樊豐新，孫建軍

（1.天津市勘察設計院集團有限公司,天津 300191）

構(gòu)建城市社區(qū)空間地理三維模型,需要紋理真實直觀、定位信息準確的影像數(shù)據(jù)作為支撐[1]。傳統(tǒng)三維建模數(shù)據(jù)采集周期長、成本高,且易出現(xiàn)地理信息少、紋理失真、精度低等問題[2]。傾斜攝影測量克服了只能從垂直角度獲取影像的局限,可獲得不同角度高分辨率的建筑物側(cè)面紋理信息,從而降低三維建模成本[3]。旋翼無人機傾斜攝影測量實施方便,三維建模軟件自動化程度高,三維景觀表現(xiàn)好,三維裸眼測圖、真正射影像制作等后期數(shù)據(jù)處理技術(shù)基本成熟,能滿足一般用戶的需求。然而,將旋翼無人機傾斜攝影三維建模技術(shù)應用于應急測繪時,不僅要求快速生成逼真的三維模型,而且需要基于三維模型進行精確的測量分析,這對三維建模的效率、精度和表現(xiàn)效果提出了更高的要求[4]。本文基于城市社區(qū)測量實踐分析,研究了無人機傾斜攝影的生產(chǎn)作業(yè)流程,探討了快速高質(zhì)量測量作業(yè)的實施方案,提出了一套提高旋翼無人機三維建模質(zhì)量和效率的方法。

1 基于傾斜攝影測量的三維建模技術(shù)

1.1 技術(shù)流程

首先利用旋翼無人機傾斜攝影測量技術(shù)獲取多視角垂直、傾斜數(shù)字影像,然后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理生成密集三維點云數(shù)據(jù),最后結(jié)合自動化實景三維建模方法獲得真實的三維地理信息場景。其作業(yè)過程包括攝影規(guī)劃、影像獲取、影像預處理、像控點布設與測量、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、傾斜影像密集匹配、數(shù)字表面模型點云生成、不規(guī)則三角形格網(wǎng)構(gòu)建、紋理映射和實景三維建模等環(huán)節(jié)[5],如圖1所示?；趦A斜攝影測量技術(shù)的三維模型構(gòu)建包括影像匹配、空中三角測量、密集匹配、構(gòu)建三角網(wǎng)和紋理映射5個關鍵流程。

圖1 小區(qū)域快速勘測技術(shù)流程圖

1.2 傾斜攝影測量數(shù)據(jù)處理軟件

傾斜攝影測量數(shù)據(jù)處理軟件能對多源、海量照片自動構(gòu)建帶有圖像紋理的三維格網(wǎng)模型,具備同名點自動選取、多視匹配、三角網(wǎng)構(gòu)建、自動賦予紋理等功能,支持生產(chǎn)通用格式三維成果數(shù)據(jù),能輸出不同分辨率的通用格式真數(shù)字正射影像和數(shù)字表面模型成果數(shù)據(jù)。目前市場上實景三維建模軟件包括:①法國AirBus公司像素工廠,能實現(xiàn)對航空航天遙感影像的全自動處理,作為像素工廠子系統(tǒng)的街景工廠能全自動處理傾斜影像構(gòu)建的三維模型,具有人工干預少、處理效率高的特點；②Bentley公司ContextCaptrue軟件,能在傾斜影像上進行空中三角測量,其精度滿足要求后可自動生成實景三維模型；③Skyline公司PhotoMesh軟件、Intergraph公司DMC軟件和徠卡公司的LPS工作站等都具備處理傾斜影像數(shù)據(jù)的能力[6]。

1.3 無人機傾斜攝影測量質(zhì)量控制

1.3.1 飛行質(zhì)量檢查

在人工建筑物區(qū)域,航向重疊度應不小于80%,旁向重疊度應不小于80%；在自然障礙物區(qū)域,航向重疊度應不小于80%,旁向重疊度應不小于75%；在開闊地區(qū)域,航向重疊度應不小于70%,旁向重疊度應不小于65%。航攝飛行俯仰角一般不大于10°,最大不超過20°,出現(xiàn)超過15°的相片數(shù)不大于總數(shù)的5%。橫滾角一般不大于3°,最大不超過15°,出現(xiàn)超過6°的相片數(shù)不大于總數(shù)的5%。同一條航線內(nèi)航向角互差一般不大于5°,相鄰航線航向角互差約為180°。同一航線上相鄰相片的航高差應不大于3m,最大航高與最小航高之差應不大于5m,實際航高與設計航高之差應不大于3m。航攝中出現(xiàn)的航攝漏洞均應及時補攝,應采用相同的數(shù)碼相機在相同的氣象條件下補攝,補攝航線的兩側(cè)應超出漏洞之外兩條基線。

1.3.2 相片質(zhì)量檢核

相片應清晰、層次豐富、反差適中、色調(diào)柔和；應能辨認出與地面分辨率相適應的細小地物,能建立清晰的立體模型；不應有煙、污點、大面積反光、云影等缺陷。

1.3.3 像控點測量成果檢查

利用CORS站進行RTK測量:選擇固定點位進行重復觀測,每次觀測坐標與前日互差應不大于4 cm。利用已知點進行RTK測量:每次測量前后應在同一已知點上進行檢核,當檢核坐標滿足要求后才能進行測量作業(yè),測量結(jié)束后還應對控制點進行檢核,檢核方法同測前。同一點位應觀測4測回,測回間平面坐標互差和高程互差均應不大于4 cm。

1.3.4 空中三角測量精度要求

參照GB/T 23236-2009《數(shù)字航空攝影測量 空中三角測量規(guī)范》的有關要求,對成圖區(qū)域進行空中三角測量,檢查點平面位置中誤差、高程中誤差。內(nèi)業(yè)加密點對附近野外控制點的平面位置中誤差、高程中誤差應符合表1規(guī)定。

表1 空中三角測量平面位置中誤差、高程中誤差要求/m

2 三維建模實踐

2.1 實驗區(qū)概況

實驗區(qū)為某城市面積約為0.2 km2的區(qū)域,東西長約400 m、南北寬約500 m,平均海拔為40 m,最大地面高差為23 m,地形地貌以樓房、城市道路和林地為主。

2.2 方案實施

人員配備（共4人）:航飛組2人,像控測量組2人,內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理2人（出自前2組）。設備投入:無人機系統(tǒng)1套,車輛1臺,RTK 1套,數(shù)據(jù)處理工作站1臺。方案實施時間如表2所示。

表2 方案實施時間表

2.3 像控點測量

由于實驗無人機航攝系統(tǒng)自帶高精度差分POS,可大量減少地面像控點數(shù)量,因此像控點布設的原則為:①最小化外業(yè)工作量和強度；②不均勻布點,測試極限條件下的產(chǎn)品精度。實驗區(qū)為0.2 km2的小區(qū)域,僅需布設5個像控點,大體布設在4個角隅和中心,如圖2所示。

圖2 像控點分布圖

像控點使用南方銀河1plus接收機,采用網(wǎng)絡RTK方式進行測量,每個點測3個測回,每個測回平滑10次,取其平均數(shù)作為最終值。測回間平面X、Y方向較差小于1 cm,高程方向較差小于2 cm。

2.4 無人機航攝

實驗設計1個航攝架次,按南北方向敷設7條航線（圖3）,航向重疊度為70%,旁向重疊度為60%,航高為120 m,地面分辨率為4 cm,采用高精度GNSS差分POS數(shù)據(jù)作為相片外方位元素。相機快門速度為1/1 600,ISO感光度小于400,曝光采用平均測光,像點位移為1.5 cm,小于影像地面分辨率4 cm,符合像點位移不高于1個像素的要求。實驗共獲取影像550張。

圖3 實驗區(qū)航線規(guī)劃圖

2.5 數(shù)據(jù)處理

按照ContextCapture軟件要求的數(shù)據(jù)格式整理好原始數(shù)據(jù)后,再進行畸變糾正、勻光勻色、格式轉(zhuǎn)換等預處理工作；然后進行空中三角測量,先自由網(wǎng)平差再人工加刺像控點和檢查點,檢查空中三角測量的精度；最后進行產(chǎn)品生產(chǎn),依次生成高精度的實景三維模型、DOM、DSM等數(shù)字化產(chǎn)品。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)成果

實驗的主要成果（圖4）包括DOM、DSM、實景三維模型,其中正射影像拼接完好、色調(diào)清晰均勻、反差適中；實景三維模型細部表現(xiàn)準確、紋理自然清晰、場景表現(xiàn)真實、比例協(xié)調(diào)一致,沒有飛點、強光、拉花等現(xiàn)象。

圖4 主要成果展示

3.2 精度分析

本文共設置6個均勻分布的檢查點,能反映無人機航攝區(qū)實景三維模型、DOM、DSM等產(chǎn)品的平面和高程精度。以實景三維模型精度分析為例,以網(wǎng)絡RTK實測值作為真值,比較分析點位較差和中誤差,統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

表3 實景三維模型精度統(tǒng)計表/m

由表3可知,實驗區(qū)實景三維模型平面誤差絕對值的最大值為0.084 m、最小值為0.001 m,平面位置中誤差為0.061 m；高程誤差絕對值的最大值為0.114 m、最小值為0.009 m,高程中誤差為0.059 m,表明實景三維模型滿足《三維地理信息模型生產(chǎn)規(guī)范》的要求。

無人機傾斜攝影過程決定了三維建模的質(zhì)量和效率,航攝相片的數(shù)量和質(zhì)量必須恰到好處。一般來說,無人機傾斜攝影場地勘察、航跡規(guī)劃和補攝對傾斜攝影質(zhì)量的影響較大[7],將直接影響后期數(shù)據(jù)處理的難度和效率。

4 結(jié) 語

基于0.2 km2區(qū)域地形圖測繪作業(yè)實踐,本文系統(tǒng)梳理了無人機傾斜攝影測量技術(shù)應用于小范圍測繪生產(chǎn)的具體作業(yè)流程。實驗結(jié)果表明,無人機低空傾斜攝影測量技術(shù)可滿足大比例尺地形測繪的技術(shù)要求,有效提升成圖效率[8],具有廣闊的應用前景。結(jié)合實際作業(yè),本文總結(jié)了提高旋翼無人機傾斜攝影三維建模質(zhì)量和效率的技術(shù)方案,有利于旋翼無人機傾斜攝影測量技術(shù)的推廣應用。