張顯升

（三和數(shù)碼測(cè)繪地理信息技術(shù)有限公司,甘肅 天水 741000）

近年來,無人機(jī)發(fā)展迅速,尤其是低空、長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航的無人機(jī)發(fā)展成為了主流。傳統(tǒng)的無人機(jī)上掛載垂直相機(jī),就可以進(jìn)行測(cè)繪產(chǎn)品的生產(chǎn),其核心使用的是共線方程。通過恢復(fù)攝影時(shí)地面和相機(jī)之間的關(guān)系,結(jié)合飛機(jī)在空中的位置和姿態(tài),就可以獲取地面相對(duì)精度較高的地面點(diǎn)[1-2]。這種方式主要用來生產(chǎn)空三加密成果、數(shù)字正射影像圖和大比例尺地形圖成果。在生產(chǎn)1:500 地形圖時(shí),其精度很難達(dá)到項(xiàng)目要求,因此需要尋求另外的方式生產(chǎn)精度要求更高的地形圖成果。隨著相機(jī)質(zhì)量減輕、集成技術(shù)不斷提升,將單相機(jī)換成多相機(jī),從多個(gè)角度獲取影像,用于數(shù)據(jù)的生產(chǎn)成為了研究熱點(diǎn)[3-4]。通過測(cè)試,這種方法生產(chǎn)的1:500 地籍圖精度很高,完全滿足項(xiàng)目精度要求。隨著房地一體項(xiàng)目的開展,由于其精度要求高且工期緊、費(fèi)用低,采用傳統(tǒng)全野外作業(yè)方式,不但不可能按時(shí)完成項(xiàng)目,而且需要支出的費(fèi)用更高,全部是外業(yè)作業(yè),風(fēng)險(xiǎn)性也高,因此將多鏡頭獲取數(shù)據(jù)的方式用于房地一體項(xiàng)目中來,成為了研究熱點(diǎn)[5-7]。通過無人機(jī)搭載傾斜相機(jī),獲取多角度影像,用于三維模型生產(chǎn),然后在三維模型上直接裸眼采集房屋、宗地等,通過精度檢測(cè),成果精度不一。本文主要是針對(duì)這種成果精度不一進(jìn)行分析,然后對(duì)影響因素進(jìn)行優(yōu)化處理,給出切實(shí)可行的方案,然后以實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行精度驗(yàn)證。結(jié)果表明：采用本文的方法,生產(chǎn)的成果精度均衡,且滿足地籍精度要求,可以作為地籍圖生產(chǎn)的一種優(yōu)化方案,具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

1 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)介紹

主要從傾斜攝影原理、傾斜攝影建模軟件和傾斜攝影流程進(jìn)行介紹。

1.1 無人機(jī)傾斜攝影原理

“傾斜”一詞是相對(duì)“垂直”來說的,其主要區(qū)別在于獲取地面影像角度的不同。傾斜攝影測(cè)量是指在作業(yè)平臺(tái)上,掛載傾斜攝影儀,對(duì)地面進(jìn)行影像數(shù)據(jù)獲取,然后用來建模,生產(chǎn)測(cè)繪產(chǎn)品的技術(shù)。作業(yè)平臺(tái)主要有有人機(jī)、無人機(jī)等,考慮到成本和作業(yè)區(qū)實(shí)際情況,多數(shù)作業(yè)采用的均為無人機(jī)[8-9]。掛載傾斜攝影儀主要分為量測(cè)和非量測(cè)的,考慮到相機(jī)的成本,通常采用的是非量測(cè)小像幅相機(jī)。通過從空中獲取地面多角度、全方位影像,然后結(jié)合相機(jī)曝光時(shí)的空中位置和姿態(tài),通過共線方程和影像匹配技術(shù),得到地面相對(duì)坐標(biāo)系下的特征點(diǎn),通過密集匹配技術(shù),得到密集的三維坐標(biāo)點(diǎn),還原地形真實(shí)狀態(tài)[10-11]。通過控制點(diǎn)的引入和轉(zhuǎn)刺,將相對(duì)坐標(biāo)成果糾正到控制點(diǎn)坐標(biāo)系下,得到最終的高精度三維成果。5 鏡頭獲取地面影像示意圖見圖1。

圖1 無人機(jī)傾斜攝影示意圖

1.2 無人機(jī)建模軟件介紹

建模軟件分為傳統(tǒng)的手工建模軟件,如3dsmax等；基于傾斜空三成果的建模軟件,如dp-modeler 和SVS-modeler 等。本文主要研究的是傾斜攝影自動(dòng)化建模軟件,目前常用的有瞰景科技的Smart3D2021、大疆的大疆智圖、本特利的Context Capture（簡(jiǎn)稱CC）和photoscan 等。傾斜攝影建模軟件具有自動(dòng)化程度高、集群作業(yè)效率高等特點(diǎn),但是不同軟件精度不一,適用的場(chǎng)景也不一樣。結(jié)合房地一體項(xiàng)目和軟件的特點(diǎn),照片數(shù)基本上都在1w張左右,建模選用CC軟件,該軟件精度較高,且處理1W張影像效率高、空三精度高。

1.3 無人機(jī)傾斜攝影建模流程

從作業(yè)場(chǎng)區(qū)來說,無人機(jī)傾斜攝影建模主要分為外場(chǎng)和內(nèi)場(chǎng)。外場(chǎng)主要包括航攝前的測(cè)區(qū)勘探、空域申請(qǐng)、航線規(guī)劃、控制點(diǎn)測(cè)量和影像數(shù)據(jù)獲?。粌?nèi)場(chǎng)主要包括外場(chǎng)成果整理、工程創(chuàng)建、數(shù)據(jù)空三解算、控制點(diǎn)轉(zhuǎn)刺、平差調(diào)整、自動(dòng)化建模、地籍圖采集與編輯等,具體作業(yè)流程見圖2。

圖2 無人機(jī)傾斜攝影建模流程

2 傾斜攝影建模精度影響因素分析

2.1 控制點(diǎn)靶標(biāo)和精度方面

傳統(tǒng)的靶標(biāo),是在地面上隨機(jī)選取特征點(diǎn),然后采集坐標(biāo)時(shí),手扶對(duì)中桿進(jìn)行對(duì)中,目測(cè)差不多時(shí)進(jìn)行坐標(biāo)采集。這種方式獲取的坐標(biāo)點(diǎn)成果,其精度損失有兩方面：一是采集坐標(biāo)時(shí),其精度較低；二是在內(nèi)業(yè)進(jìn)行控制點(diǎn)轉(zhuǎn)刺時(shí),由于無法準(zhǔn)確判斷外業(yè)采集的點(diǎn)位,導(dǎo)致刺點(diǎn)精度較低。

由于特征點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致內(nèi)業(yè)轉(zhuǎn)刺精度損失,因此需要對(duì)點(diǎn)位靶標(biāo)進(jìn)行改正。可采用油漆噴涂式靶標(biāo),這樣點(diǎn)位明確,有利于內(nèi)業(yè)準(zhǔn)確刺點(diǎn)。對(duì)于外業(yè)采集點(diǎn)位精度低的問題,可采用靜態(tài)的方式進(jìn)行點(diǎn)位坐標(biāo)的采集。傳統(tǒng)的特征點(diǎn)和油漆噴涂的靶標(biāo)見圖3。

圖3 外業(yè)控制點(diǎn)示意圖

2.2 建模軟件選取

影像成果的質(zhì)量由外業(yè)來決定,影像數(shù)據(jù)解算主要由內(nèi)業(yè)軟件來完成。不同軟件,其空三解算算法和精度是不一樣的,在分析了各軟件的優(yōu)勢(shì)后,選擇CC 軟件來進(jìn)行數(shù)據(jù)解算,不但精度高,且空三解算質(zhì)量高,可以有效保證后續(xù)成果的精度。

2.3 航攝方式方面

主要是指外業(yè)獲取數(shù)據(jù)的方式,目前影像數(shù)據(jù)獲取的方式有固定航高飛行、變高飛行以及仿地飛行。對(duì)于地勢(shì)平坦地區(qū),可以采用固定航高飛行；對(duì)于地勢(shì)變化有規(guī)律的地形,可以采用變高飛行；對(duì)于地勢(shì)起伏變化無規(guī)律的,可以采用仿地飛行。其中前兩者無需高精度的DSM數(shù)據(jù),仿地飛行需要高精度的DSM數(shù)據(jù)。一般都是采用垂直攝影方式獲取影像后,進(jìn)行數(shù)據(jù)解算,得到DSM成果,然后利用該成果進(jìn)行仿地航線規(guī)劃,然后進(jìn)行仿地航攝。該方法獲取的影像分辨率均勻,成果解算精度高。

2.4 模型質(zhì)量和完整性

模型質(zhì)量、精度和完整性,直接影響測(cè)圖成果的精度。雖然傾斜攝影已經(jīng)獲取了多角度的影像,但是由于遮擋關(guān)系,部分區(qū)域還是盲區(qū),未采集到有效影像。在數(shù)據(jù)解算和建模的過程中,這塊盲區(qū)解算精度不高,建出的模型存在拉花變形等嚴(yán)重問題,會(huì)對(duì)測(cè)圖精度帶來影響。

這種情況下,可以利用立體像對(duì)進(jìn)行補(bǔ)充采集,對(duì)于立體像對(duì)無法采集的部分,可采用人工外業(yè)補(bǔ)充采集的方法進(jìn)行,這樣可以提高地籍圖成果的精度。

2.5 作業(yè)人員方面

裸眼測(cè)圖是近年來興起的一種測(cè)圖方式,較傳統(tǒng)虛擬立體測(cè)圖,其具有所見即所得的特點(diǎn),使得測(cè)圖更有利于推廣,生手可以在短時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)測(cè)圖,這使得測(cè)圖精度沒有了保障。房地一體項(xiàng)目工期緊、任務(wù)量大,很多單位擬都大量招聘實(shí)習(xí)生進(jìn)行數(shù)據(jù)生產(chǎn)。由于沒有測(cè)圖經(jīng)驗(yàn),在短時(shí)間內(nèi)所學(xué)知識(shí),無法對(duì)地物進(jìn)行準(zhǔn)確定位和采集,使得所采集的成果精度不均勻。這種情況下,需要提高作業(yè)人員的水平,才可以有效保障測(cè)圖成果的精度。

3 項(xiàng)目案例

采用本文提到的精度優(yōu)化解決方案,對(duì)實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目精度進(jìn)行驗(yàn)證分析。本次任務(wù)區(qū)有效面積約2.87km2,測(cè)區(qū)內(nèi)地勢(shì)起伏變化無規(guī)律。房屋分散不均衡,部分區(qū)域樹木遮擋嚴(yán)重、建筑密集。

3.1 航線規(guī)劃

本次航線規(guī)劃均采用WapPointMaster 軟件完成。首先利用其規(guī)劃地面分辨率5cm的航線,掛載單鏡頭進(jìn)行影像采集。在獲得高精度的DSM數(shù)據(jù)后,利用其規(guī)劃仿地飛行航線,地面分辨率1.5cm,然后進(jìn)行仿地飛行影像數(shù)據(jù)獲取,共飛行3 架次,獲得有效影像數(shù)約3 萬張。航線規(guī)劃設(shè)置參數(shù)如圖4 所示。

圖4 航線規(guī)劃參數(shù)設(shè)置

3.2 控制點(diǎn)測(cè)量

為了提高像控點(diǎn)的精度和內(nèi)業(yè)轉(zhuǎn)刺的精度,本次作業(yè)過程中,所有控制點(diǎn)均采用油漆噴涂的方式。利用油漆噴涂L形點(diǎn)位,然后采用靜態(tài)的方式進(jìn)行坐標(biāo)點(diǎn)的測(cè)量。在噴涂靶標(biāo)時(shí),順帶對(duì)其點(diǎn)號(hào)進(jìn)行噴涂,拍攝實(shí)地照片,便于內(nèi)業(yè)進(jìn)行精準(zhǔn)點(diǎn)位轉(zhuǎn)刺。在控制點(diǎn)采集完成后,隨機(jī)均勻采集15 個(gè)檢測(cè)點(diǎn),該成果主要用來檢查空三、模型成果,最終檢查得到的地籍圖成果。

3.3 影像數(shù)據(jù)采集

在點(diǎn)位噴涂好后,進(jìn)行無人機(jī)航空攝影影像數(shù)據(jù)獲取。在航飛前,首先對(duì)無人機(jī)進(jìn)行例行檢查,主要檢查其各部件是否固定牢靠、相機(jī)是否正常曝光,內(nèi)存卡是否可以正常對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、電池電量是否可以保證完成一架次任務(wù)。在檢查確保無誤后,進(jìn)行無人機(jī)影像數(shù)據(jù)的采集。在采集過程中,需要對(duì)無人機(jī)航飛情況進(jìn)行觀察,確保無人機(jī)飛行是受控的,避免發(fā)生無人機(jī)失控帶來的其他意外事件發(fā)生。

3.4 數(shù)據(jù)質(zhì)檢和整理

在獲得影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)和控制點(diǎn)成果后,對(duì)該成果進(jìn)行質(zhì)檢。影像數(shù)據(jù)主要查其紋理是否清晰、對(duì)比度是否符合要求、是否存在虛化的現(xiàn)象；POS 數(shù)據(jù)主要查其是否完整；控制點(diǎn)成果主要檢查其坐標(biāo)采集是否準(zhǔn)確,實(shí)地照片是否可以反映實(shí)際點(diǎn)位情況。通過檢查,影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)和控制點(diǎn)成果質(zhì)量符合要求,可以用于后續(xù)數(shù)據(jù)的生產(chǎn)。

3.5 空三加密及控制點(diǎn)轉(zhuǎn)刺平差

在新建工程,導(dǎo)入影像和POS數(shù)據(jù),完善相機(jī)參數(shù)后,就進(jìn)行空三任務(wù)的提交。在提交空三任務(wù)時(shí),參數(shù)使用軟件默認(rèn)的設(shè)置即可,通過多臺(tái)電腦集群作業(yè),完成空三自由網(wǎng)的解算與平差。通過人機(jī)交互方式查看加密成果,未發(fā)現(xiàn)明顯的分層、彎曲現(xiàn)象。查看空三報(bào)告,加密點(diǎn)精度良好,重投影中誤差為0.51pixel?？杖馑愫髞G片很少,且多為邊緣影像,對(duì)后續(xù)模型生產(chǎn)影響不大,空三成果可以直接使用。

設(shè)置控制點(diǎn)坐標(biāo)系,導(dǎo)入控制點(diǎn)進(jìn)行控制點(diǎn)的轉(zhuǎn)刺。在轉(zhuǎn)刺過程中,對(duì)于模糊、邊緣點(diǎn)位未進(jìn)行轉(zhuǎn)刺,其余點(diǎn)位均進(jìn)行轉(zhuǎn)刺,轉(zhuǎn)刺完成后進(jìn)行平差。平差完成后,查看平差報(bào)告,控制點(diǎn)精度良好,可以滿足項(xiàng)目生產(chǎn)要求。

3.6 三維模型生產(chǎn)

結(jié)合電腦的配置,本次設(shè)置瓦片大小為100m,平面簡(jiǎn)化設(shè)置為“0”,單位選擇米,這樣可以盡可能保留下建筑物的棱角結(jié)構(gòu)。后期需要進(jìn)行地籍圖的采集,模型輸出格式選擇OSGB,在模型輸出完成后,再次輸出正射影像圖。模型用來裸眼采集地籍圖,正射影像圖主要用來套合采集的地籍圖,檢查采集的是否準(zhǔn)確。測(cè)區(qū)部分實(shí)景三維模型如圖5 所示。

圖5 測(cè)區(qū)部分實(shí)景三維模型

3.7 地籍圖采集與編輯

本次采集選擇清華山維EPS 軟件,該軟件上手容易,操作簡(jiǎn)單。首先將模型和xml 文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換,得到EPS軟件能夠識(shí)別的DSM數(shù)據(jù),然后導(dǎo)入DSM數(shù)據(jù),在裸眼環(huán)境下,直接進(jìn)行地籍圖的采集。該軟件有五點(diǎn)房功能,可以快速采集規(guī)則的四邊房屋,大大提升了采集效率。對(duì)于模型變形嚴(yán)重區(qū)域,無法直接在模型上準(zhǔn)確采集地籍圖,可通過調(diào)入立體像對(duì),在虛擬立體環(huán)境下補(bǔ)充采集地籍圖。對(duì)于這兩種方法無法采集的,需要在外業(yè)進(jìn)行補(bǔ)充采集。測(cè)區(qū)部分地籍圖成果如下圖6 所示。

圖6 測(cè)區(qū)部分地籍圖成果

3.8 精度檢測(cè)與分析

利用15 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)對(duì)地籍圖點(diǎn)位精度進(jìn)行檢測(cè)[12],檢測(cè)結(jié)果見表1。

通過表1 可知,15 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)中,殘差最大為5.7cm,最小為2.8cm,其平均值為4.0cm,成果精度可以滿足地籍規(guī)范要求[13]。

表1 地籍圖精度檢測(cè)統(tǒng)計(jì)表單位：cm

4 結(jié)論

傾斜攝影技術(shù)用于房地一體項(xiàng)目的技術(shù)已經(jīng)被廣泛使用,但是生產(chǎn)的地籍圖成果精度參差不齊,成果精度不均衡。為了保證生產(chǎn)的成果滿足項(xiàng)目要求,本文在分析了目前的作業(yè)方式的基礎(chǔ)上,對(duì)其中影響成果精度的因素進(jìn)行了分析,提出切實(shí)可行的解決辦法。并通過實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證,結(jié)果表明：按照本文的方式生產(chǎn)的成果精度高且均衡,可以滿足房地一體項(xiàng)目要求,可以為房地一體項(xiàng)目生產(chǎn)帶來借鑒。