王娟娟 耿以凡

摘? 要：為了驗證旋翼無人機傾斜攝影測量的可行性及精度，該文以北京市高新區(qū)為例，采用旋翼無人機對其進行了傾斜攝影，利用ContextCapture進行了三維實景建模，并采用外業(yè)實測控制點、檢查點及測量數(shù)據(jù)對模型的平面精度及測量精度進行了驗證，最終對基于旋翼無人機傾斜攝影測量技術(shù)進行三維實景建模的可行性、精度及效率做出客觀評價，為后期的行業(yè)應(yīng)用提供了一定的技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：旋翼無人機? 傾斜攝影? 三維實景建模? 空三加密? 精度驗證

中圖分類號：P231 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）11（c）-0176-02

傾斜攝影測量技術(shù)的發(fā)展雖然只有幾年時間，但國內(nèi)已經(jīng)有很多學(xué)者對該項技術(shù)進行了研究，并已有自主開發(fā)的傾斜攝影測量平臺，如劉先林院士帶領(lǐng)團隊研制的SWDC.5系統(tǒng)、上海航遙公司的AMC580系統(tǒng)、中測新圖公司研制的TOPDC-5系統(tǒng)攝影系統(tǒng)等，它的迅速發(fā)展使得目前高昂的三維城市建模成本得以大幅降低，為數(shù)字城市建設(shè)及地形復(fù)雜的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測等方面的應(yīng)用提供了全新的解決方案。由于無人機飛行高度低，且攜帶的輕型傳感器所拍攝出的像片分辨率高，顏色真實，能夠大幅提高所構(gòu)建模型的紋理質(zhì)量，近幾年國內(nèi)的一些科研院所及大型無人機生產(chǎn)商先后進行了固定翼無人機傾斜攝影系統(tǒng)的組裝搭載測試并取得建模研究成功。旋翼無人機擁有垂直起降，對起飛著陸地點要求低、機動靈活且能夠超低空飛行等特點，使其在對影像精度要求極高的傾斜攝影測量城市實景三維建模方面有很大的發(fā)展空間。因此，該文以實驗區(qū)為例，對基于旋翼無人機傾斜攝影測量技術(shù)進行城市三維實景建模技術(shù)進行實驗研究，并對其可行性、精度及效率進行評估。

1? 旋翼無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)

1.1 旋翼無人機系統(tǒng)

旋翼無人機系統(tǒng)由旋翼飛行器及地面操控系統(tǒng)組成，可自主或遙控飛行，對起飛著陸地點要求很低，能夠垂直起降，且高度智能化，能以各種姿態(tài)飛行。這些特點使得其在測繪領(lǐng)域有了很大的發(fā)展空間。而在傾斜攝影測量方面，為了保證模型的精細程度，往往需要貼近地面及建筑物進行城市超低空飛行，旋翼無人機的機動、靈感、安全性及垂直起降等優(yōu)勢，無疑是城市傾斜攝影在最佳載體。此次實驗采用的是由北京某公司研制的四旋翼無人機——蜻蜓5S，其輕便小巧，能夠折疊隨身攜帶，主要由飛控、通信系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和電池組成。

1.2 傾斜傳感器集成

傾斜攝影傳感器由多個鏡頭組成，較為常見的有3鏡頭和5鏡頭，鏡頭通過不同的方向和角度進行組合，使得其在同一曝光點獲取建筑不同角度的影像，一般情況下，中間為下視鏡頭，側(cè)視鏡頭以40°向內(nèi)、向外或旋轉(zhuǎn)分布于東南西北4個方向，同時傳感器還需集成GPS/IMU慣導(dǎo)系統(tǒng)，在曝光的同時獲取曝光點的位置及姿態(tài)信息。此次實驗采用的5S傾斜相機采用了第一排兩個鏡頭，第二排3個鏡頭的分布方式，其第一排中間鏡頭為正射鏡頭，其他為側(cè)視鏡頭，側(cè)視鏡頭與正射鏡頭偏角為30°，鏡頭統(tǒng)一采用CMOS傳感器，有效像素3600萬。

2? 數(shù)據(jù)獲取及建模處理

2.1 實驗概況

實驗區(qū)位于北京市某高新區(qū)，實驗區(qū)內(nèi)地形為平地，面積約為1km2。此次實驗首先用旋翼無人機對實驗區(qū)進行傾斜攝影并對其飛行質(zhì)量進行檢查，然后利用ContextCapture系統(tǒng)進行空三加密、密集匹配、不規(guī)則三角網(wǎng)建立及紋理映射等過程，實現(xiàn)三維實景建模，最后利用外業(yè)檢查點對其成果精度進行檢驗，具體流程見圖1。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

于2016年3月11日采用蜻蜓5S傾斜攝影系統(tǒng)對實驗區(qū)進行了傾斜攝影，航高250m，10條航線，共獲取影像785張，地面分辨率約為0.043m，通過對影像質(zhì)量檢查分析，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%，通過對GSP及IMU的分析，其飛行穩(wěn)定、航線彎曲度、航高保持良好，像片紋理清晰，層次豐富，色調(diào)均勻。

2.3 三維實景建模

（1）數(shù)據(jù)準備。

此次實驗采用ContextCapture傾斜攝影測量系統(tǒng)進行空三加密及實景建模，該系統(tǒng)可將正射與傾斜影像同時導(dǎo)入，并支持僅輸入GPS數(shù)據(jù)直接進行多視角匹配的空中三角測量。數(shù)據(jù)準備主要包括原始影像數(shù)據(jù)準備、POS數(shù)據(jù)預(yù)處理、相機參數(shù)和制作導(dǎo)入索引。影像資料準備需將原始數(shù)據(jù)按照5個不同的方向進行文件組織，并保證同一曝光點影像數(shù)據(jù)與POS數(shù)據(jù)一一對應(yīng);相機參數(shù)主要含焦距、像素大小、主點坐標及檢校文件等。導(dǎo)入索引文件制作需要將之前準備好的影像文件、POS信息及相機參數(shù)等信息按照ContextCapture提供的模板填寫并制作索引文件?？刂茢?shù)據(jù)方面，此次實驗區(qū)地形為平地，共布設(shè)像控點10個，檢查點27個，采用Trimble GeoExplorer 60000 SERIES GPS進行了實地量測。

（2）空中三角測量。

此次實驗空三加密采用了10個控制點及8個檢查點。平差過后控制點平面最大殘差0.039m，高程最大殘差為-0.019m，檢查點平面最大殘差0.034m，高程最大殘差為0.056m，因目前并無明確的傾斜攝影空中三角測量規(guī)范，與傳統(tǒng)數(shù)字航空攝影測量空三加密精度指標對比，其精度遠高于1∶500空中三角測量要求的基本定向點最大殘差平面不大于0.13m，高程不大于0.11m的規(guī)范要求。

（3）三維實景建模。

空三加密完成后，直接基于優(yōu)化后的空三加密成果，設(shè)定三維建模的范圍、瓦片大小以及匹配方式等參數(shù)，利用ContextCapture自動進行“影像金字塔構(gòu)建”“點云匹配”“不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建及優(yōu)化”“三角網(wǎng)簡化”“自動關(guān)聯(lián)紋理”等過程，完成整個三維模型的自動創(chuàng)建與紋理的自動關(guān)聯(lián)。

2.4 三維模型精度分析

（1）檢查點精度驗證。

該文將利用外業(yè)控制點對三維模型的絕對精度進行分析驗證，但因當前行業(yè)內(nèi)并沒有相應(yīng)的規(guī)范對傾斜攝影測量技術(shù)所建的三維模型精度做出明確的規(guī)定，因此此次檢測主要按照數(shù)學(xué)精度檢測方法中高精度檢測的要求，利用外業(yè)實測的27個檢查點，與內(nèi)業(yè)直接在三維模型上量測得到的三維坐標進行對比檢驗。

利用中誤差計算公式計算檢查點的坐標偏差可得：

經(jīng)統(tǒng)計，該次實驗區(qū)內(nèi)20個檢查點的X方向中誤差為0.064m，Y方向中誤差為0.069m，均方根中誤差（RMS，Root Mean Square）即平面位置中誤差為0.095m，Z方向即高程中誤差為0.08m，可看出其平面及高程誤差均小于10cm（兩個像素），且高程精度略高于平面精度。

（2）基于模型的量測精度驗證。

結(jié)果表明，直接基于模型進行量測構(gòu)筑物的誤差要大于地面標志，分析其原因，主要是由于傾斜攝影所建的三維模型主要是由點云構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)并關(guān)聯(lián)紋理形成，而三角網(wǎng)的精細程度又受影像分辨率所影響，無法模擬構(gòu)筑物的直線輪廓邊緣，達不到現(xiàn)實中的棱角分明，導(dǎo)致內(nèi)業(yè)量測時不能準確捕捉到建筑的拐角，使其存在一定的量測誤差。而高度方面受模型底部精細程度所限，經(jīng)常無法捕捉到準確的構(gòu)筑物高度，此次實驗中有兩個標志點無法通過內(nèi)業(yè)獲取其高度信息。

3? 結(jié)語

（1）數(shù)據(jù)獲取方面，通過對實驗區(qū)的影像獲取、檢查以及后期的三維實景建模驗證，可看出輕型四旋翼無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)操作簡單，機動靈活，對起降場地基本無要求，完全可以應(yīng)用于傾斜攝影測量三維實景建模工作。傾斜傳感器方面，除了傳統(tǒng)的以正射為中心，側(cè)視圍繞四周的模式外，此次實驗的平行排列方式也可滿足傾斜影像獲取需求，后續(xù)工作中可嘗試更為靈活的相機組合方式。

（2）精度方面，通過外業(yè)檢查點對模型的絕對精度的驗證情況來看，基于輕型四旋翼無人機傾斜攝影測量技術(shù)所建的三維實景模型其平面和高程中誤差均可達到兩個像素以內(nèi)，并且其高程精度略高于平面精度。

參考文獻

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