苗志成，楊永崇，于慶和，王征強，陳寶強

(1.西安科技大學 測繪科學與技術學院，西安 710054；2.黑龍江省林業(yè)設計研究院，哈爾濱 150080；3.寶雞市勘察測繪院，陜西 寶雞 721000)

0 引言

無人機傾斜攝影測量是近些年來剛發(fā)展起來的一項新技術，它改變了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從一個垂直、四個傾斜五個不同的角度進行影像采集[1-3]。傾斜攝影測量雖然在一定程度上解決了垂直航空攝影無法獲取建筑物立面信息的問題，但采集的信息并不完整，尤其是建筑物的中下部容易出現(xiàn)空洞、拉花等現(xiàn)象，會造成幾何和紋理信息的缺失，進而影響建模成果的完整度和精度。苑方艷等[4]利用無人機搭載兩鏡頭搖擺相機的方式，通過鏡頭的擺動獲取六個角度的影像，但還是難以解決模型近地面區(qū)域拉花、空洞的問題。胡應龍等[5]利用多旋翼無人機和三軸云臺相機采集多視角影像，通過低空與地面影像相互融合的方法建立三維模型，但存在補拍工作量大的問題。文獻[6-8]利用單鏡頭無人機對單體建筑物進行環(huán)繞飛行，但是受航線固定半徑的限制，面對高層建筑、懸空寺等特定建筑時，環(huán)繞飛行難以發(fā)揮作用。針對單體建筑物在空間上相對獨立的特點，本文基于貼近攝影測量[9](nap of the object photogrammetry)對單體建筑物進行貼近式測量，以獲取被測物體的高分辨率影像、精確位置及豐富紋理[10]。貼近攝影測量融合了傾斜攝影測量和近景攝影測量各自的優(yōu)勢，通過近距離、多角角拍攝，可以有效解決當前傾斜攝影測量拍攝角度受限的問題[11-12]。

1 貼近攝影測量

1.1 貼近攝影測量優(yōu)勢

貼近攝影測量以物體的“面”為對象，通過近距離拍攝獲取高分辨率影像，進行精細化地理信息提取。相較于傾斜攝影測量，這種方式彌補了其無法獲取完整的建筑物立面信息的不足，得到的模型更加完整，紋理信息更加豐富。貼近攝影測量通過豎直方向上的航線規(guī)劃，對建筑物進行全方位、立體式拍攝，這是傾斜攝影測量所不具備的。

1.2 航線參數(shù)計算

貼近攝影測量的核心在于三維航線的規(guī)劃。航線規(guī)劃平面與物體表面平行，航線的形式為“弓”字形，包括水平航線和豎直航線兩部分。

1)水平航線參數(shù)計算。要重建影像間的幾何關系，首先要保證影像有足夠的重疊度[13]。重疊度包括航向重疊度及旁向重疊度。航向重疊度是指沿航線方向相鄰照片重疊部分與相片長度的比值；旁向重疊度是指相鄰航線之間相鄰照片重疊邊長與相片寬度的比值。

相機的視場角為相機的固定值，決定了相機的視野范圍。對應的地面成像范圍如式(1)所示。

(1)

式中：G為對應的地面成像范圍；d為攝影距離；fov為相機的視場角。

由此可得圖像水平方向的覆蓋范圍，如式(2)所示。

(2)

式中：Gx為圖像水平方向的覆蓋范圍；d為攝影距離；fovx為相機的水平視場角。

水平方向上重疊邊長計算如式(3)所示。

Lx=px×Gx

(3)

式中：Lx為水平方向上重疊邊長；px為航向重疊度；Gx為圖像水平方向的覆蓋范圍。

水平方向上兩個曝光點間的距離計算如式(4)所示。

(4)

式中：ΔSx為水平方向上兩個曝光點間的距離；Gx為圖像水平方向的覆蓋范圍；Lx為水平方向上重疊邊長；px為航向重疊度；d為攝影距離；fovx為相機的水平視場角。

在軌跡規(guī)劃平面內，沿A′到B′方向，間隔ΔSx距離，依次計算出曝光點的水平坐標。無人機在水平方向航線規(guī)劃示意圖如圖1所示。

圖1 水平方向航線規(guī)劃示意圖

2)豎直航線參數(shù)計算。與水平方向的航線規(guī)劃不同，豎直方向上根據無人機與地面的安全距離是否大于立面高度可分為兩種情況。一種是無人機最低安全飛行高度小于立面高度；另一種是無人機最低安全飛行高度大于立面高度。

當無人機最低安全飛行高度H0小于立面高度HV時，如圖2所示，類似于水平方向的規(guī)劃，從H0開始，飛機飛行高度每次增加Δh，計算相機的覆蓋范圍，直到某次覆蓋范圍超出立面高度時停止，相機鏡頭始終與立面保持垂直，其中，Δh的計算如式(5)所示。

圖2 豎直方向航線規(guī)劃示意圖(H0

(5)

式中：Δh為無人機相鄰航線間高度；py為旁向重疊度；d為攝影距離；fovy為相機的垂直視場角。

同理，由式(1)可得到圖像豎直方向上的覆蓋范圍(式(6))。

(6)

式中：Gy為圖像豎直方向上的覆蓋范圍；d為攝影距離；fovy為相機的垂直視場角。

Ly=py×Gy

(7)

式中：Ly為豎直方向上相鄰相片重疊邊長；py為旁向重疊度；Gy為圖像豎直方向上的覆蓋范圍。

豎直方向上兩個曝光點間的距離如式(8)所示。

(8)

式中：ΔSy為豎直方向上兩個曝光點間的距離；Gy為圖像豎直方向上的覆蓋范圍；Ly為豎直方向上相鄰相片重疊邊長；py為旁向重疊度；d為攝影距離；fovy為相機的垂直視場角。

在軌跡規(guī)劃平面內，沿豎直方向，間隔Δh距離，依次計算出曝光點的高程值。

當無人機最低安全飛行高度H0大于立面高度HV時，如圖3所示，為保證拍攝范圍能夠覆蓋建筑物底部，需要調整鏡頭方向，此時，無人機鏡頭方向不再垂直于建筑物立面，而是與立面成一個銳角α。最后將水平位置、高程位置、無人機機身朝向、無人機鏡頭角度進行綜合，獲得最終的航跡規(guī)劃結果。由式(6)、式(7)、式(8)可依次計算得到圖像豎直方向上的覆蓋范圍Gy、豎直方向上相鄰相片重疊邊長Ly、豎直方向上兩個曝光點間的距離ΔSy等參數(shù)。

圖3 豎直方向航線規(guī)劃示意圖(H0>HV)

1.3 貼近攝影測量技術流程

1)基礎數(shù)據采集。貼近攝影測量遵循“由粗到細”的原則，在航線規(guī)劃之前，進行實地調查，利用傾斜攝影測量或者其他方式獲取拍攝對象的影像數(shù)據，通過自動空中三角測量得到拍攝對象的點云數(shù)據，生成粗略地形信息。

2)立面信息采集。在已有點云數(shù)據的基礎上，針對每個立面規(guī)劃航線。根據拍攝對象的實際特點和測量任務的精度要求，設置無人機安全飛行高度、與立面的距離以及航向重疊度和旁向重疊度等參數(shù)。

如今，世界頂級灣區(qū)都開始具有各自鮮明的產業(yè)特征。比如：東京灣區(qū)定位“產業(yè)灣區(qū)”、舊金山灣區(qū)定位“科技灣區(qū)”、紐約灣區(qū)定位“金融灣區(qū)”等。

模型的完整性主要取決于相鄰立面影像的匹配程度，影像匹配實質上是在兩幅(或多幅)影像之間識別同名點的過程[14]。為了保證相鄰立面的銜接處連接得更好，使影像上有足夠多的同名點，在進行航線規(guī)劃時將航線規(guī)劃平面適當向兩側延伸，確保相鄰立面的航線規(guī)劃平面能夠相互交叉。必要時，還可利用無人機對立面間連接處進行補拍。

3)數(shù)據處理及三維建模。由于受到天氣、建筑物或其他障礙物遮擋的影響，獲取的相片質量會受到不同程度的影響，不同相片色彩和光照分布上會存在較大差異，進而影響到三維模型的制作和顯示效果[15]。數(shù)據采集完成后，檢查影像的色度、亮度和對比度是否符合要求。應保證影像清晰、色調均勻[16]。利用Photoshop中的動作記錄功能對相片進行批量處理，通過調整相片的亮度、飽和度、對比度等，來達到勻光勻色的目的。利用Context Capture進行數(shù)據處理，它具有強大的數(shù)據運算能力，能還原出接近真實的毫米級模型。把采集的影像添加到軟件中進行空三計算、紋理映射和三維重建[17]。該軟件可自動進行空三加密，計算出每張影像的位置、姿態(tài)角等信息以及確定影像間的相對位置關系，通過布設像控點可實現(xiàn)無人機影像與地面近景影像的空間坐標統(tǒng)一。多視影像匹配是自動生成 DSM和構建三維模型的技術基礎[18]，可以得到高精度、高分辨率的數(shù)字表面模型。相較于傳統(tǒng)的單一立體影像匹配，貼近攝影測量通過獲取多視影像，利用影像中的冗余信息，對拍攝地物中的錯誤匹配進行改正，確保影像間連接點的正確匹配。此外，多視影像可對傳統(tǒng)手段無法獲取的拍攝盲區(qū)的地物特征進行補充，避免了模型表面空洞、拉花現(xiàn)象的產生，精度更高、紋理更加完整。貼近攝影測量技術流程如圖4所示。

圖4 技術流程圖

2 實驗概況

此次實驗對象為一個單體建筑物，周邊環(huán)境較為空曠、無遮擋，適合貼近攝影測量作業(yè)。該建筑物高度低、面積小，若采用傾斜攝影測量則很難獲取該建筑物的精細化三維模型，因此，可以采用貼近攝影測量的方式對該單體建筑物進行三維建模。無人機型號為大疆精靈4(Phantom 4)Pro，為單鏡頭消費級無人機，具有成本相對較低、采集效率高、機動性能好等特點[19]，對起降場地要求不高，適合在城市建筑群之間穿梭。無人機安全飛行高度低于建筑物立面高度，無人機云臺俯仰角度為0°，垂直于建筑物立面。

實驗所需的基礎數(shù)據由傾斜攝影測量得到。由于貼近攝影測量對初始點云數(shù)據的要求不高，因此，無人機飛行三個架次即可滿足要求，航向重疊度和旁向重疊度分別為80%和70%。立面航線規(guī)劃主要依托于嘀噠好圖無人機平臺，通過立面選取、參數(shù)設置等步驟生成相應的飛行航線。該軟件針對建筑物的四個立面分別進行航線規(guī)劃。根據每個立面不同的情況，通過改變相應的參數(shù)，可設置不同的航線。參數(shù)設置如表1所示。

表1 航線參數(shù)設置

建筑物東、西、南、北四個立面航線規(guī)劃，如圖5所示。

圖5 各立面航線規(guī)劃圖

數(shù)據采集完成后，將影像數(shù)據導入Context Capture中，經過自動空中三角測量、影像密集匹配、紋理映射等一系列步驟生成三維模型，如圖6所示。

圖6 貼近攝影測量成果

3 精度分析

三維模型的數(shù)據質量主要包括模型的完整性、位置精度和邏輯一致性等。為了驗證生產得到的三維模型質量是否符合要求，需對其進行精度評定。

把從建筑物上實際測量的三維坐標值與模型上采集的對應同名點坐標值進行對比。通過對比分析，得到X方向、Y方向、Z方向的殘差值，進而得到平面中誤差、高程中誤差。

根據實驗對象的特點，本實驗利用實時動態(tài)測量(real time kinematic，RTK)技術獲取外業(yè)測量數(shù)據，實地選取了六個檢查點進行精度對比。得到檢查點的誤差統(tǒng)計表，如表2所示。

表2 檢查點誤差統(tǒng)計表

由表2中數(shù)據可知，貼近攝影測量得到的三維模型X方向中誤差mx=0.009 7 m，Y方向中誤差my=0.011 0 m，平面中誤差ms=0.011 1 m，高程中誤差mz=0.013 0 m，滿足CH/T 9015—2012《三維地理信息模型數(shù)據產品規(guī)范》中Ⅰ級1∶500成圖比例尺三維模型產品規(guī)定的平面中誤差小于0.3 m、高程中誤差小于0.5 m的要求。

對單體建筑物的仿真、保護和研究工作更注重的是建筑物本身的尺寸、結構和紋理信息，因此，相對精度也是評定三維模型質量的一個重要標準。將生產好的三維模型導入EPS中，將內業(yè)模型量測值與外業(yè)實測值進行對比，對比結果均以絕對值的形式表示。此次外業(yè)共實測八個平面距離值和八個高程值。平面距離外業(yè)實測值和內業(yè)模型量測值對比結果如圖7所示，高程值對比如圖8所示。

圖7 距離測量值和實測值差值對比

圖8 高程測量值和實測值差值對比

由圖7、圖8可知，平面距離測量值和模型量測值之差最大值為0.006 m，最小值為0.003 m；高程測量值與模型量測值之差最大值為0.005 m，最小值為0.002 m，精度均保持在毫米級別，幾何精度高，符合相關測量規(guī)范的要求[20]。

將兩種方法得到的三維模型進行對比，如圖9所示。結果表明，與傳統(tǒng)傾斜攝影測量相比，貼近攝影測量得到的三維模型相較于傾斜攝影測量得到的三維模型整體性更好，沒有出現(xiàn)空洞、拉花等現(xiàn)象，表面紋理更加清晰、真實和豐富，與建筑物外觀保持一致，可清楚觀察到墻上的標牌符號及墻面的紋理，能反映模型表面細節(jié)變化，實現(xiàn)了對該建筑物的高度還原。模型能反映物體長、寬、高等任意維度變化大于0.5 m的細節(jié)，如建筑的外觀轉角變化，門窗的框架樣式等(圖10)。根據CH/T 9015—2012《三維地理信息模型生產規(guī)范》中關于建筑物要素模型制作的相關規(guī)定，貼近攝影測量得到的三維模型質量符合Ⅰ級建筑物要素模型制作的要求。用同樣的方法在其他建筑物上進行實驗，也可得到相同的效果，如圖11所示。

圖9 兩種測量方式局部成果對比

圖10 貼近攝影測量成果細節(jié)展示

圖11 兩種測量方式得到的其他模型局部成果對比

4 結束語

針對傾斜攝影測量在單體建筑物建模中立面信息獲取不足的問題，本文將貼近攝影測量運用到單體建筑物的精細化建模中，結果表明該方法得到三維模型整體效果明顯高于傾斜攝影測量。傾斜攝影測量更適合大范圍、精度要求不是太高的場景，貼近攝影測量更適合小范圍、獨立的單體建筑物的精細化建模。利用貼近攝影測量得到的三維模型彌補了傾斜攝影測量難以獲取建筑物立面完整信息的缺陷，得到的三維模型更加完整，質量更好，紋理更加豐富、真實，各方面指標滿足CH/T 9015—2012《三維地理信息模型數(shù)據產品規(guī)范》中Ⅰ級1∶500成圖比例尺三維模型產品的規(guī)范要求。貼近攝影測量以單鏡頭消費級無人機作為飛行平臺，在實際生產中有利于節(jié)約成本。憑借其貼近飛行的特點，該技術將來還可用于古建筑的修復、建筑物的變形監(jiān)測等方面，特別是對地標建筑物、仿真三維系統(tǒng)很有意義。當然，貼近攝影測量仍然存在不足之處。這種測量方式雖然可以獲取每個立面的高分辨率影像，但是對于大面積建筑物而言，存在建模效率和處理速度低的缺陷。在后續(xù)的工作中，應注重貼近攝影測量與其他測量方式的相互補充，借助其他測量方式的優(yōu)點，提高生產效率。