張森桂，胡 藝，羅自明

(湖北省地質(zhì)局第二地質(zhì)大隊(duì)，湖北 恩施 445000)

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)概述

1.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

傾斜攝影是相機(jī)與地面呈一定的角度對(duì)地面進(jìn)行的影像數(shù)據(jù)獲取。為了提高影像數(shù)據(jù)獲取效率和減少遮擋產(chǎn)生的視角盲區(qū)，通常會(huì)將多個(gè)相機(jī)集成在一起掛載在無(wú)人機(jī)上進(jìn)行作業(yè)。常見的傾斜攝影相機(jī)有2鏡頭和5鏡頭，市面上主要以5鏡頭居多，由1個(gè)下視相機(jī)和4個(gè)側(cè)視相機(jī)組成，通常側(cè)視相機(jī)與下視相機(jī)呈45°夾角。由相機(jī)焦距、航高、像元大小和影像地面分辨率四者之間的關(guān)系可知，像元大小相同的前提下，要想獲得影像的地面分辨率相同，需要相機(jī)焦距和航高相同。實(shí)際作業(yè)過程中，相對(duì)航高是以下視相機(jī)參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，由于側(cè)視與下視存在一定的夾角，所以側(cè)視相機(jī)中心點(diǎn)到地面的距離要比下視相機(jī)的大。為了能夠保證獲取影像分辨率盡可能相同，需要將側(cè)視相機(jī)的焦距進(jìn)行調(diào)整。以?shī)A角為45°為例，假設(shè)下視相機(jī)距離地面的航高為100 m，焦距為35 mm，則側(cè)視相機(jī)焦距為50 mm，這樣才能獲取分辨率一致的影像成果。

1.2 在房地一體中的應(yīng)用流程

采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量，生產(chǎn)實(shí)景三維模型用于地籍圖測(cè)繪，主要包括航飛前的測(cè)區(qū)勘察和資料收集、空域申請(qǐng)、航線規(guī)劃和影像數(shù)據(jù)獲取、控制測(cè)量、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)解算和地籍圖測(cè)繪，生產(chǎn)流程如圖1所示。

圖1 基于傾斜攝影生產(chǎn)地籍圖作業(yè)流程Fig.1 Cadastral map production process based on oblique photography

1.3 傾斜攝影存在的問題

高冗余影像數(shù)據(jù)。由于搭載的是5鏡頭，這樣獲取的數(shù)據(jù)理論上是垂直攝影的5倍，又因?yàn)閮A斜攝影主要用于三維模型生產(chǎn)，為了模型較完整，遮擋區(qū)域少，作業(yè)時(shí)航向、旁向重疊度均為85%甚至更高，這樣就使得影像存在大量的冗余，使得空三解算需要耗費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間，對(duì)電腦設(shè)備要求更高。在不影響建模效果的前提下，剔除任務(wù)區(qū)邊緣無(wú)效影像可以提升空三解算速度和精度，有利于數(shù)據(jù)更好地進(jìn)行準(zhǔn)確解算。

POS與影像不對(duì)應(yīng)。垂直攝影中，POS數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)是一對(duì)一的關(guān)系，而在傾斜攝影測(cè)量中，POS和影像通常是一對(duì)五的關(guān)系，即1個(gè)POS對(duì)應(yīng)5張影像。雖然5個(gè)相機(jī)安裝位置相差不大，但是對(duì)于高精度數(shù)據(jù)解算來(lái)說，能夠獲得每個(gè)相機(jī)的精確位置坐標(biāo)，這樣更有利于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算。通過分析相機(jī)安裝位置之間的關(guān)系，以下視鏡頭為標(biāo)準(zhǔn)，采用matlab軟件開發(fā)的POS解算軟件，將側(cè)視鏡頭的POS數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確解算。

影像畸變嚴(yán)重。影像分辨率不一致的主要原因是由于側(cè)視鏡頭近地點(diǎn)和遠(yuǎn)地點(diǎn)與下視鏡頭之間夾角不一致，這使得影像畸變更加嚴(yán)重。在數(shù)據(jù)解算中無(wú)法避免，但可以通過優(yōu)化相機(jī)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量的提升，即通過少量影像進(jìn)行解算，得到更加精確的相機(jī)參數(shù)，利用得到的相機(jī)參數(shù)解算更多的影像數(shù)據(jù)。

2 實(shí)例分析

2.1 測(cè)區(qū)勘察和資料收集

對(duì)任務(wù)區(qū)進(jìn)行勘察，收集任務(wù)區(qū)已有資料可知，任務(wù)區(qū)約有農(nóng)房100多戶，都是1層房屋，范圍內(nèi)高差20 m左右。有2018年的0.2 m分辨率的正射影像，坐標(biāo)為2 000國(guó)家大地坐標(biāo)系，按照3度分帶進(jìn)行投影，可作為調(diào)繪的底圖使用。

2.2 空域申請(qǐng)

勘察完成后，按照無(wú)人機(jī)作業(yè)要求，對(duì)測(cè)區(qū)航飛進(jìn)行申請(qǐng)。申請(qǐng)表中寫明了航攝時(shí)間、航攝范圍及航攝高度等信息，按照流程進(jìn)行申請(qǐng)，得到了批準(zhǔn)。

2.3 無(wú)人機(jī)選擇及航線規(guī)劃

由于測(cè)區(qū)高差約20 m，采用四旋翼無(wú)人機(jī)搭載5鏡頭傾斜相機(jī)即可完成影像數(shù)據(jù)的采集。航飛高度80 m，航向、旁向重疊度均設(shè)置為85%，地面影像分辨率0.013 m，具體規(guī)劃的航線示意圖如圖2。

圖2 航線規(guī)劃圖Fig.2 Route plan

2.4 控制點(diǎn)測(cè)量

為了提高成果精度，點(diǎn)位采取噴涂方式進(jìn)行。采用紅色油漆，間隔200 m左右，均勻地在地面上噴涂大小為80 cm的對(duì)三角形，點(diǎn)位采集在2個(gè)三角形對(duì)接的地方。要求采集的點(diǎn)位均為固定解，且每個(gè)點(diǎn)位至少采集3次，每次采集的點(diǎn)位較差均小于1 cm。共采集控制點(diǎn)45個(gè)，檢測(cè)點(diǎn)23個(gè)，實(shí)地采集控制點(diǎn)的照片如圖3所示。

圖3 控制點(diǎn)實(shí)地點(diǎn)位圖Fig.3 Control point field map

2.5 影像數(shù)據(jù)獲取

在確保安全的情況下，按照空域批準(zhǔn)文件要求，進(jìn)行無(wú)人機(jī)的起飛與影像數(shù)據(jù)的獲取。正式作業(yè)前，需對(duì)電池安裝、螺旋槳安裝等進(jìn)行檢查，在地面進(jìn)行試拍，確保內(nèi)存卡可以正常寫入數(shù)據(jù)，POS記錄裝置正常運(yùn)行。在完成航飛前檢查后，通過地面站和遙控器控制無(wú)人機(jī)起飛，按照規(guī)劃好的航線完成任務(wù)區(qū)影像數(shù)據(jù)的獲取，共獲得8 545張有效影像。

2.6 數(shù)據(jù)預(yù)處理

冗余影像剔除。結(jié)合飛機(jī)飛行方向、航線與相機(jī)安裝之間的關(guān)系，在不影響模型成果的前提下，手動(dòng)刪除無(wú)效影像1 580張，剩余6 965張影像用于空三解算和模型生產(chǎn)。

POS與影像不對(duì)應(yīng)改正。以下視相機(jī)獲得的POS為標(biāo)準(zhǔn)，利用matlab軟件開發(fā)的POS解算工具，對(duì)4個(gè)側(cè)視鏡頭的POS進(jìn)行解算，使得POS和影像一一對(duì)應(yīng)。

影像畸變處理。5個(gè)相機(jī)在出廠時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了檢校，在作業(yè)時(shí)，并未對(duì)相機(jī)再次進(jìn)行檢校。考慮到側(cè)視相機(jī)獲取的影像畸變大，對(duì)成果精度有一定的影響，為了提升成果精度，提高空三通過率，隨機(jī)選取連續(xù)的300張影像(5×60)進(jìn)行空三解算，在完成相對(duì)定向后，得到了精度較高的相機(jī)參數(shù)，利用高精度相機(jī)參數(shù)來(lái)去除影像產(chǎn)生的畸變。

2.7 空中三角測(cè)量解算

空三解算在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中是最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，空三的結(jié)果直接決定后期模型的精度。作業(yè)時(shí)，利用預(yù)處理后的成果，進(jìn)行空中三角測(cè)量解算。解算時(shí)，采用Bentley 公司的Context Capture Center軟件進(jìn)行，主機(jī)配置內(nèi)存為128 G，輔機(jī)電腦配置為64 G，利用集群技術(shù)進(jìn)行空三解算，平差環(huán)節(jié)由主機(jī)獨(dú)立完成。在數(shù)據(jù)解算結(jié)束后，通過人機(jī)交互的方式查看空三成果的質(zhì)量，通過查看，空三成果符合實(shí)際情況，空三報(bào)告中加密點(diǎn)中誤差為0.011 m，成果精度符合規(guī)范要求。

導(dǎo)入控制點(diǎn)，采用人機(jī)交互的方式對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)刺。對(duì)測(cè)區(qū)邊緣和中心的控制點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)刺，進(jìn)行平差，再對(duì)剩余的點(diǎn)位進(jìn)行轉(zhuǎn)刺并平差，對(duì)精度不符合要求的點(diǎn)進(jìn)行微調(diào)，直到所有控制點(diǎn)精度均符合規(guī)范要求。

2.8 實(shí)景三維模型生產(chǎn)

實(shí)景三維模型生產(chǎn)主要涉及瓦片大小、輸出坐標(biāo)系設(shè)置和輸出格式等。本次集群電腦中，內(nèi)存配置最低的為64 G，因此在瓦片設(shè)置時(shí)，設(shè)置其大小為200 m，所需內(nèi)存約30 G，未超過內(nèi)存的1/2，這樣可以盡可能在減少瓦片失敗的同時(shí)提升建模效率。為了盡可能保留建構(gòu)筑物的棱角結(jié)構(gòu)，在輸出模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，設(shè)置為0 m，這樣輸出的模型其棱角保留較為完整。模型輸出坐標(biāo)系和控制點(diǎn)坐標(biāo)系設(shè)置一樣，確保輸出成果可用。設(shè)置模型格式為OSGB，這種格式存在多層級(jí)金字塔，主要用來(lái)進(jìn)行模型成果查看和地籍圖測(cè)繪，部分輸出的模型成果如圖4所示。

在模型輸出后，設(shè)置OSGB模型的索引文件，利用Smart3D Capture Viewer打開模型，對(duì)模型成果進(jìn)行查看，主要檢查模型有沒有分層，模型有沒有嚴(yán)重拉花導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行地籍圖測(cè)繪的情況。

在生產(chǎn)完模型后，再次設(shè)置參數(shù)，選擇真正射影像進(jìn)行輸出。格式選擇tif，分辨率設(shè)置0.05 m，由于是基于模型輸出的真正射影像，所以很快就完成了真正射成果的輸出，部分成果如圖5所示。

圖5 部分?jǐn)?shù)字真正射影像成果Fig.5 Result of some real projection of numbers

2.9 地籍圖采集入庫(kù)

利用北京清華三維EPS軟件進(jìn)行地籍圖采集及入庫(kù)。進(jìn)入軟件，在三維測(cè)圖模塊下點(diǎn)擊“OSGB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換”，加載對(duì)應(yīng)的模型成果和xml文件，進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后，選擇定制版的房地一體項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，將模型和真正射影像加載到軟件中，進(jìn)行房屋及其宗地的測(cè)繪。為了提高采集效率，在采集規(guī)則的矩形房屋時(shí)，采用軟件中自帶的“五點(diǎn)房”命令，這樣不但采集效率高，且采集的房屋夾角為直角，符合實(shí)際情況。針對(duì)不同房屋，采用不同方式進(jìn)行采集，并在采集過程中完成相對(duì)應(yīng)的屬性填充。采集完成后，利用軟件中質(zhì)檢模塊對(duì)采集的成果進(jìn)行質(zhì)檢，根據(jù)質(zhì)檢情況，修改質(zhì)檢中的錯(cuò)誤，直到通過軟件的質(zhì)檢，采集的部分地籍圖成果如圖6所示。

圖6 部分地籍圖成果Fig.6 Result some cadastral map

2.10 精度評(píng)定

采用高精度中誤差檢測(cè)方法，對(duì)23個(gè)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行精度檢測(cè)，檢測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 檢測(cè)點(diǎn)檢測(cè)精度統(tǒng)計(jì)表 cmTab.1 Statistical table of detection accuracy of detection points cm

點(diǎn)號(hào)較差DX較差DY較差DSJC132.63.64.4 JC142.74.14.9 JC152.93.14.2 JC163.53.14.7 JC173.82.24.4 JC184.52.65.2 JC194.13.55.4 JC205.54.37.0 JC213.32.64.2 JC224.83.86.1 JC234.93.3 5.9

通過上表可以看出，23個(gè)檢測(cè)點(diǎn)中，X方向和Y方向最大的殘差分別為±5.5 cm和±4.9 cm，XY方向最大殘差為±7.0 cm，23個(gè)點(diǎn)的中誤差為±2.3 cm，均未超過地籍規(guī)范要求，表明本次成果精度良好，成果可用。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)采集的檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行精度檢測(cè)，結(jié)果表明：采用本方法生產(chǎn)的地籍圖，檢測(cè)點(diǎn)平面位置中誤差為±0.023 m，成果精度可以滿足地籍規(guī)范要求，可以為農(nóng)村房地一體項(xiàng)目的開展提供參考。