孫英杰

摘要：無人機傾斜攝影技術(shù)作為一個新興的技術(shù)方法被廣泛應用于三維建模和工程測量中，通過在高速飛行的載體上搭載GPS、IMU、傾斜相機等多種先進的傳感器與設備，能夠快速、精確、全面、實時的獲取具有時空信息的傾斜影像。通過相應的傾斜影像數(shù)據(jù)處理軟件，對采集到的傾斜影像進行預處理，形成符合應用需求的三維實景地圖數(shù)據(jù)。本文結(jié)合實踐應用，研究了如何利用這一技術(shù)進行實景三維建模，并基于VRMap三維信息軟件進行1：1000地形圖生產(chǎn)的過程。

關(guān)鍵詞：無人機傾斜攝影測量技術(shù)；實景三維建模；定位定姿系統(tǒng)；像控測量；城市空間數(shù)據(jù)框架；智慧園區(qū)

引言

實景三維建模是智慧園區(qū)的重要組成部分，實景三維地圖生產(chǎn)技術(shù)從更高層次上拓展了人工建模所欠缺的準確性和真實性，建模范圍包括地表、地物、建筑、植被等。基于非常具有沉浸感的大場景實景地圖的逼真仿真瀏覽，真實再現(xiàn)了地表各類建筑物、構(gòu)筑物、地形地貌的原始形態(tài)和量化指標查詢，為智慧園區(qū)信息系統(tǒng)提供了有力的數(shù)據(jù)支持。實景三維地圖模型數(shù)據(jù)真正實現(xiàn)了一圖多用，可以基于三維地圖實現(xiàn)線劃地形圖（DLG）、正射影像圖（DOM）、數(shù)字表面模型（DSM）的生產(chǎn)，實現(xiàn)對建筑物（所在位置、層數(shù)、結(jié)構(gòu)屬性、占地面積、建筑面積等）、內(nèi)部道路、綠地、儲備用地、管井位置等的詳細測繪。

1技術(shù)原理

傾斜攝影測量技術(shù)集成了全球衛(wèi)星定位、慣性導航、圖像處理、攝影測量、地理信息及集成控制等技術(shù)，通過在高速飛行的載體上搭載GPS、IMU、傾斜相機等多種先進的傳感器與設備，快速、精確、全面、實時的獲取具有時空信息的傾斜影像。基于傾斜影像，制作園區(qū)三維實景模型，以高精真的數(shù)據(jù)為智慧園區(qū)提供有效的基礎地理空間框架。傾斜攝影測量系統(tǒng)運用飛行的載體搭載高精度定位定姿（PPOI）系統(tǒng)、前后左右及正下方五個方向鏡頭的傾斜攝影相機，對測區(qū)進行全方位無控制測量，獲取垂直影像及前后左右四個側(cè)面可量測傾斜影像。所獲取的傾斜影像具有全紋理、真環(huán)境、可視化、可瀏覽、可測量的特點。通過傾斜影像數(shù)據(jù)處理軟件，對采集到的傾斜影像進行預處理，包括調(diào)色、糾偏、校正、鑲嵌、融合等等系列處理，形成符合應用需求的三維實景地圖數(shù)據(jù)。

2技術(shù)特色

高精度、可量測：數(shù)據(jù)模型可以達到坐標精度1：1000比例尺地形圖的精度。數(shù)據(jù)成果可通過配套軟件的應用，直接基于成果模型進行包括高度、長度、面積、角度、坡度等的量測；

多視角、真環(huán)境：具有五個不同方向的影像，從而得到地形地物更為詳盡的側(cè)面信息；影像中包含真實的環(huán)境信息，信息量豐富，可進行影像信息的數(shù)據(jù)挖掘；

可瀏覽、高效性：三維實景地圖模型提供真實、實時、快速、全面的三維場景瀏覽。基于傾斜影像生產(chǎn)的三維模型相對于傳統(tǒng)的手工建模，具有數(shù)據(jù)精確全面、效率高、成本低、場景真實等特點。

3數(shù)據(jù)的采集處理

3.1作業(yè)工序

作業(yè)工序分為像控點測量、無人機傾斜攝影測量、三維實景模型建模、1：1000地形圖內(nèi)業(yè)成圖。根據(jù)測圖和像控需要加密圖根控制點；全數(shù)字航測成圖包括無人機航空攝影、外業(yè)像片控制測量、內(nèi)業(yè)空三加密和傾斜模型測圖、DLG圖形數(shù)據(jù)編輯等。

3.2技術(shù)準備

技術(shù)準備階段主要完成測區(qū)已有地形數(shù)據(jù)、控制點數(shù)據(jù)、測繪成果資料的收集，調(diào)查范圍實地踏勘、了解測區(qū)情況，航飛技術(shù)實地驗證，技術(shù)方案編寫和技術(shù)力量與設備配置等。應對調(diào)查區(qū)域進行實地全面踏勘，了解建筑基本分布狀況、建筑物高度、航飛難易程度、隱蔽分布狀況、交通狀況、當?shù)仫L俗等可能對項目開展有影響的因素，同時根據(jù)測區(qū)情況選擇無人機的起降場地。

3.3無人機航飛

（1）傾斜攝影基本參數(shù)設計

傾斜攝影平臺和航空飛行器是傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取的主要設備，根據(jù)選定的航攝平臺及飛行載體，完成傾斜攝影基本參數(shù)設計。

（2）確定航高：傾斜攝影航高取決于測區(qū)地面分辨率（GSD），以及使用傳感器像元大小；此外，無人機飛行時航高還應該大于飛行區(qū)域建筑物的高度，以免飛機撞上建筑物，根據(jù)經(jīng)驗，飛行高度一般應該高于建筑物50米以上才能建出相對較好的傾斜模型。

（3）航攝分區(qū)

根據(jù)《地形圖航空攝影規(guī)范》要求，視測區(qū)地形高差情況劃分航攝分區(qū)。需要劃設多個航攝分區(qū)時，單個航攝分區(qū)的航向方向超出航攝分區(qū)邊界線不少于1像幅，旁向方向則需超出每個航攝分區(qū)邊界不少三條基線，向以確保側(cè)視相機能夠有效獲取到分個航攝分區(qū)邊界影像。攝區(qū)以丘陵、山地居多時，或山地、丘陵、平原交錯的攝區(qū)注意航攝分區(qū)的劃分。

（4）航線方向和航線敷設

航線方向一般為東-西向，少數(shù)情況下根據(jù)地形走向和專業(yè)測繪的特點要求（如線路、河流、境界等）亦可為南-北向或任意方向。航線敷設時同時需要考慮地形環(huán)境因素的影響，保證航線及延長方向的地形高度不影響飛行安全高度。

（5）無人機航飛技術(shù)驗證：在傾斜攝影三維建模工作開展之前，必須對無人機航飛方法在實地選定有代表性區(qū)域進行測試，以驗證無人機技術(shù)、方法及設備的可靠性，為后續(xù)工作打下基礎。

（6）無人機航飛

航空攝影飛行作業(yè)是一項十分繁重和細致的任務，要求每一個細節(jié)，每一個步聚都應務必追求完美，確保航飛作業(yè)安全、順利是項目開展的提前。傾斜攝影航飛作業(yè)，由其是使用無人機作業(yè)時，應該嚴格按照法律法規(guī)申報審批，做到合法安全飛行。

3.4像控測量

傾斜攝影設備使用IMU/DGPS輔助測量時，可大大降低地面像控點的布設密度。像控點敷設時，攝區(qū)邊界必須布設像控點，且要求每公里不少于3個，有航攝分區(qū)時，按照此要求進行布設。以上滿足精度要求的點位均應提供項目要求的高程和坐標系數(shù)據(jù)，同時每個測區(qū)至少有10%的觀測控制點，作為檢校點。

1 像控布設

（1）像片控制點是航測內(nèi)業(yè)加密和圖的依據(jù)。本項目像片控制點采用基于JSCORS 網(wǎng)絡 RTK 技術(shù)施測，一般情況下布設均為平高點。

（2）像片控制點按區(qū)域網(wǎng)布設，由于傾斜攝影重疊度高、有多視角影像，計算機密集點云數(shù)據(jù)匹配功能強等，外業(yè)布設像控點位基線跨度可適當放寬，但在加密過程中檢查點精度需滿足精度指標。

（3）鑒于目前使用的軟件在空三加密區(qū)域網(wǎng)平差計算上已具備先進完善的功能，區(qū)域網(wǎng)大小根據(jù)航攝飛行情況、地形情況、計算機運算能力等進行綜合劃分，區(qū)域網(wǎng)之間的像片控制點應盡量選擇在上、下航線重疊的中間，相鄰區(qū)域網(wǎng)盡量公用像控點。

2像控點判刺

需要在200-300米的距離呈井字型均勻分布，用油漆在地面布設L型像控點標志，外角清晰且為直角，并標記清楚點號方便刺點。

3像控點聯(lián)測

（1）像控點聯(lián)測采用采用基于 JSCORS 的網(wǎng)絡 RTK 作業(yè)方式聯(lián)測。利用似大地水準面數(shù)據(jù)直接求定像控點高程。

（2）利用 GNSS 網(wǎng)絡 RTK 作業(yè)模式進行像控測量時，應聯(lián)測測區(qū)內(nèi)高等級控制點，以提高成果的可靠性。

（3）GNSS 網(wǎng)絡 RTK 作業(yè)時應遵循以下要求：

衛(wèi)星截止高度角 15°；觀測可用衛(wèi)星個數(shù)≥5；PDOP 值≤6；RTK 觀測前應設置平面收斂閾值不應超過 2cm，垂直收斂閾值不應超過3cm；觀測次數(shù)≥2，每次觀測應重新初始化；采用三角支架對中整平，每次觀測歷元數(shù)應不少于 10 個；各次測量的平面坐標分量較差不應大于 2cm，高程較差不應大于 3cm，各次結(jié)果取中數(shù)作為最后成果。

4：像控點聯(lián)測結(jié)束后的坐標應及時展點檢查，防止出現(xiàn)粗差，確保下工序的空三加密能得以順利進行。

3.5全自動空三建模及模型修飾

由于傾斜航空攝影測量由于攝影傾角大，影像變形嚴重；分辨率變化大，尺度無法統(tǒng)一；重疊數(shù)多，需要多視處理等特點，使其空中三角測量有異于常規(guī)數(shù)碼航空攝影測量中的空中三角測量方式。常規(guī)的空三加密軟件一般都不能實施，需要多視角航空攝影測量空中三角測量專業(yè)軟件進行數(shù)據(jù)處理。全自動三維建模采用多機多節(jié)點并行運算的 ContextCapture Center 軟件進行，將空三后的成果數(shù)據(jù)直接提交生成三維 TIN 格網(wǎng)構(gòu)建、白體三維模型創(chuàng)建、自助紋理映射和三維場景構(gòu)建。

ContextCapture Center空三建模流程如下：

空中三角測量采用 ContextCapture Center 軟件，將相機參數(shù)、影像數(shù)據(jù)、POS 數(shù)據(jù)進行多視角影像特征點密集匹配，并以此進行區(qū)域網(wǎng)的自由網(wǎng)多視影像聯(lián)合約束平差解算，建立在空間尺度可以適度自由變形的立體模型，完成相對定向；將外業(yè)測定的像片控制點成果，在內(nèi)業(yè)環(huán)境中進行轉(zhuǎn)刺，利用這些點已有區(qū)域網(wǎng)模型進行約束平差解算，將區(qū)域網(wǎng)納入到精確的大地坐標系統(tǒng)中，完成絕對定向。

利用空中三角測量得到的每張影像拍攝時刻的位置及姿態(tài)，對同名點進行多像前方交會，進行空三加密測量，獲得大量地物點密集點云數(shù)據(jù)。

利用密集點云獲得的大量有向點集根據(jù)隱式函數(shù)框架來構(gòu)建表面模型，結(jié)合外部有效邊界線及內(nèi)部約束地性線，應用平面曲率和坡形組合法依照不規(guī)則三角網(wǎng)模型構(gòu)建原理，建立表面TIN模型。

表面模型通過攝影測量獲得的密集點云構(gòu)建得到，同時對于模型上的每個最小平面均能在對應原始影像集上找到匹配的紋理映射區(qū)域集，通過對映射區(qū)域集的處理，獲得模型每個平面紋理映射的最優(yōu)解。

當目標覆蓋屏幕較小區(qū)域時，可以使用該目標較粗的模型對該目標進行描述，以便對復雜大場景進行快速的繪制。該模塊對已生成的精細模型進行LOD分級，通過剔除、多邊形簡化等方式建立靜態(tài)LOD模型庫以實現(xiàn)大場景三維模型的快速瀏覽。

生產(chǎn)的模型應滿足以下要求：

三維模型是根據(jù)傾斜影像匹配確定體塊構(gòu)模而成，地形、建筑物等模型一體化表示，模型的紋理以獲取的航空影像表現(xiàn)。建筑物三維體塊模型應完整，位置準確、具有現(xiàn)實性，應于獲取的航空影像表現(xiàn)一致。

建筑物三維模型應精準反映房屋屋頂及外輪廓的基本特征。在 200m 視點高度下瀏覽模型，模型沒有明顯的拉伸變形。當所在區(qū)域建筑物較為密集，或建筑物較高，存在相互遮擋時，則無法獲取遮擋部分建筑物的側(cè)視紋理，相應的模型無法表現(xiàn)其全部的細節(jié)，允許出現(xiàn)些許的拉伸變形。

建筑物模型的高度與平面尺寸應于實際保持一致的比例，建筑物模型高度誤差不超過 10%，并且完成的三維圖像能夠清晰的分辨重點裝置情況。

4基于VRMap三維信息軟件的1：1000地形圖生產(chǎn)

1）空三計算：用光束法加密軟件對區(qū)域網(wǎng)進行平差，將加密和定向成果存入計算機，供測圖時直接調(diào)用。

2）內(nèi)業(yè)測圖：在VRMap實景三維地理信息平臺上進行內(nèi)業(yè)地形要素數(shù)據(jù)采集。采編所有地物外輪廓，測定房屋各房角點。對立體判測有疑問或影像模糊不易測定的地物，要加以說明或做出記號供外業(yè)補調(diào)，盡量為下工序提供準確、可靠、完整的數(shù)據(jù)。點狀地物中心位置要求準確，線狀地物要求線段連續(xù)，面狀地物的測定要求圖形連續(xù)且封閉，內(nèi)業(yè)能定性的地形要素可直接標注圖式符號。

3）外業(yè)地形圖調(diào)繪：在外業(yè)現(xiàn)場進行100%的調(diào)繪和修補測，對個別簡單易補測的新增地物可利用相關(guān)地物（需先檢驗其正確性）直接補測上圖，并標注相關(guān)距離尺寸；對于毗連或成片新增地物可先圈出其大概位置，用全站儀全野外采集數(shù)據(jù)，外業(yè)畫草圖，內(nèi)業(yè)編輯后再巡視檢查直至最終成圖。在用全站儀全野外補測新增地物時，測站點點位誤差和精度要求不低于10cm。

4）房屋屬性調(diào)查：所有房屋均調(diào)查確認房屋建筑結(jié)構(gòu)[分為鋼、砼、混、磚、簡單房等五種結(jié)構(gòu)；五種結(jié)構(gòu)均要據(jù)實表示，一般規(guī)定為砼（7層以上）、混（4-7層）、磚（1-3層）]和層數(shù)，大樓有專有名稱的注專有名稱，無專有名稱注單位名稱、掛牌單位較多者選擇主要的一個單位名稱加注，農(nóng)村地區(qū)的村委會所在地、企事業(yè)單位等需注名稱。

5）將外業(yè)調(diào)繪修補測好的數(shù)字線劃地形圖在計算機上編輯成滿足建庫要求的1∶1000比例尺數(shù)字線劃地形圖（以下簡稱DLG）。

5對比分析

將基于無人機實景三維技術(shù)制作的DLG與采用全野外解析法實測的地形圖進行比對，其坐標差值在允許范圍內(nèi)，能夠滿足1∶1000比例尺數(shù)字線劃地形圖精度要求。

6結(jié)束語

目前國內(nèi)外已廣泛開展傾斜攝影測量技術(shù)的應用，實景三維建模數(shù)據(jù)逐漸成為城市空間數(shù)據(jù)框架的重要內(nèi)容。無人機傾斜攝影測量能在低空平穩(wěn)飛行并獲取獲得高分辨率航空影像，具有機動靈活、高效快速、精細準確、作業(yè)成本低、適用范圍廣、生產(chǎn)周期短等特點，其三維建模成果直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性，為真實效果和測繪級精度提供保證，是傳統(tǒng)測量手段的有力補充。

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（作者單位：江蘇煤炭地質(zhì)物測隊）