是指通過利用多角度相機(jī)，來采集地面物體不同角度及不同高度的影像，憑借其高分辨率的航測影像技術(shù)，將具有豐富的地理信息數(shù)據(jù)，通過三維建模的方式來呈現(xiàn)真實(shí)場景的技術(shù)。

其技術(shù)路線是利用傾斜攝影系統(tǒng)，結(jié)合無人機(jī)的快速便捷的采集能力，將采集的數(shù)據(jù)快速生成三維模型。其中傾斜攝影系統(tǒng)共分為三大部分：一是飛行平臺，包括小型飛機(jī)或無人機(jī);二是航飛操作人員;三是儀器部分，包括傳感器（相機(jī)、GPS定位裝置）和姿態(tài)定位系統(tǒng)。本文將對此技術(shù)路線的無人機(jī)硬件、飛行控制軟件、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行詳述。

2 無人機(jī)低空攝影

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)介紹

試驗(yàn)區(qū)為靈武市上元名城小區(qū)，范圍大約為1000m2，有高層建筑，地勢總體較為平坦，拍攝當(dāng)天天氣晴朗，植被遮擋較少，適宜拍照。

根據(jù)測區(qū)實(shí)際情況，相對航高設(shè)計(jì)為160m，地面采樣間隔0.09m，航向和旁向重疊度均為70%。在完成地面站設(shè)置工作后，完成起飛工作，駕駛員操縱操作桿控制飛機(jī)起飛，地面站同時(shí)監(jiān)視飛機(jī)的姿態(tài)、飛速、航高、以及坐標(biāo)位置，拍攝得到不同角度的影像。

2.2 像控點(diǎn)布設(shè)

控制點(diǎn)布設(shè)均勻地覆蓋在整個(gè)測區(qū)，標(biāo)志清晰可見，方便像片刺點(diǎn)。試驗(yàn)布設(shè)12個(gè)像控點(diǎn)，所有像控點(diǎn)皆為平高點(diǎn)。采用GPS靜態(tài)進(jìn)行測量。試驗(yàn)坐標(biāo)系統(tǒng)采用西安獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)。

2.3 數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)方法

通過ContextCapture軟件對傾斜影像進(jìn)行了處理，ContextCapture具有較高的自動化程度，無需過多的人工干預(yù)，且運(yùn)行過程穩(wěn)定。

數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)流程如下：

2.3.1 多視影像匹配

影像匹配主要通過SIFI特征匹配算法建立不同像片之間的聯(lián)系，獲取大量同名點(diǎn)用于后續(xù)的空中三角測量。SIFI特征匹配算法具有運(yùn)算速度快、抗噪能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其可分為3個(gè)步驟：①檢測圖像;②生成SIFI特征描述符;③SIFI特征向量匹配。

2.3.2 空中三角測量

空中三角測量是傾斜攝影測量的核心步驟，通過前方交會和后方交會，利用區(qū)域內(nèi)均勻分布的少量的控制點(diǎn)坐標(biāo)，求解未知點(diǎn)坐標(biāo)和影像的外方位元素，得到加密點(diǎn)的高程和平面位置，用于模型的絕對定向和后續(xù)產(chǎn)品的生成。目前無人機(jī)傾斜攝影測量內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理多采用光束法區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差，其利用2種不同觀測手段得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行平差，將GPS/IMU的初始信息，即像片的POS姿態(tài)數(shù)據(jù)作為外方位元素的初始值和控制點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)聯(lián)合進(jìn)行平差。

光束法區(qū)域網(wǎng)平差是以一張拍攝像片的一束光線作為平差基本單元，平差過程以共線方程作為平差的數(shù)學(xué)模型，以相鄰像片公共點(diǎn)對相交且坐標(biāo)相等、外業(yè)測量控制點(diǎn)與內(nèi)業(yè)像片標(biāo)定控制點(diǎn)坐標(biāo)相等為平差條件，列出已知控制點(diǎn)和待定加密點(diǎn)的誤差方程，進(jìn)行平差計(jì)算，求解出每張像片的外方位元素，然后前方交會求出加密點(diǎn)地面坐標(biāo)。具體流程是將傾斜影像帶有的POS數(shù)據(jù)作為初始外方位元素，然后通過自動選點(diǎn)、自動相對定向、構(gòu)建自由航帶網(wǎng)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)相對空中三角測量，之后通過控制點(diǎn)的半自動量測，加入控制點(diǎn)。通過光束法區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差實(shí)現(xiàn)絕對空中三角測量，并將整個(gè)模型納入到指定的坐標(biāo)系統(tǒng)中。

2.3.3 多視影像密集匹配技術(shù)

密集匹配是傾斜攝影測量三維建模的關(guān)鍵技術(shù)之一，其目的是生成密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在航帶重建完成之后，根據(jù)空中三角測量解算的外方位元素構(gòu)建立體相對，使用多視影像匹配技術(shù)生產(chǎn)密集點(diǎn)云。相比傳統(tǒng)單一視角的立體匹配，多視影像匹配有2個(gè)優(yōu)勢：①多角度拍攝會產(chǎn)生大量的冗余信息，可用于矯正錯(cuò)誤匹配信息，進(jìn)而得到高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù);②多視角拍攝能夠減少拍攝盲區(qū)，盡可能實(shí)現(xiàn)全方位的模型特征重建。

2.3.4 構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)

在生成密集點(diǎn)云的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)實(shí)現(xiàn)每一個(gè)地物模型的重建，是實(shí)景三維建模的關(guān)鍵步驟之一。像片的重疊度和地物的復(fù)雜程度影響著三角網(wǎng)的構(gòu)建密度，像片重疊度越高，三角網(wǎng)的構(gòu)建越是密集;地物越復(fù)雜，就需要更加復(fù)雜和密集的三角網(wǎng)去反映地物的特征信息。

2.3.5 紋理映射

完成模型的初步重建之后，需要進(jìn)行模型的貼圖工作，實(shí)現(xiàn)二維空間和三維物體表面之間一一對應(yīng)的關(guān)系，得到符合真實(shí)色彩的三維模型。傾斜攝影測量能夠獲取地物多個(gè)角度的影像，在眾多影像中選取最優(yōu)的目標(biāo)影像是紋理映射技術(shù)的關(guān)鍵，可通過計(jì)算每一個(gè)不規(guī)則三角網(wǎng)和對應(yīng)影像區(qū)域的幾何關(guān)系實(shí)現(xiàn)三角網(wǎng)和目標(biāo)影像的配準(zhǔn)，之后將配準(zhǔn)好的紋理貼圖到不規(guī)則三角網(wǎng)上，完成紋理映射。

2.3.6 核線重采樣

根據(jù)空三解算的外方位元素獲得核線影像，核線影像不僅能夠達(dá)到立體視覺效果，而且能夠增加同名像點(diǎn)搜索的速度。核線重采樣就是找到核線影像原始影像的坐標(biāo)變換關(guān)系，此時(shí)原始影像坐標(biāo)可能在幾個(gè)像元之間，就需要對原始影像進(jìn)行重采樣得到核線影像的灰度值。常用的重采樣方法有雙線性內(nèi)插法、最鄰近像元、立方卷積等方法。

3 應(yīng)用實(shí)例

測區(qū)位于靈武市生態(tài)紡織園產(chǎn)業(yè)工人保障房，測區(qū)占地面積為30萬m2。依據(jù)作業(yè)需求，需要建立測區(qū)三維實(shí)景模型，并繪制符合精度要求的1∶500數(shù)字線劃地圖。作業(yè)采用中海達(dá)D6無人機(jī)搭載中海達(dá)miniQ5傾斜相機(jī)進(jìn)行航攝工作，飛行高度設(shè)為100m。采用賓得R422NM全站儀進(jìn)行平面精度檢驗(yàn)，采用天寶DiNi03型水準(zhǔn)儀進(jìn)行高程精度檢驗(yàn)。

測區(qū)共計(jì)布設(shè)像控點(diǎn)8個(gè)，精度檢查點(diǎn)20個(gè)，單體建筑空間精度檢查點(diǎn)10組。利用ContextCapture進(jìn)行影像匹配及模型建立工作。利用清華山維EPS進(jìn)行數(shù)字線劃圖的制作。（1）模型中檢查點(diǎn)平面誤差最大值達(dá)到0.110m，平均值為0.072m，檢查點(diǎn)的平面中誤差為0.074m，小于GB/T23236-2009《數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范》對于平地環(huán)境下1：500測圖比例尺平面檢查點(diǎn)最大限值應(yīng)小于0.175m的要求。（2）模型中檢查點(diǎn)高程誤差最大值達(dá)到0.265m，平均值0.079m，檢查點(diǎn)高程中誤差為0.095m，小于GB/T23236-2009《數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范》對于平地環(huán)境下1：500測圖比例尺高程檢查點(diǎn)最大限值應(yīng)小于0.15m的要求。（3）測區(qū)模型精度已達(dá)到測繪級精度，可以在測繪領(lǐng)域中應(yīng)用。

4 結(jié)語

文中通過完整的技術(shù)流程及檢驗(yàn)流程，將無人機(jī)傾斜攝影測量的基本要求及航攝方法進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：（1）無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在一定領(lǐng)域可以替代傳統(tǒng)測繪方法，在保證精度的同時(shí)，提高了作業(yè)效率，降低了人力資源的投入與項(xiàng)目成本的投入，使測繪成果可視化、數(shù)字化。（2）隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，搭載更為高級的傳感器進(jìn)行飛行作業(yè)可以獲取更為豐富的數(shù)據(jù)信息，將會進(jìn)一步拓展無人機(jī)測量技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。（3）無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在完善的航攝方案的支持下，可以對地物的表面紋理信息進(jìn)行全面的采集，通過重疊影像特征點(diǎn)匹配法建立的模型滿足1：500數(shù)字線劃地圖制作的基本要求。

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