蘇瑞東

（太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

傾斜攝影技術(shù)是指通過無人機上搭載與地面成一定角度的相機獲取影像，其主要目的是獲取地物多個方位（尤其是側(cè)面）的信息，并可供用戶多角度三維瀏覽和實時量測。

隨著“數(shù)字水利”及對建筑物三維信息的快速需求，通過無人機對水利工程設(shè)施進(jìn)行多角度拍攝，利用其位置及紋理信息進(jìn)行三維建模，反映其各處實際情況，管理者可通過其多角度三維信息作出決策。本文在無人機航測水庫的基礎(chǔ)上，總結(jié)出一套適用于水利工程的無人機傾斜攝影技術(shù)。

1 像控點布設(shè)與測量

圖1 像控點測量流程圖

為了提高成圖精度，傾斜攝影測量需進(jìn)行像控點控制加密。因此，像控點布設(shè)與測量時要保證其選取的質(zhì)量及準(zhǔn)確程度。傾斜攝影測量的像控點，需均勻布設(shè)在測區(qū)范圍內(nèi)，且不同的高程應(yīng)全覆蓋。布設(shè)密度：（1）無差分GPS，均勻范圍分布3～5點/km2。（2）差分GPS：1∶2000比例尺，1點/km2；1∶1000比例尺，2個/km2；1∶500比例尺，3個/km2。

1.1 基本要求

（1）采用常規(guī)光束法區(qū)域網(wǎng)布點方案，測控網(wǎng)的劃分，按測區(qū)地形特點、航區(qū)的實際劃分、圖幅分布等情況全面進(jìn)行考慮，以能滿足空中三角測量精度要求為原則，根據(jù)具體情況選擇最優(yōu)實施方案。

（2）劃分區(qū)域網(wǎng)時，應(yīng)盡量避免航線結(jié)合處，落在區(qū)域網(wǎng)的首末航線上。

（3）區(qū)域網(wǎng)間的像控點，應(yīng)布設(shè)在區(qū)域網(wǎng)間的航線重疊處，盡可能公用。如不能公用，則需按要求分別布點。

（4）像控點全采用平高點進(jìn)行布設(shè)，區(qū)域網(wǎng)內(nèi)無人機航向相鄰控制點間基線數(shù)估算公式如下[1]：

式中：ms——連接點（空三加密點）的圖上平面中誤差，mm；

k——像片放大成圖的倍數(shù)；

mq——視差量測的單位權(quán)中誤差，mm；

n——航線方向相鄰平高控制點的間隔基線數(shù)。

1.2 測量流程

據(jù)庫區(qū)管理人員提供的水利樞紐地圖，結(jié)合手機百度地圖，并在庫區(qū)管理人員的簡單介紹下，初步了解水庫的上游、樞紐、下游及周邊道路的分布情況。通過像控點的布設(shè)原則（像控點的位置，原則上應(yīng)選擇可到達(dá)的硬化水平路面。將像控點盡可能均勻地分布在上游、庫區(qū)水面周圍與下游的航測區(qū)域內(nèi)。小型水庫像控點數(shù)量，原則上不少于3個，中型水庫原則上不少于15個，大型水庫原則上不少于20個，可根據(jù)實際地形與交通情況適當(dāng)增減像控點數(shù)量。）初步規(guī)劃像控點的分布位置，在手機百度地圖上標(biāo)記出來并截圖和編號，具體流程及要點如下。

1.2.1 選點

像控點應(yīng)設(shè)在地面起伏較小，相對平整的地方，如選取固定地物，要選取的地物近期不能發(fā)生變化。點位處地物與周圍地物色差明顯，形狀應(yīng)該規(guī)則，點位處最好是較大銳角角點，以直角點為佳，這樣可保證量測準(zhǔn)確且后期易于內(nèi)業(yè)刺點。像控點也可自制，如使用白色涂料或編織袋，制作成醒目的標(biāo)志（長、寬約2m）。確保標(biāo)志上方無遮擋物及所制作標(biāo)記在短期內(nèi)（10d內(nèi)）不易被破壞。

1.2.2 編號

像控點號應(yīng)統(tǒng)一編制，不得重復(fù)。像控點的點號，建議由一位英文字母與六位阿拉伯?dāng)?shù)字組成。其中，字母代表控制點編號首代碼，平高點編號首代碼為“P”，檢查點首代碼為“J”；前兩位數(shù)字為分區(qū)編號，后四位數(shù)字為像控點流水號，如P010010為第1測區(qū)的第10個平高點。

1.2.3 施測

根據(jù)測區(qū)已有基礎(chǔ)資料及地形情況，可選擇GPSRTK、GPS靜態(tài)、GPS快速靜態(tài)等測量方法，其中GPSRTK包括單基準(zhǔn)站RTK、網(wǎng)絡(luò)RTK，也可使用后處理動態(tài)（PPK）模式進(jìn)行測量，作業(yè)過程中根據(jù)實地情況選擇適合該測區(qū)的測量方法。

量測時，首先確定該測區(qū)的像控點使用的坐標(biāo)系統(tǒng)（CGCS2000坐標(biāo)系）和投影坐標(biāo)所在的中央子午線分帶，周圍不能有大型金屬物體及大功率無線電發(fā)射源[2][3]。每個放點位置，必須留存3張（1張近照、2張遠(yuǎn)照）相對位置清楚、易尋找的照片，拍攝時像控點位置上應(yīng)架設(shè)儀器腳架或其它明顯能與周圍環(huán)境區(qū)別開的標(biāo)志，已備內(nèi)業(yè)刺點時查詢精確位置。

2 航空傾斜攝影

傾斜攝影所用采集設(shè)備，包括五鏡頭，四鏡頭，三鏡頭，雙鏡頭，單鏡頭。其中，雙鏡頭的拍攝方式為前后擺動式；單鏡頭的需要進(jìn)行5次航拍，包括下視、前視、后視、左視、右視的圖像，相當(dāng)于五鏡頭一次飛行的拍攝的圖像。對于大面積數(shù)據(jù)采集可采用電動固定翼無人機搭載五鏡頭進(jìn)行拍攝，對于細(xì)節(jié)部分可采用大疆“悟”Inspire2進(jìn)行補拍，其搭載禪思X7云臺相機，且相機必須經(jīng)過校驗才可用于無人機航測。

圖2 傾斜航空攝影作業(yè)流程

2.1 航線規(guī)劃及數(shù)據(jù)采集

根據(jù)測量精度進(jìn)行重疊度設(shè)置，如精度要求在1∶2000，可把航向重疊度設(shè)置為70，旁向重疊度為70以上，飛行高度控制在200～250m之間，也可據(jù)測區(qū)地形，在保證安全情況下適當(dāng)降低或升高飛行高度，飛行速度可據(jù)實地風(fēng)速進(jìn)行調(diào)整，最好控制在15～20m/s。航線設(shè)置主要分為“之”飛行和“骨架式”飛行兩種方式，對測區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行傾斜航空攝影數(shù)據(jù)采集，獲取影像信息、POS數(shù)據(jù)、地面GPS基站等各類航測的原始數(shù)據(jù)[4]。詳見圖3。

圖3 航線示意圖

2.2 補攝與重攝

航攝時由于某些原因出現(xiàn)漏攝或拍攝的照片質(zhì)量不合格，應(yīng)按原設(shè)計航線進(jìn)行補攝或重攝。為提高重疊度，需在補拍的航線上、下各延長一條航線，以保證后期內(nèi)業(yè)的模型連接。例如圖4中第5條航線重疊度不足或漏片，則需針對航線4~6進(jìn)行補攝[5]。

圖4 航片補攝示意圖

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 影像數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于航攝時順光和逆光差異導(dǎo)致照片的飽和度、色相及亮度均不一致，因此拍攝的照片需通過與相機配套的專業(yè)軟件進(jìn)行勻光、勻色預(yù)處理，形成最佳影像數(shù)據(jù)。可按照以下要求進(jìn)行處理：

（1）影像預(yù)處理后的照片應(yīng)顏色飽和且色調(diào)豐富，其直方圖接近正態(tài)分布，布滿0～255色階區(qū)間。

（2）同一條航線光線明暗差距不大時，使用同一調(diào)色模板，若差距大，應(yīng)進(jìn)行逐個調(diào)色。

（3）若照片有反差較差、有霧等顏色問題，在Mosaic階段和質(zhì)量檢查階段應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。

3.2 POS數(shù)據(jù)預(yù)處理

POS原始數(shù)據(jù)，利用軟件選擇該架次距離攝區(qū)最近的基站數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，按照載波相位測量差分GPS（DGPS）定位技術(shù)，定位每張照片曝光時機載GPS的WGS84框架坐標(biāo)，利用CQG2000模型加地方重力改正擬合高程；再將GPS數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合處理，針對項目成果需要的投影和坐標(biāo)系統(tǒng)，經(jīng)過參數(shù)轉(zhuǎn)換，納入偏心角改正后，解算出每張像片的6個外方位元素。

3.3 三維建模

無人機采集的傾斜攝影數(shù)據(jù)可通過ContextCapture Center、PhotoScan等軟件進(jìn)行處理。由于Context CaptureCenter可以進(jìn)行集群運算（多臺機器同時計算），可以有效減少數(shù)據(jù)處理時間，因此建議用Context CaptureCenter進(jìn)行處理。傾斜攝影可生成三維模型，同時還能生成DOM和DSM，通過專業(yè)軟件處理可產(chǎn)生DEM和DLG[6]。

DOM（數(shù)字正射影像圖）：是具有影像特征的圖像，通過對相片進(jìn)行數(shù)字微分糾正和鑲嵌，按一定圖幅范圍裁剪生成的數(shù)字正射影像集。

DEM（數(shù)字高程模型）：是通過一組數(shù)字集合表示地面起伏形態(tài)的一種實體地面模型。

DSM（數(shù)字表面模型）：是指包含樹木及地表建筑物等高度的地面高程模型。

DLG（數(shù)字線劃地圖）：是與現(xiàn)有線劃基本一致的各地圖要素的矢量數(shù)據(jù)集，其包含了各要素間的相關(guān)屬性信息及空間關(guān)系信息。

4 結(jié)語

從無人機航測外業(yè)的像控點布設(shè)及測量、無人機航線規(guī)劃及數(shù)據(jù)采集，內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程及要點，對無人機航測水利工程設(shè)施的基本流程進(jìn)行簡要梳理，總結(jié)出一套適用于水利工程的無人機傾斜攝影技術(shù)。與傳統(tǒng)測繪相比，該技術(shù)具有成本低、效率高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確等特點，可對地理信息進(jìn)行快速獲取，把原本傳統(tǒng)測繪的大量外業(yè)工作，轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)業(yè)工作，極大地降低了測繪人員的外業(yè)工作強度，并提升了工作效率。