張 軍，吳永春

(1.甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741025；2.甘肅省測(cè)繪工程技術(shù)研究中心，甘肅 天水 741025； 3.甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘察院，甘肅 天水 741025)

傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量、傾斜攝影測(cè)量及近景攝影測(cè)量技術(shù)都已經(jīng)比較成熟，張祖勛院士2018年提出了將無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量與近景攝影測(cè)量?jī)煞N技術(shù)相結(jié)合的貼近攝影測(cè)量技術(shù)。貼近攝影測(cè)量是控制無(wú)人機(jī)緊貼地面或者建筑物表面進(jìn)行相對(duì)傾斜和豎直攝影，再對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行空三和三維建模處理得到3D數(shù)據(jù)及三維模型的新技術(shù)。由于是貼著地面或建筑物表面飛行，相機(jī)與地表之間的距離只有20 m左右，所以得到的影像分辨率是非常高的，例如:無(wú)人機(jī)航飛高度200 m得到的GSD是4 cm，那么飛行高度20 m的情況下GSD就可以達(dá)到0.4 cm。本文研究如何依照高精度三維地形設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)的航線，以保障無(wú)人機(jī)飛行安全，滿足貼近攝影要求。

1 貼近攝影問題分析

貼近攝影要求控制無(wú)人機(jī)緊貼地面飛行，為了保障安全，控制無(wú)人機(jī)與地物之間的距離保持在20 m左右的范圍。距離太遠(yuǎn)影像分辨率降低，失去了貼近攝影的意義，距離太近容易出現(xiàn)安全事故。以大疆精靈4RTK為例，一般情況下航空攝影時(shí)飛行速度設(shè)置在15 m左右，如果控制不到位，無(wú)人機(jī)出現(xiàn)安全事故的風(fēng)險(xiǎn)就很大。所以設(shè)計(jì)滿足地形要求的航線是貼近攝影測(cè)量技術(shù)的核心。

2 以高精度DSM為基礎(chǔ)的自適應(yīng)航線設(shè)計(jì)

在軍用無(wú)人機(jī)領(lǐng)域有一種基于光電吊艙與GPS/IMU相結(jié)合進(jìn)行地形定位的方法，光電傳感器獲取無(wú)人機(jī)與地物距離信息，結(jié)合無(wú)人機(jī)位置姿態(tài)信息，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)與地形的相對(duì)定位，從而即時(shí)規(guī)劃無(wú)人機(jī)的飛行路徑。從思路上來(lái)分析，這種方案用于貼近攝影是可行的，但受制于無(wú)人機(jī)載荷原因，這種方案對(duì)于目前的貼近攝影測(cè)量技術(shù)來(lái)說不易實(shí)現(xiàn)。

因?yàn)闊o(wú)人機(jī)貼近攝影對(duì)于地形的依賴是很強(qiáng)烈的，所以這里提出給予高精度DSM的航線設(shè)計(jì)思路，如圖1所示為貼近攝影測(cè)量航線規(guī)劃設(shè)計(jì)框架。

圖1 貼近攝影測(cè)量航線規(guī)劃

2.1 高精度DSM、DOM獲取

以傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)航空攝影的方式采集測(cè)區(qū)影像，利用pix4D、smart3D等軟件快速獲取測(cè)區(qū)DSM、DOM。以大疆精靈4P為例，180 m飛行高度攝影，可得到優(yōu)于0.1 m分辨率的DSM、DOM。

2.2 建立DSM、DOM分層組織結(jié)構(gòu)

利用LOD技術(shù)，構(gòu)建基于金字塔結(jié)構(gòu)的DSM、DOM分層組織結(jié)構(gòu)，基于四叉樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行管理調(diào)度，加載高精度的TIFF數(shù)據(jù)，這樣在使用過程中可以隨著視點(diǎn)與地形的距離調(diào)度加載當(dāng)前層級(jí)地形[3]，方便使用。

2.3 以DOM為基礎(chǔ)進(jìn)行基礎(chǔ)航線規(guī)劃

在高精度DOM的基礎(chǔ)上準(zhǔn)確的獲取測(cè)區(qū)范圍，結(jié)合相機(jī)參數(shù)、地面分辨率、重疊度、無(wú)人機(jī)航速要求等按傳統(tǒng)方式規(guī)劃基礎(chǔ)航線。

2.4 自適應(yīng)航線設(shè)計(jì)

將基礎(chǔ)航線與DSM疊加，重新計(jì)算各航點(diǎn)坐標(biāo)：以傳統(tǒng)方式設(shè)計(jì)基礎(chǔ)航線，如圖2所示，利用DSM生成坡度圖，根據(jù)坡度調(diào)整航線間隔，調(diào)整航點(diǎn)坐標(biāo)；從DSM上提取基礎(chǔ)航線上各航點(diǎn)的高程，這個(gè)工作GIS分析軟件可以完成，也可以將數(shù)值提取的功能集成到地面站軟件里來(lái)完成(圖3為沒有高程的原始航點(diǎn)坐標(biāo)與提取高程后航點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)比)；此時(shí)航點(diǎn)高程為地面高度，加上相對(duì)航高即為絕對(duì)高程,如圖4所示；航點(diǎn)文件與原始DSM疊置進(jìn)行航點(diǎn)間可視分析，檢查航跡的安全性；可視分析通過的航點(diǎn)文件即可作為最終航點(diǎn)文件，若存在不可視的情況，調(diào)整該點(diǎn)高程，重新分析；利用DSM計(jì)算測(cè)區(qū)平均坡度，確定攝影時(shí)相機(jī)傾角。

圖2 基礎(chǔ)航線設(shè)計(jì)

圖3 高程提取前后航點(diǎn)坐標(biāo)

圖4 調(diào)整相對(duì)航高后的航點(diǎn)坐標(biāo)

2.5 生成航點(diǎn)文件

按傾斜攝影的要求，不同角度分別生成航點(diǎn)文件，結(jié)合坡度信息分別計(jì)算各條航線的相機(jī)傾角。

2.6 應(yīng)用案例

天水市秦州區(qū)某滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)范圍小，地表構(gòu)筑物少，利用此方法進(jìn)行了高精度變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取，實(shí)驗(yàn)采用手動(dòng)計(jì)算航點(diǎn)坐標(biāo)的方式來(lái)完成，具體步驟如下：(1)利用大疆精靈4RTK采用正射影像采集方式獲取研究區(qū)域4 cm分辨率影像；(2)使用Pix4D快速生成DSM；(3)通過DJI Pilot生成研究區(qū)域30 m航高航點(diǎn)正射航線文件并轉(zhuǎn)換為文本格式；(4)利用ArcGIS從DSM上提取正射航線文件航點(diǎn)對(duì)應(yīng)高程，并通過Excle利用正文方案編輯調(diào)整航點(diǎn)文件；(5)將航點(diǎn)文件導(dǎo)入DJI Pilot按航點(diǎn)模式飛行，采集測(cè)區(qū)傾斜影像，分辨率達(dá)到0.82 cm；(6)將影像文件導(dǎo)入Smart3D生成高精度的三維模型及正射影像。

測(cè)區(qū)成果三維模型詳盡表達(dá)了測(cè)區(qū)整體現(xiàn)狀，通過實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：(1)此方案獲取的成果數(shù)據(jù)分辨率可達(dá)到毫米級(jí)精度，滿足變形監(jiān)測(cè)要求；(2)由于受到控制點(diǎn)自身精度的影響，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)精度達(dá)不到變形監(jiān)測(cè)要求，但相對(duì)精度滿足要求，在具體應(yīng)用過程中，需要利用高精度控制點(diǎn)采集方案。

3 結(jié) 語(yǔ)

由于貼近攝影無(wú)人機(jī)相對(duì)攝影面的距離很短，相對(duì)航高差對(duì)于影像分辨率的影響很大，同時(shí)考慮到無(wú)人機(jī)飛行安全的因素，所以提出以高精度三維地形數(shù)據(jù)為參考來(lái)進(jìn)行航線規(guī)劃的方法。通過傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量方式獲取地表最新的三維地形數(shù)據(jù)，是進(jìn)行貼近攝影三維地形獲取的最可靠方式，此方法通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可作為貼近攝影測(cè)量航線規(guī)劃的一種可行方案，但此方案存在的問題是，在貼近攝影之前，需要進(jìn)行一次預(yù)飛來(lái)獲取地面的三維地形數(shù)據(jù)作為參考，這就增加了工作量及復(fù)雜度，研究如何基于基礎(chǔ)航線及地表實(shí)際地形實(shí)現(xiàn)智能變高飛行，以提高貼近攝影測(cè)量的工作效率，是貼近攝影測(cè)量技術(shù)發(fā)展必須面臨的問題，是今后需要深入研究的課題之一。