趙小陽(yáng)，孫松梅

(1. 廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 510060； 2. 廣州智迅誠(chéng)地理信息科技有限公司,廣東 廣州 510000)

作為國(guó)家基本比例尺地圖中精度和地形地物要求最高的地圖成果，1∶500地形圖的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛。在城市規(guī)劃、國(guó)土資源管理、拆遷、建設(shè)和地籍調(diào)查等項(xiàng)目中，都需要測(cè)繪1∶500地形圖。近幾年全國(guó)集中組織開(kāi)展的一些與測(cè)繪地理信息相關(guān)的項(xiàng)目，都明確要求生產(chǎn)出1∶500地形圖，如不動(dòng)產(chǎn)確權(quán)登記、高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田、美麗鄉(xiāng)村建設(shè)等。

傳統(tǒng)方法測(cè)繪1∶500地形圖，主要利用RTK和全站儀實(shí)地采集特征點(diǎn)、地物點(diǎn)的三維坐標(biāo)，再用軟件編繪地形圖。傳統(tǒng)1∶500地形圖測(cè)量采集要素多、精度要求高，需要投入大量測(cè)工實(shí)地采點(diǎn)、調(diào)繪，需要較高的時(shí)間和資金成本。近年來(lái)航空攝影測(cè)量的發(fā)展，使得采用固定翼無(wú)人機(jī)搭載單鏡頭相機(jī)或多旋翼無(wú)人機(jī)搭載五鏡頭相機(jī)攝影測(cè)量的技術(shù)已較為成熟，并在1∶2000及以下比例尺的測(cè)圖項(xiàng)目中廣泛應(yīng)用[1-4]。隨著飛控軟件、續(xù)航時(shí)間、定位精度、載重量等無(wú)人機(jī)參數(shù)的優(yōu)化提升，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)圖效率逐步提高，需要用到的外業(yè)測(cè)繪人員大幅減少，無(wú)人機(jī)已基本取代傳統(tǒng)人工測(cè)繪，成為大面積測(cè)圖的主流方式[5-9]。但傳統(tǒng)航測(cè)一直沒(méi)有突破5 cm點(diǎn)位中誤差要求，這就限制了無(wú)人機(jī)在高精度測(cè)圖項(xiàng)目中的應(yīng)用。因此，研發(fā)一種適應(yīng)于大范圍1∶500的無(wú)人機(jī)測(cè)圖方案迫在眉睫。本文以哈瓦四軸八旋翼折疊雙電版無(wú)人機(jī)MEGA-V8Ⅲ為平臺(tái)，加載五相機(jī)三維立體傾斜測(cè)量系統(tǒng)，經(jīng)檢驗(yàn)所測(cè)1∶500地形圖滿(mǎn)足測(cè)量規(guī)范要求。

1 總體技術(shù)路線(xiàn)

傾斜攝影技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，基于攝影測(cè)量技術(shù)，通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器(目前常用五鏡頭相機(jī))，同時(shí)從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息。

以?xún)A斜攝影技術(shù)獲取的影像數(shù)據(jù)為主要素材，將結(jié)合其他技術(shù)手段獲得的現(xiàn)狀影像照片或掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)多視影像空中三角測(cè)量、多視影像密集匹配、數(shù)字表面模型生成、三維空間網(wǎng)格模型生成、紋理映射、真正射影像糾正等過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)化加工處理后，對(duì)自然環(huán)境中的地形地貌、地物設(shè)施等場(chǎng)景實(shí)況三維模型構(gòu)建的過(guò)程，即無(wú)需人工干預(yù)，從多源數(shù)據(jù)中獲取連續(xù)影像，從而生成真三維模型的過(guò)程，稱(chēng)之為自動(dòng)化實(shí)景三維建模，通過(guò)自動(dòng)化實(shí)景三維建模所獲得的真三維模型，稱(chēng)為實(shí)景三維模型。

實(shí)景三維建模具備高效率、高精度、高真實(shí)感、低成本的優(yōu)勢(shì)，由其得到的實(shí)景三維模型可以用來(lái)直接測(cè)量坐標(biāo)、采集成圖，實(shí)現(xiàn)裸眼三維測(cè)圖。由于實(shí)景三維模型能多角度查看地物，在正射影像中無(wú)法修正而需要到現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪的屋檐、飄樓、陽(yáng)臺(tái)等細(xì)節(jié)信息，都可以直接在三維場(chǎng)景下采集、標(biāo)注，這大大減少了外業(yè)調(diào)繪的工作量，在室內(nèi)就能完成采點(diǎn)和制圖工作。

2 關(guān)鍵技術(shù)

傾斜攝影全作業(yè)流程中的主要誤差來(lái)源有數(shù)據(jù)源采集誤差和處理誤差，具體包括原始數(shù)據(jù)(相片)采集誤差、解算誤差和三維測(cè)圖軟件的采點(diǎn)誤差。本文提出了針對(duì)無(wú)人機(jī)航攝過(guò)程中各個(gè)精度影響因素的解決辦法，定制了采集高精度原始影像的無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)，并革新了內(nèi)業(yè)測(cè)圖方式。

2.1 集成RTK模塊的多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1.1 機(jī)身穩(wěn)定設(shè)計(jì)

本文采用的平臺(tái)是哈瓦四軸八旋翼折疊雙電版無(wú)人機(jī)MEGA-V8Ⅲ，哈瓦無(wú)人機(jī)機(jī)身采用的碳纖維一體化設(shè)計(jì)增加了機(jī)身整體強(qiáng)度,減少了震動(dòng),降低了外界信號(hào)的干擾問(wèn)題，提高了機(jī)體的安全性和可靠性。掛載設(shè)備下沉式設(shè)計(jì)使飛行器的相對(duì)重心下沉，有利于飛行器的穩(wěn)定性，姿態(tài)控制更為簡(jiǎn)單，從而提高飛行器的適航能力。上下正反槳共軸設(shè)計(jì)結(jié)合為雙冗余控制系統(tǒng)，為飛行平臺(tái)提供充沛的動(dòng)力，極好的機(jī)動(dòng)性能，適應(yīng)復(fù)雜飛行情況，與同等機(jī)型對(duì)比，動(dòng)力響應(yīng)更快、抗風(fēng)能力更強(qiáng)、飛行姿態(tài)更穩(wěn)定、整體性能更優(yōu)異。

2.1.2 相機(jī)拍攝時(shí)間與POS定位時(shí)間的同步

利用無(wú)人機(jī)航測(cè)實(shí)施1∶2000及以下大比例尺測(cè)圖時(shí)，容錯(cuò)范圍較大，即使飛機(jī)的時(shí)間、位置與相機(jī)拍照的時(shí)間、位置不統(tǒng)一，對(duì)航測(cè)造成的影響也在誤差允許的范圍內(nèi)。而當(dāng)比例尺變成1∶500，特別是在不動(dòng)產(chǎn)確權(quán)登記項(xiàng)目中，容錯(cuò)誤差變成了界址點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差(5 cm以?xún)?nèi))，這時(shí)POS定位時(shí)間相對(duì)于相機(jī)拍攝時(shí)間的延遲對(duì)整個(gè)測(cè)圖系統(tǒng)的影響變大。本文研究通過(guò)相機(jī)熱靴傳遞脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)相機(jī)-GNSS接收機(jī)毫秒級(jí)同步，觸發(fā)接收機(jī)內(nèi)部核心模塊對(duì)原始數(shù)據(jù)的采樣，并進(jìn)行定位、定向和速度的高精度解算。其優(yōu)點(diǎn)如下：①由相機(jī)快門(mén)釋放時(shí)刻產(chǎn)生的信號(hào)觸發(fā)接收機(jī)，最大限度地減少了機(jī)械延時(shí)產(chǎn)生的誤差；②由外部事件控制接收機(jī)原始數(shù)據(jù)的采樣，而不是根據(jù)觸發(fā)時(shí)刻和前后坐標(biāo)等信息進(jìn)行插值計(jì)算，保證了高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下的測(cè)量精度。

2.1.3 機(jī)載RTK模塊的高精度無(wú)人機(jī)航攝定位

無(wú)人機(jī)在空中飛行的姿態(tài)與飛機(jī)的穩(wěn)定性和定位系統(tǒng)有很大的關(guān)系。目前大多數(shù)無(wú)人機(jī)只搭載了磁羅盤(pán)和GPS的單點(diǎn)定位系統(tǒng)，這導(dǎo)致無(wú)人機(jī)在空中的姿態(tài)數(shù)據(jù)，即POS點(diǎn)誤差非常大，尤其是在比例尺為1∶500時(shí)，可能直接造成三維模型的波浪式起伏，或局部的隆起、下沉等，從而導(dǎo)致1∶500地形圖的超限超規(guī)。

本文項(xiàng)目的哈瓦無(wú)人機(jī)為飛行控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了高精度導(dǎo)航定位系統(tǒng)，采用雙RTK設(shè)計(jì)，天線(xiàn)間距約1 m，能夠接收三星(北斗、GPS、GLONASS)7個(gè)頻段數(shù)據(jù)，通過(guò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)將三維定位精度由米級(jí)提升至厘米級(jí)，集成了定位、定高和測(cè)向功能，可實(shí)現(xiàn)高精度飛行。傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)定高采用的氣壓計(jì)極易受載體氣動(dòng)布局和氣流波動(dòng)影響，在啟動(dòng)、剎車(chē)或長(zhǎng)距離、長(zhǎng)時(shí)間飛行時(shí)可能出現(xiàn)嚴(yán)重的高度誤差。而RTK提供的可靠的厘米級(jí)高度信息，能夠輸出精準(zhǔn)的航向信息；提供的強(qiáng)大的抗磁干擾能力，在高壓線(xiàn)、金屬建筑等強(qiáng)磁干擾的環(huán)境下保障飛行的可靠性。高精度的雙RTK多傳感器結(jié)合靈活充沛的動(dòng)力系統(tǒng)和飛控算法，保證了定制無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中的高精度飛行，即使在有風(fēng)情況下也能對(duì)姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)矯正，采用FOC反饋電調(diào)實(shí)時(shí)反饋動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，有效提升動(dòng)力系統(tǒng)效率和控制靈敏度約10%，航線(xiàn)軌跡可高精度重復(fù)，航線(xiàn)精度誤差為2 cm，定向精度為0.2°，3～4級(jí)風(fēng)情況下掉高不超過(guò)0.5 m(如圖1所示)。

2.1.4 自主減震系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文從無(wú)人機(jī)與航攝系統(tǒng)一體化減震設(shè)計(jì)角度包括機(jī)型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獨(dú)特，碳纖維一體成型機(jī)身的仿生設(shè)計(jì)，4個(gè)電機(jī)座相互平行出發(fā)，通過(guò)機(jī)身結(jié)構(gòu)降低振動(dòng)頻率及振幅，從而使得電機(jī)震動(dòng)最小的傳導(dǎo)到機(jī)身中心點(diǎn)。另外，本文還設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)與掛載之間的減震系統(tǒng)，通過(guò)獨(dú)特的風(fēng)洞設(shè)計(jì)，使得無(wú)人機(jī)在空中飛行過(guò)程中，減少電機(jī)及空氣氣流等因素對(duì)機(jī)身的震動(dòng)影響(如圖2所示)。

2.1.5 優(yōu)化了五鏡頭相機(jī)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)

傾斜攝影1∶500高精度三維測(cè)圖技術(shù)定制了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，即無(wú)人機(jī)搭載的五相機(jī)，通過(guò)大量采集實(shí)踐，調(diào)整了五相機(jī)的焦距、光圈、鏡頭等參數(shù)，大大降低了采集誤差。五鏡頭傾斜相機(jī)采用高品質(zhì)相機(jī)搭配帶有ED鏡片的高端T*鏡頭，針對(duì)航測(cè)特性及需求進(jìn)行了系統(tǒng)化的改裝，5個(gè)相機(jī)嚴(yán)格要求時(shí)碼同步、幀同步，合焦點(diǎn)相同，因此對(duì)相機(jī)的調(diào)校要求極高。飛控給出拍攝指令，相機(jī)執(zhí)行快門(mén)到1/2處時(shí)，飛控同時(shí)記錄RTK POS點(diǎn)，兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)完全一致。另外，相機(jī)通過(guò)掛載端的減震處理，保證了無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中的振動(dòng)不被傳導(dǎo)到相機(jī)，將振動(dòng)與相機(jī)進(jìn)行物理隔離。同時(shí)，根據(jù)飛行速度等因素，測(cè)定了飛行的前傾角度，在云臺(tái)掛載端進(jìn)行了相應(yīng)角度的修正，保證在作業(yè)過(guò)程中正攝鏡頭與地面呈90°。

2.2 嚴(yán)密的高精度像控布設(shè)與空三解算

利用航測(cè)方式實(shí)現(xiàn)1∶500測(cè)圖，必須引入高精度的像控點(diǎn)參與空三解算。就某一測(cè)區(qū)而言，理論上高精度的像控點(diǎn)越多越能清晰地描述該地區(qū)，但考慮實(shí)際的作業(yè)效率和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，像控點(diǎn)并非越多越好，而是應(yīng)有合理的分布和合理的數(shù)量，才能平差得出符合實(shí)際的三維模型。本文根據(jù)實(shí)際測(cè)區(qū)情況和空三平差原理，設(shè)計(jì)出合理數(shù)量和均勻分布的像控點(diǎn)，結(jié)合POS系統(tǒng)提供的外方位元素和相機(jī)安裝位置關(guān)系，輔助控制點(diǎn)強(qiáng)連接幾何條件，GPS+IMU實(shí)現(xiàn)多視角影像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差迭代計(jì)算，從而平差得到了精度達(dá)到2 cm以?xún)?nèi)的三維模型，滿(mǎn)足了確權(quán)所需要的界址點(diǎn)點(diǎn)位中誤差的要求。

2.3 多視角組合采集的全新測(cè)圖模式

本文將傳統(tǒng)航測(cè)的雙目立體視覺(jué)方法，擴(kuò)展到以機(jī)器視覺(jué)多視圖匹配，大幅提升交會(huì)精度。自動(dòng)檢索多拍攝角度影像，結(jié)合傾斜攝影同名點(diǎn)匹配技術(shù)，提出了模型與影像結(jié)合的矢量采集新模式，相比傳統(tǒng)航測(cè)采集，無(wú)需佩戴立體眼鏡，即可在傾斜影像上實(shí)現(xiàn)屋檐和陽(yáng)臺(tái)的改正，大幅降低外業(yè)工作強(qiáng)度(如圖3所示)。

針對(duì)場(chǎng)景中的遮擋問(wèn)題，本文創(chuàng)新性地提出輔助線(xiàn)方法，通過(guò)點(diǎn)-線(xiàn)聯(lián)合解算改善幾何條件，設(shè)計(jì)了采集-驗(yàn)證模式，可對(duì)多種地形模式和地物部件進(jìn)行內(nèi)業(yè)全要素采集，并為質(zhì)檢提供了一套有效的工具系統(tǒng)。

2.4 快速海量影像處理的協(xié)同生產(chǎn)體系

本文通過(guò)生產(chǎn)協(xié)同處理框架，實(shí)現(xiàn)對(duì)空三、自動(dòng)建模、測(cè)圖、質(zhì)檢等工具軟件的任務(wù)和版本管理。通過(guò)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)和分布式文件存儲(chǔ)技術(shù)，解決了數(shù)據(jù)文件多、種類(lèi)雜、分布散的問(wèn)題，并使用負(fù)載均衡等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)中間數(shù)據(jù)高效流轉(zhuǎn)，達(dá)到了軟件間的互聯(lián)互通?；跐u進(jìn)網(wǎng)格化存儲(chǔ)模型的影像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型設(shè)計(jì)、多點(diǎn)透視索引算法和CPU-GPU協(xié)同并行處理提升作業(yè)單位整體生產(chǎn)效能。利用FastFDS分布式文件系統(tǒng)進(jìn)行一致性哈希改造，搭建高可用分布式影像存儲(chǔ)和檢索框架CFDS，哈希結(jié)果盡可能地平均分散到各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能得到充分利用。確保在出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別故障節(jié)點(diǎn)，自動(dòng)恢復(fù)故障節(jié)點(diǎn)涉及的數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)，使得單節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響到系統(tǒng)整體的對(duì)外服務(wù)，完全不影響業(yè)務(wù)的連續(xù)性。在數(shù)據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中，形成規(guī)范化的工作流程管理及各生產(chǎn)過(guò)程中數(shù)據(jù)共享和處理環(huán)節(jié)的并行優(yōu)化。

3 成果應(yīng)用案例

3.1 項(xiàng)目背景和技術(shù)路線(xiàn)

廣州市白云區(qū)馬瀝村是原國(guó)土資源部農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查的示范點(diǎn)，項(xiàng)目需要測(cè)繪高精度的1∶500地籍地形圖，測(cè)區(qū)面積1.5 km2，地勢(shì)相對(duì)平坦，地面要素主要為村莊居民地、耕地。傾斜攝影1∶500高精度三維測(cè)圖技術(shù)的技術(shù)路線(xiàn)為：傾斜攝影數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、實(shí)景三維建模、三維測(cè)圖、精度檢核及成果提交。

3.2 航飛路線(xiàn)設(shè)計(jì)

測(cè)區(qū)范圍內(nèi)最高地物為電塔，約為65～70 m，實(shí)際飛行高度為102 m，航飛地面分辨率為2 cm，飛行時(shí)間共計(jì)2 d 13個(gè)架次，影像旋偏角控制在6°范圍內(nèi)，航向重疊與旁向重疊率控制在70%以上(如圖4所示)。

3.3 像片控制測(cè)量和建模

像控采用先整體再局部，由長(zhǎng)邊控制短邊的方式布設(shè)。測(cè)區(qū)總共布設(shè)了28個(gè)像控點(diǎn)，其中3個(gè)靜態(tài)點(diǎn)由國(guó)家二等控制點(diǎn)引入，另外25個(gè)點(diǎn)采用RTK 1+1模式加密布設(shè)而成，像控點(diǎn)間呈等邊三角形分布。

本次空三和建模軟件采用ContextCapture實(shí)景三維建模軟件。坐標(biāo)系為CGCS2000，中央子午線(xiàn)為東經(jīng)114°，無(wú)人機(jī)POS為精確WGS-84坐標(biāo)。平差時(shí)使用23個(gè)控制點(diǎn)，另外5個(gè)控制點(diǎn)作為檢測(cè)點(diǎn)使用，像控點(diǎn)檢測(cè)成果見(jiàn)表1。

表1 像控點(diǎn)坐標(biāo)檢查統(tǒng)計(jì) mm

3.4 室內(nèi)測(cè)圖

項(xiàng)目室內(nèi)測(cè)圖采用DP-Modeler軟件，實(shí)現(xiàn)利用傾斜攝影技術(shù)獲取的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度的大比例尺地形數(shù)據(jù)的矢量采集工作。作業(yè)人員無(wú)需佩戴立體眼鏡，根據(jù)模型和影像所見(jiàn)即所得的定位地物要素的三維信息，采集同時(shí)賦予要素的國(guó)標(biāo)編碼，矢量成果可導(dǎo)出多種數(shù)據(jù)格式(如圖5所示)。DP-Modeler軟件能實(shí)現(xiàn)屋檐糾正，大大減少外業(yè)調(diào)繪工作量。本文研究表明，采用無(wú)人機(jī)方法測(cè)1∶500地形圖比傳統(tǒng)地形圖測(cè)量方法減少約2/3的時(shí)間和人力成本。

3.5 成果質(zhì)量檢驗(yàn)

本文1∶500地籍地形圖成果采用傳統(tǒng)全站儀進(jìn)行外業(yè)采點(diǎn)進(jìn)行成果自檢，地物點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為2.71 cm，具體結(jié)果見(jiàn)表2。經(jīng)省級(jí)測(cè)繪地理信息產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)站進(jìn)行第三方質(zhì)檢，抽樣5幅1∶500地籍地形圖，檢驗(yàn)結(jié)果表明數(shù)據(jù)及格式正確，要素分層合理，地理要素采集方法正確，綜合取舍較為合理，數(shù)學(xué)精度符合設(shè)計(jì)要求(見(jiàn)表3)。

表2 平面坐標(biāo)的精度統(tǒng)計(jì)

注：Δ=10 cm,地物點(diǎn)點(diǎn)位中誤差σ=2.71 cm

表3 第三方質(zhì)檢數(shù)學(xué)精度統(tǒng)計(jì) cm

4 結(jié) 語(yǔ)

本文的無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)搭載了高精度的定位設(shè)備，再結(jié)合地面控制點(diǎn)，成果平面和高程中誤差均可控制在5 cm以?xún)?nèi)，達(dá)到了1∶500地形地籍測(cè)量的精度要求。實(shí)景三維建模是在航拍影像的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)構(gòu)建還原真實(shí)世界的完整面貌，實(shí)現(xiàn)了全要素覆蓋的三維建模，并大大縮短了外業(yè)采集的時(shí)間，顯著提升了綜合作業(yè)效率。另外，本文在采集地形圖成果的同時(shí)，還能得到DOM、TDOM、DEM、DSM、實(shí)景三維模型等測(cè)繪成果，采集生產(chǎn)的數(shù)據(jù)可用性大大增強(qiáng)，提升了項(xiàng)目的附加值和生產(chǎn)單位的競(jìng)爭(zhēng)力。