丁立法，張振海，陳 鵬

（1. 黑龍江省第六地質(zhì)勘查院，黑龍江 佳木斯 154000）

目前，無(wú)人機(jī)在許多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，能有效解決農(nóng)房補(bǔ)充調(diào)查過(guò)程中所存在的多種問(wèn)題，極大地降低了農(nóng)房占地面積測(cè)量的誤差?；诖耍O(shè)計(jì)一種基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的農(nóng)房占地面積測(cè)量方法[1-2]。

1 農(nóng)房占地面積測(cè)量方法設(shè)計(jì)

1.1 布設(shè)像控點(diǎn)

在進(jìn)行無(wú)人機(jī)航測(cè)之前，需要先選定像控點(diǎn)。由于像控點(diǎn)的選取會(huì)直接影響到測(cè)量精度，因此選擇的像控點(diǎn)需要在保證方便外業(yè)實(shí)地觀測(cè)的同時(shí)，也要保證空三加密的精度。在布設(shè)像控點(diǎn)時(shí)，一般設(shè)定在相鄰像片重疊區(qū)域內(nèi)，且保證像控點(diǎn)距像片邊緣應(yīng)大于150像素[3]。根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求，不同比例尺下像控點(diǎn)布設(shè)參數(shù)需要滿足表1。

表1 不同比例尺下像控點(diǎn)布設(shè)參數(shù)

以表中的數(shù)據(jù)作為參考，調(diào)整比例尺與布設(shè)像控點(diǎn)，以便像控點(diǎn)能夠在無(wú)人機(jī)傾斜影像中清晰顯示，方便測(cè)量后期的刺點(diǎn)與判別，但是在此過(guò)程中需要注意避免在陰影與可被遮擋的區(qū)域進(jìn)行布點(diǎn)[4]。如果是在地勢(shì)較為平坦或高程變化較小、無(wú)植被覆蓋的區(qū)域，可以選擇在此布設(shè)高程控制點(diǎn)；如果在高程變化較大的情況下，例如斜坡的陡坎與土堆不能作為高程控制點(diǎn)布點(diǎn)的目標(biāo)[5]。在像控點(diǎn)布設(shè)過(guò)程中，首先對(duì)區(qū)域網(wǎng)進(jìn)行劃分，在此過(guò)程中需要考慮到被測(cè)地區(qū)的地形地貌特征，還應(yīng)注意無(wú)人機(jī)成圖的比例尺，還需考慮到成像分辨率和規(guī)劃好的無(wú)人機(jī)航拍區(qū)域劃分等。區(qū)域網(wǎng)的劃分形狀最好以正方形和矩形為主，相鄰的區(qū)域網(wǎng)航線至少需要4條重復(fù)基線，旁向相鄰區(qū)域網(wǎng)至少需要2條，以降低后續(xù)農(nóng)房占地面積測(cè)量誤差[6]。

1.2 無(wú)人機(jī)圖像特征提取與匹配

在利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影得到的圖片中，常見(jiàn)的特征主要包括點(diǎn)、線、面等，點(diǎn)特征相對(duì)穩(wěn)定，也是特征提取與匹配過(guò)程中常用的特征。一般情況下，研究人員將灰度圖像中像素周邊突變的點(diǎn)作為特征點(diǎn)[7-8]，這些點(diǎn)一般會(huì)是圖像拐點(diǎn)以及交叉點(diǎn)等。本文在特征提取與匹配的過(guò)程中采用二進(jìn)制的特征算子，以降低SIFT描述子的維度，有效提高計(jì)算速度。在特征提取過(guò)程中，要構(gòu)建圖像尺度空間，如下式所示：

式中，L(x,y,σ)為圖像尺度空間；G(x,y,σ)為高斯函數(shù)；I(x,y)為原始圖像；*為卷積運(yùn)算；σ為尺度因子。當(dāng)σ較大時(shí)，能夠突出圖像的一般特征，σ較小時(shí)能夠突出圖像的細(xì)節(jié)特征，高斯差分空間可以通過(guò)尺度空間經(jīng)過(guò)差分運(yùn)算得到，當(dāng)2 個(gè)尺度空間的比例因子的值為k時(shí)，那么為了生成高斯差分金字塔，其過(guò)程如下：

高斯差分金字塔生成過(guò)程如圖1所示。

圖1 高斯差分金字塔生成示意圖

利用高斯金字塔檢測(cè)出的關(guān)鍵點(diǎn)所在的像素梯度與方向分布，并將所有的關(guān)鍵點(diǎn)及其周圍的像素點(diǎn)以向量的方式描述出來(lái)[9]。在此基礎(chǔ)上，需要在關(guān)鍵點(diǎn)的尺度空間中對(duì)周圍鄰域進(jìn)行劃分[10]，并將坐標(biāo)軸作為關(guān)鍵點(diǎn)的主方向，將采樣點(diǎn)分配到相應(yīng)的子區(qū)域中，完成圖像特征匹配。

1.3 三維建模與測(cè)量實(shí)現(xiàn)過(guò)程

構(gòu)建民房三維模型是精準(zhǔn)測(cè)量其占地面積的前提，因此本文對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的實(shí)景模型構(gòu)建方法進(jìn)行研究[11]。首先采用平面模板標(biāo)定法對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，在此過(guò)程中需要使用相機(jī)拍攝一系列特定的圖像，并將這些特定圖像稱為標(biāo)定模板[12]。

利用無(wú)人機(jī)所帶的傾斜相機(jī)，將拍攝到的圖像按照上述的棋盤式標(biāo)定模板進(jìn)行排列，通過(guò)標(biāo)定算法計(jì)算能夠得到相機(jī)的幾何模型，為后續(xù)的圖像畸變矯正等處理過(guò)程提供參數(shù)[13]。通過(guò)公式推導(dǎo)獲取到相機(jī)鏡頭參數(shù)的初始值后，對(duì)其單應(yīng)性矩陣進(jìn)行計(jì)算，單應(yīng)性矩陣可以表示為：

矩陣中的h1、h2、h3分別為矩陣H的列向量，計(jì)算公式如下式所示：

式中，K為內(nèi)參矩陣，r1、r2、r3為世界坐標(biāo)系相對(duì)于攝像機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣的項(xiàng)，也稱為外參矩陣項(xiàng)[14]。通過(guò)無(wú)人機(jī)影像在布設(shè)的像控點(diǎn)完成無(wú)人機(jī)傾斜攝影圖像采集，根據(jù)特征的提取與匹配結(jié)果對(duì)影像畸變進(jìn)行校正，以擴(kuò)大圖像灰度值的動(dòng)態(tài)變化范圍[15]，對(duì)影響區(qū)域網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)合平差，這是建模的關(guān)鍵步驟，得到外方位元素與稀疏的三維點(diǎn)云，如圖2所示。

圖2 拍攝位置與稀疏點(diǎn)云示意圖

由于上述得到的稀疏三維點(diǎn)云地物過(guò)于粗糙，要使圖像光滑平緩，還需要進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行處理得到稠密三維點(diǎn)云。根據(jù)幾何約束與亮度相關(guān)性進(jìn)行圖像進(jìn)行匹配，并計(jì)算匹配強(qiáng)度。當(dāng)匹配強(qiáng)度較大時(shí)，兩點(diǎn)的相似度比較高，說(shuō)明周圍具有潛在匹配點(diǎn)，通過(guò)多次匹配之后完成稠密三維點(diǎn)云建模，在此技術(shù)上通過(guò)投影矩陣計(jì)算出三維坐標(biāo)，完成農(nóng)房面積測(cè)量。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置與結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)選擇

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的農(nóng)房占地面積測(cè)量方法的有效性，需要進(jìn)行大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。本次農(nóng)房占地面積測(cè)量試點(diǎn)區(qū)域選擇黑龍江省雙鴨山市寶清縣七星泡鎮(zhèn)及附近的興華村和民主村，面積約為7 km2。七星泡鎮(zhèn)位于寶清縣西北部，省道205 從鎮(zhèn)中經(jīng)過(guò)，交通便利，同時(shí)附近的興華村及民主村距離七星泡較近，可一并納入農(nóng)房占地面積測(cè)量工作計(jì)劃中，該地區(qū)房屋情況復(fù)雜，滿足試點(diǎn)工作需要，選擇的實(shí)驗(yàn)區(qū)域如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)區(qū)域遙感圖像

實(shí)驗(yàn)中選擇的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)為成都縱橫公司生產(chǎn)的大鵬CW-10型，該型號(hào)無(wú)人機(jī)翼展為2.6 m，長(zhǎng)度1.6 m，操作簡(jiǎn)單，全自主飛行，垂直起降，實(shí)用升限大于等于4 000 m，最高起飛海拔3 500 m，具有防風(fēng)與防水功能。該無(wú)人機(jī)采用一機(jī)多用任務(wù)艙設(shè)計(jì)，可配備MG-200S雙光吊艙或JR503五鏡頭傾斜攝影相機(jī)，可根據(jù)任務(wù)需求，實(shí)時(shí)更換任務(wù)艙，同時(shí)使用全新電源管理模塊，續(xù)航可達(dá)90 min，最大起飛重量為12 kg，任務(wù)載荷為2 kg，最大飛行空速為72 km/h。

2.2 布點(diǎn)及三維建模

本文實(shí)驗(yàn)中布設(shè)的控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)共兩組，第一組在實(shí)驗(yàn)區(qū)域地面，共25個(gè)測(cè)點(diǎn)，用于構(gòu)建三維模型和評(píng)估測(cè)量誤差；第二組在農(nóng)房建筑外表面，共98個(gè)測(cè)點(diǎn)，用于構(gòu)建精細(xì)化模型和評(píng)估測(cè)量誤差。第一組的測(cè)點(diǎn)均勻分布在300 組的測(cè)點(diǎn)均的實(shí)驗(yàn)區(qū)域，并埋設(shè)不銹鋼測(cè)量標(biāo)志，如圖4所示。

圖4 測(cè)量標(biāo)志

根據(jù)均勻布點(diǎn)的原則，且為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，選擇4 種建模方案，分別選擇其中3、6、9、12個(gè)測(cè)點(diǎn)作為控制點(diǎn)，將其均勻分布在實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)，其余的點(diǎn)則作為檢查點(diǎn)，分布如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)區(qū)控制點(diǎn)與檢查點(diǎn)的布設(shè)方案

第二組的測(cè)點(diǎn)分布在農(nóng)房建筑的外表面上，按照不同高度分層布置。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在上述測(cè)區(qū)進(jìn)行占地面積測(cè)量，為了驗(yàn)證本文方法的有效性，將文獻(xiàn)[1]方法與文獻(xiàn)[2]方法作為實(shí)驗(yàn)對(duì)比方法，測(cè)試不同方法的覆蓋率以測(cè)量誤差。

1）覆蓋率測(cè)試。采用3種方法進(jìn)行測(cè)量覆蓋率測(cè)試，其中部分覆蓋率測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

分析圖6 可知，與文獻(xiàn)[1]、[2]相比，本文方法在測(cè)量過(guò)程中覆蓋率較高，基本實(shí)現(xiàn)了全覆蓋，能夠?yàn)楹罄m(xù)農(nóng)房占地面積精準(zhǔn)測(cè)量奠定基礎(chǔ)。

圖6 覆蓋率測(cè)試

2）測(cè)量誤差對(duì)比。在上述實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，分析3種方法的測(cè)量誤差，選擇平面中誤差與高程中誤差作為對(duì)比參數(shù)，結(jié)果如表2所示。

表2 測(cè)量誤差

從上表的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，針對(duì)平面中誤差與高程中誤差，本文方法測(cè)得的誤差要小于實(shí)驗(yàn)對(duì)比方法。主要原因在于本文方法的布點(diǎn)方式具有合理性，測(cè)量覆蓋率高，因此該方法的測(cè)量誤差小。

3 結(jié) 語(yǔ)

為了提升農(nóng)房占地面積測(cè)量工作效率，設(shè)計(jì)了基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的農(nóng)房占地面積測(cè)量方法。利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)來(lái)測(cè)量農(nóng)房占地面積，相對(duì)于人工測(cè)量，無(wú)人機(jī)航空測(cè)量的操作更加簡(jiǎn)單，且受到地形影響較小，成本低廉。