楊亞彬，謝思梅，謝榮安

(1.廣東省地質(zhì)測繪院，廣東 廣州 510800；2.廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060)

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用不但較好地解決了普通航攝精度不足的問題，而且實(shí)現(xiàn)了對地物頂部和側(cè)立面的建模和紋理采集，在大范圍三維建模方面表現(xiàn)出了卓越的能力。能夠適應(yīng)于小面積或大范圍攝影測量作業(yè)，可獲得實(shí)景三維模型、正射影像、數(shù)字高程模型和高精度大比例尺地形圖等成果[1-4]。本文嘗試在肇慶市利用傾斜攝影測量技術(shù)生產(chǎn)1∶500地形地籍圖生產(chǎn)實(shí)踐，研究探討用于不動(dòng)產(chǎn)數(shù)據(jù)更新的可行性及成熟度。

1 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)原理

傾斜攝影技術(shù)是通過在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器(目前常用的是五鏡頭相機(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。拍攝原理如圖1所示。只要通過一次飛行，就能獲得5個(gè)不同視角的影像，同時(shí)還能利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行紋理自動(dòng)貼圖[5-6]。將傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用到無人機(jī)上，獲取更加真實(shí)、更加直觀、更加符合實(shí)際的三維模型[7]。因此與傳統(tǒng)技術(shù)相比，傾斜攝影技術(shù)具有更高的效率、性價(jià)比及更高的精度，應(yīng)用范圍也越來越廣泛。

圖1 傾斜攝影測量拍攝原理示意圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 傾斜攝影測量系統(tǒng)選擇

無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)是以無人機(jī)為飛行平臺(tái)，以傾斜攝影相機(jī)為任務(wù)設(shè)備的航空影像獲取系統(tǒng)，平臺(tái)重點(diǎn)應(yīng)考慮載重、巡航速度、實(shí)用升限、續(xù)航時(shí)間、安全性和抗風(fēng)等級(jí)等幾個(gè)方面，傾斜相機(jī)的性能指標(biāo)主要有獲取影像能力、作業(yè)時(shí)間、曝光功能、續(xù)航時(shí)間、POS記錄功能等方面。本文采用的無人機(jī)傾斜攝影平臺(tái)從4個(gè)方面進(jìn)行了技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)：無人機(jī)與航攝系統(tǒng)一體化穩(wěn)定設(shè)計(jì)使飛行更趨穩(wěn)定；高精度雙RTK模塊導(dǎo)航定位與精準(zhǔn)飛行技術(shù)使航線精度誤差控制在2 cm、定向精度0.2°以內(nèi)；五鏡頭傾斜相機(jī)一體化固定結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；POS采集與相機(jī)拍攝同步技術(shù)解決了匹配與同步對整個(gè)過程造成的誤差影響，最大程度減少了機(jī)械延時(shí)產(chǎn)生的誤差，保證了高動(dòng)態(tài)場景下的采樣精度。

2.2 飛行航線設(shè)計(jì)

航攝高度的確定[8-9]：無人機(jī)傾斜攝影的飛行高度是航線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。航攝高度需要根據(jù)任務(wù)要求選擇合適的地面分辨率，然后結(jié)合傾斜相機(jī)的性能，按照式(1)計(jì)算

H=f×GSD/a

(1)

式中，H為航高；f為相機(jī)焦距；GSD為地面分辨率；a為像元尺寸。

航攝重疊度的要求：低空數(shù)字航空攝影規(guī)范規(guī)定“航向重疊度一般應(yīng)為60%～80%，最小不小于53%；旁向重疊度一般應(yīng)為15%～60%，最小不小于8%”。在無人機(jī)傾斜攝影時(shí)，旁向重疊度明顯不夠。不論航向重疊度還是旁向重疊度，按照算法理論建議值為70%以上，結(jié)合實(shí)際結(jié)果一般選擇航向及旁向重疊度不低于75%為宜。

2.3 像片控制測量

控制測量是為了保證空三精度、確定地物目標(biāo)在空間系統(tǒng)中的絕對位置[8-9]。因此對控制點(diǎn)的布設(shè)密度和測量方法是確保大比例尺成圖精度的基礎(chǔ)。傾斜攝影技術(shù)相對于傳統(tǒng)攝影技術(shù)在影像重疊度上要求更高，現(xiàn)有的規(guī)范關(guān)于像控點(diǎn)布設(shè)要求已難以滿足高分辨率無人機(jī)傾斜攝影測量要求，鑒于無人機(jī)航攝通常采用GNSS定位模式，自身帶有POS數(shù)據(jù)，對確定影像間的相對位置作用明顯，利于提高空三計(jì)算的準(zhǔn)確度。為此像控點(diǎn)布設(shè)密度建議設(shè)計(jì)為40 000～60 000像素為宜。

2.4 多視影像匹配及自動(dòng)空三

利用多視幾何技術(shù)對多視影像匹配與空三加密二者進(jìn)行有效融合，其優(yōu)化結(jié)果能夠?yàn)閿z影測量加密提供良好的初始數(shù)據(jù)。以傳統(tǒng)攝影測量加密采用較為嚴(yán)密的光束法區(qū)域平差，其使用的函數(shù)模型共線方程式為

(2)

式中，(u,v)為像點(diǎn)坐標(biāo)；(u0,v0)為像主點(diǎn)坐標(biāo)；f為相機(jī)焦距；(X,Y,Z)為像點(diǎn)對應(yīng)的物方空間點(diǎn)坐標(biāo)；(Xs,Ys,Zs)為相機(jī)外方位元素的3個(gè)線元素；ai、bi、ci(i=1,2,3)為外方位元素的3個(gè)角元素(φ，ω，κ)構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)矩陣。線性化后得到

v=At+BX-L

(3)

(4)

式中,λi為比例因子。

投影矩陣P包含11個(gè)自由變量，又可分解為旋轉(zhuǎn)矩陣R、平移矩陣T和相機(jī)檢校矩陣K，如

P=K[RT]

(5)

通過在候選深度上將匹配影像糾正到主視圖像并融合為深度鎖定影像，充分利用多視影像的冗余觀測值，顯著提高密集匹配的效率和精度。

2.5 傾斜影像三維建模技術(shù)

采用革新性的解析方法及作業(yè)模式[10-13]，實(shí)現(xiàn)多視角自動(dòng)檢索、優(yōu)選配準(zhǔn)影像，通過結(jié)合傾斜攝影同名點(diǎn)匹配技術(shù)建立影像與模型的嚴(yán)格對應(yīng)關(guān)系，以多視最小二乘矢量匹配支持下的子像素定位精度，鉛直輔助線對照影像觀測邊緣特征，形成2D邊緣特征→前交3D矢量→投影到圖像2D特征驗(yàn)證的交互式迭代采集模式。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 應(yīng)用區(qū)域

為了滿足區(qū)域不動(dòng)產(chǎn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性及準(zhǔn)確性[14-15]，更新測繪試驗(yàn)區(qū)，選擇位于肇慶市端州區(qū)西北部面積3.331 km2的區(qū)域。測區(qū)屬于丘陵臺(tái)地，地勢北高南低，地形以村莊、居住小區(qū)、大學(xué)校園、道路及附屬建筑物等，北部有少量山地，測區(qū)平均海拔高度約為60 m，地形最大落差約為100 m，建筑物最大高度約為80 m。

3.2 主要精度指標(biāo)及軟硬件設(shè)備技術(shù)參數(shù)

項(xiàng)目成圖比例尺為1∶500，基本等高距為0.5 m。三維模型及主要地物點(diǎn)平面精度為±5 cm；城市建成區(qū)和鋪裝地面高程注記點(diǎn)高程中誤差不大于10 cm。

硬件采用哈瓦M(jìn)EGA V8四軸八旋翼搭載五鏡頭傾斜攝影測量系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，航線管理多任務(wù)一體化，同時(shí)兼容北斗、GPS、GLONASS 3種衛(wèi)星定位模式，采用HARWAR-YT-5POPC IV飛行模塊，搭載索尼5100X5相機(jī)1.2億像素，地面分辨率為1.8 cm，定位精度水平方向?yàn)? cm，垂直方向?yàn)? cm。軟件使用ContextCapture Center進(jìn)行三維建模預(yù)處理，利用武漢天際航DP-Mapper軟件完成三維實(shí)景建模及地形圖生產(chǎn)。

3.3 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)流程

無人機(jī)傾斜攝影測量作業(yè)流程主要包含無人機(jī)傾斜影像數(shù)據(jù)獲取、像控測量、空三計(jì)算與優(yōu)化、實(shí)景三維模型生成、真正射影像制作、內(nèi)業(yè)測圖與外業(yè)補(bǔ)測等幾方面，如圖2所示。

圖2 項(xiàng)目作業(yè)流程

3.4 無人機(jī)傾斜攝影

試驗(yàn)區(qū)呈長方形，外業(yè)航攝分東西2個(gè)區(qū)，26架次4天完成，有效飛行面積約為4.5 km2。飛行期間均為晴天，通視條件良好。航攝數(shù)據(jù)經(jīng)檢查無遺漏，無缺失，影像清晰，層次豐富，色調(diào)均勻，對應(yīng)POS信息齊全。具體傾斜攝影技術(shù)參數(shù)見表1。此次獲得傾斜影像69 775張，數(shù)據(jù)范圍及數(shù)據(jù)質(zhì)量均滿足測區(qū)生產(chǎn)需要。

3.5 像片控制及空三加密與優(yōu)化

像控點(diǎn)布設(shè)采用在航飛前預(yù)制地面控制點(diǎn)標(biāo)志，像控點(diǎn)密度平均邊長200～250 m，共布設(shè)96個(gè)點(diǎn)，像控點(diǎn)坐標(biāo)和高程利用GDCORS采用RTK方式測量獲取。

在空三結(jié)果基礎(chǔ)上加入控制點(diǎn)聯(lián)合平差，優(yōu)化精度至1/3個(gè)像素，以滿足后續(xù)自動(dòng)化建模作業(yè)的要求。通過檢查外方位元素標(biāo)準(zhǔn)偏差能夠全面反映精度表現(xiàn)，因此空三運(yùn)算時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注的質(zhì)量指標(biāo)有：是否丟片，丟得是否合理；連接點(diǎn)是否正確，是否存在分層、斷層、錯(cuò)位；檢查的誤差、像控點(diǎn)殘差、連接點(diǎn)誤差是否滿足限差要求。

3.6 實(shí)景三維建模

將空三成果提交建模任務(wù)，通過劃分模型格網(wǎng)，采用8組GPU同步生產(chǎn)模型數(shù)據(jù)。采用ContextCapture Center軟件首先對航空影像進(jìn)行預(yù)處理，軟件自動(dòng)對每張影像進(jìn)行特征點(diǎn)檢測和匹配，然后進(jìn)行空三解算得出每張影像的內(nèi)外方位元素，稠密點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取并進(jìn)行大數(shù)據(jù)散亂點(diǎn)云曲面重建，構(gòu)建出TIN網(wǎng)白模，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行無縫紋理映射，最后輸出包括三維模型、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、DSM、DOM等多種成果。

3.7 三維測圖

利用實(shí)景三維測圖軟件DP-Modeler完成地形圖測繪，傾斜攝影三維模型實(shí)現(xiàn)所見即所得的觀測，采集過程中無需佩戴立體眼鏡，直接對地物特征輪廓、點(diǎn)狀地物進(jìn)行矢量測繪，在真三維環(huán)境中完成屋檐改正、樓層判讀、部件等地物要素和地形要素采集。對于小部分遮擋及未能確認(rèn)屬性等內(nèi)容進(jìn)行了外業(yè)調(diào)繪和補(bǔ)測。項(xiàng)目內(nèi)外業(yè)測圖工作20天順利完成。

4 精度分析

成果完成后進(jìn)行了內(nèi)外業(yè)質(zhì)量檢查。現(xiàn)重點(diǎn)對成果精度進(jìn)行檢查分析。外業(yè)采用2″級(jí)全站儀，利用已布設(shè)的像控點(diǎn)實(shí)地設(shè)站極坐標(biāo)法檢測同名地物點(diǎn)，共檢測190個(gè)地物點(diǎn)，根據(jù)《測繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》(GB/T 24356—2009)規(guī)定，對檢查點(diǎn)進(jìn)行平面和高程中誤差計(jì)算，中誤差同等精度檢測計(jì)算公式為

(6)

式中，M為成果中誤差；n為檢測點(diǎn)總數(shù)；Δi為檢測較差。通過計(jì)算精度統(tǒng)計(jì)如下：平面位置較差最小為0，最大為12.75 cm,超過2倍中誤差的點(diǎn)數(shù)為3個(gè)，粗差率為2%。外業(yè)通過鋼尺丈量地物間距共丈量61條邊，間距較差最小為0，最大為0.17 cm，其中誤差超過2倍中誤差的有3個(gè)，粗差率為4.9%。檢測地物點(diǎn)高程20個(gè)，高程較差最大為6.00 cm,最小為0.50 cm,其中高程誤差小于中誤差的有20個(gè)。具體精度統(tǒng)計(jì)詳見表2。

表2 地形圖平面位置、間距、高程檢測精度統(tǒng)計(jì)

由表2可以看出，檢測點(diǎn)誤差小于規(guī)定中誤差的點(diǎn)占比均在80%以上，顯示平面和高程精度普遍良好，精度指標(biāo)均滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)書要求。

5 結(jié) 語

利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)實(shí)施不動(dòng)產(chǎn)更新測繪是一種新的嘗試，試驗(yàn)表明對于城鄉(xiāng)及農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)數(shù)據(jù)更新及修補(bǔ)測有較好的實(shí)用性。項(xiàng)目技術(shù)成熟，工藝方法先進(jìn)，自動(dòng)化程度高，成果豐富、精度高，能夠有效減少外業(yè)工作量，投入少，工期可控，可同時(shí)獲取實(shí)景三維模型、真正射影像(TDOM)、數(shù)字表面模型(DSM)、地形圖(DLG)等成果。能夠滿足不動(dòng)產(chǎn)數(shù)據(jù)更新、登記要求，還能夠加快基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的獲取和更新，為國土空間規(guī)劃、不動(dòng)產(chǎn)登記等自然資源管理及城市現(xiàn)代化建設(shè)等各行業(yè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，應(yīng)用前景非常廣闊。對于高植被覆蓋高密集建筑區(qū)影響地形地物判讀、數(shù)據(jù)量大處理速度受限及設(shè)備續(xù)航能力等問題有待進(jìn)一步研究。