孫 瑤

(深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，深圳 518131)

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)充分的結(jié)合了無人機(jī)在航測領(lǐng)域的低成本、低空域、所獲影像分辨率高、機(jī)動靈活的特點(diǎn)和傾斜攝影測量技術(shù)在三維建模方面方便、廉價(jià)和高效的突出優(yōu)勢，為三維建模提供便捷高效的道路。近年來，無人機(jī)傾斜攝影測量發(fā)展迅速，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工程建設(shè)、智慧城市、安保消防等領(lǐng)域。

目前以五鏡頭的傾斜相機(jī)已經(jīng)成為主流，國內(nèi)眾多廠商都紛紛推出了高集成度的五鏡頭產(chǎn)品，極大地推動了無人機(jī)傾斜攝影測量在國內(nèi)的發(fā)展。但是由于掛載于無人機(jī)飛行平臺上的相機(jī)的攝影角度相對固定，獲取的影像對于攝影盲區(qū)與光滑細(xì)長的地物建模效果不理想，出現(xiàn)模型缺失、變形及紋理拉花的現(xiàn)象，某種程度上制約了該項(xiàng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

連蓉等人針對山地城市復(fù)雜的測區(qū)環(huán)境，采用多種相機(jī)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集策略，基于無人機(jī)傾斜與近景攝影測量聯(lián)合建模的方式，獲取目標(biāo)區(qū)域的精細(xì)化模型[6]。卞敏等人采用空地一體的建模方法較好地完成了校園的精細(xì)化建模[7]。

在工程建設(shè)領(lǐng)域中，項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域內(nèi)的建構(gòu)筑物往往對工程方案設(shè)計(jì)具有決定性的影響，在工程設(shè)計(jì)階段獲取精準(zhǔn)的建構(gòu)筑物的空間位置和外部輪廓信息顯得尤為重要。在河道景觀設(shè)計(jì)中，利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)對跨河橋梁和高壓線塔進(jìn)行模型重建時(shí)，受無人機(jī)飛行高度及相機(jī)拍攝角度的限制，容易出現(xiàn)以下2點(diǎn)問題：

(1)河邊高壓線塔由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜且塔架的連接鋼條纖細(xì)光滑，模型重建較為困難，容易出現(xiàn)模型缺失。

(2)跨河橋梁底部屬于無人機(jī)低空攝影的盲區(qū)，通常會出現(xiàn)模型漏洞、紋理拉花、模型扭曲等現(xiàn)象。

本文通過無人機(jī)低空傾斜攝影與超低空補(bǔ)拍的聯(lián)合拍攝的方式，獲取目標(biāo)地物詳盡的結(jié)構(gòu)與紋理信息，基于常用的實(shí)景三維建模軟件與修模軟件DP-Modeler，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目區(qū)域精細(xì)化建模，而后分析模型精度，驗(yàn)證該種聯(lián)合建模方式在河道工程中的可行性。

1 基本原理和技術(shù)路線

無人機(jī)航攝傾斜影像三維建模的關(guān)鍵技術(shù)包括影像預(yù)處理、多視影像匹配，區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差，密集點(diǎn)云匹配，三維點(diǎn)云構(gòu)網(wǎng)，紋理重建等步驟。具體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線

影像預(yù)處理包括剔除有云霧遮擋和像移過大的影像，以及對影像進(jìn)行重命名和勻光勻色處理。

多視影像匹配為模型重建程序中的核心環(huán)節(jié)，常用的影像匹配方法為基于特征的影像匹配方法，如SIFT和ASIFT特征匹配；SIFT算子對影像間的平移、旋轉(zhuǎn)，影像間的尺度相異和影像間的亮度變化具有很好的適應(yīng)性，ASIFT算子則對于視角不同、存在仿射變形的傾斜影像具有良好的匹配效果[4]。

基于影像的間的連接點(diǎn)，通過區(qū)域網(wǎng)平差后得到精準(zhǔn)的影像外方位元素，再進(jìn)行密集匹配，常見的密集匹配的算法有：帶共線條件約束的多片最小二乘影像匹配、基于多基元多影像匹配、基于物方面元的多視立體(Patch-based Multi-view Stereo，PMVS)等多種算法，其中PMVS算法重建的效果相對較好，該算法為現(xiàn)階段三維重建中使用頻率較高的密集匹配算法[8]。在密集匹配生成的點(diǎn)云的基礎(chǔ)上進(jìn)行構(gòu)網(wǎng)，經(jīng)過平滑和簡化等處理，即生成物體表面的三維幾何模型(又稱3D TIN模型)。對影像進(jìn)行篩選、優(yōu)化處理后，將紋理映射到白膜上，生成高精度真三維模型。最后通過修模軟件將模型進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化建模。

2 項(xiàng)目區(qū)域分析與數(shù)據(jù)采集

2.1 工程背景及概況

屯梓河碧道工程位于深圳市龍崗區(qū)坪地街道，地處與惠州市交界處。本次工程范圍共計(jì)2.2km2，項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)共計(jì)有15座高壓線塔，2座跨河橋，其中一座為深圳外環(huán)高速跨河橋，另一座為鹽龍大道跨河橋。本工程要求提供高精度及高精細(xì)度的三維模型成果數(shù)據(jù)，為景觀方案設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)地形資料，測區(qū)范圍如圖2所示。

圖2 測區(qū)范圍

2.2 無人機(jī)選型

2.2.1低空傾斜攝影無人機(jī)

國內(nèi)無人機(jī)種類繁多，運(yùn)用較為廣泛的有：多旋翼、固定翼和垂直起降固定翼。對于不同的應(yīng)用場景需選取相應(yīng)的機(jī)型。在河道景觀提升工程項(xiàng)目中，對模型精度和精細(xì)度要求高，則要求影像分辨率大，相機(jī)的曝光點(diǎn)高度需要足夠低。當(dāng)無人機(jī)飛行高度降到一定高度時(shí)，為保障飛行安全，飛行速度不可過快。根據(jù)規(guī)范：在曝光瞬間造成的像點(diǎn)位移一般不應(yīng)大于0.5個(gè)像素，最大不應(yīng)大于1個(gè)像素。目前市面上主流的五鏡頭相機(jī)下視相機(jī)的焦距為25mm，像元大小為3.91μm，當(dāng)飛機(jī)的飛行高度為140m時(shí)，地面影像分辨率為2.2cm，像點(diǎn)位移計(jì)算公式如下：

式中，δ—像點(diǎn)位移，個(gè)像素；ν—航攝飛機(jī)飛行速度，m/s；R—地面分辨率(GSD)，m；t—相機(jī)曝光時(shí)間，s。當(dāng)相機(jī)曝光時(shí)間為1/1000s時(shí)，飛行速度的上限為11m/s；當(dāng)相機(jī)曝光時(shí)間為1/1500s時(shí)，飛行速度上限為16.1m/s。

非量測型的普通數(shù)碼相機(jī)曝光時(shí)間相對固定，要控制影像像移符合規(guī)范要求，只能降低無人機(jī)的飛行速度。

由上可知，項(xiàng)目對飛行平臺的需求為：飛行速度慢、飛行高度低、安全性高。多旋翼無人機(jī)對飛行速度無要求，可空中懸停，而飛行高度可根據(jù)需求實(shí)時(shí)調(diào)整，且飛行安全性相對較高，其在小區(qū)域河道景觀提升工程的航測任務(wù)中，相對于固定翼無人機(jī)具有無可比擬的優(yōu)勢。綜上選擇多旋翼無人機(jī)作為運(yùn)載平臺。

2.2.2超低空攝影無人機(jī)

超低空攝影無人機(jī)作為低空傾斜攝影的補(bǔ)充，需具備穩(wěn)定、靈活、操縱性強(qiáng)，具有定位定姿的功能。

2.3 外業(yè)數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)項(xiàng)目需求，重建整個(gè)項(xiàng)目范圍內(nèi)的實(shí)景三維模型。采用四旋翼無人機(jī)執(zhí)行傾斜攝影任務(wù)，以變高飛行的作業(yè)模式，獲取測區(qū)范圍內(nèi)的無人機(jī)傾斜影像。傾斜攝影任務(wù)設(shè)置的航向重疊度為80%，旁向重疊度為75%。相對航高設(shè)置為140m，影像地面分辨率為2.2cm，測區(qū)下游部分采用井字形飛行。共獲取影像3.8萬張。在測區(qū)中均勻布設(shè)了11個(gè)像控點(diǎn)，像控點(diǎn)間距約為1km，采用網(wǎng)絡(luò)RTK施測。

補(bǔ)拍采用手動遙控?zé)o人機(jī)的方式。對測區(qū)內(nèi)5座高壓線塔進(jìn)行上下和環(huán)繞飛行補(bǔ)拍，由于高壓線塔有高壓線東西方向穿過，無人機(jī)先于塔頂上方環(huán)繞飛行拍攝，環(huán)繞飛行采用漸近降高式不斷靠近高壓線塔，拍照時(shí)保持高壓線塔始終位于照片的中間位置；再操控?zé)o人機(jī)于相距電塔約20m的南北側(cè)上下飛行拍攝，相機(jī)曝光位置如圖3所示。

圖3 高壓線塔超低空補(bǔ)拍相機(jī)曝光位置

對于2座跨河橋體的補(bǔ)拍，無人機(jī)沿橋體左右兩側(cè)分別以仰視、平視、斜俯視以及正俯視4個(gè)視角對橋體進(jìn)行拍攝。平視和仰視拍攝時(shí)，保持無人機(jī)與橋體的距離15m左右，斜俯視和正俯視拍攝時(shí)使無人機(jī)與橋體的距離保持在40m左右。通過不同視角的拍攝，充分獲取橋梁各個(gè)部位的紋理及結(jié)構(gòu)信息，相機(jī)曝光位置如圖4所示。

圖4 跨河橋梁超低空補(bǔ)拍相機(jī)曝光位置

通過人工控制無人機(jī)的飛行方向與飛行速度，使得兩張相鄰影像具有一定重疊度，航向和旁向都保持在60%～80%之間。補(bǔ)拍影像共計(jì)4944張，影像分辨率在0.5～1cm之間，同時(shí)在補(bǔ)拍的每座橋梁和高壓線塔周邊均勻布設(shè)4個(gè)像控標(biāo)靶作為像控點(diǎn)，采用網(wǎng)絡(luò)RTK施測像控點(diǎn)坐標(biāo)。

3 工程應(yīng)用

3.1 空中三角測量

空中三角測量為還原相機(jī)在每次曝光時(shí)所得影像間的姿態(tài)關(guān)系，首先通過影像的匹配算法得出影像間一定數(shù)量的連接點(diǎn)，再關(guān)聯(lián)影像之間的連接點(diǎn)、構(gòu)建自由網(wǎng)，最后利用區(qū)域網(wǎng)平差的方法通過迭代計(jì)算出解算出每張影像的精確外方位元素，為后續(xù)建模流程提供精確的參數(shù)。

無人機(jī)傾斜攝影時(shí)，飛機(jī)按預(yù)定的航線飛行，相機(jī)曝光位置規(guī)律性強(qiáng)，影像間重疊度變動幅度小，一般情況下傾斜影像在影像處理軟件中可順利完成空三測量。而超低空補(bǔ)拍是由人工操控?zé)o人機(jī)的方式完成，無人機(jī)姿態(tài)變化較大，導(dǎo)致相機(jī)曝光位置較為雜亂，規(guī)律性較差，且影像間重疊度變化較大，加劇了影像間匹配的難度，補(bǔ)拍影像在通用的建模軟件中難以完成空中三角測量，容易出現(xiàn)錯(cuò)位、分層，此處我們采用Meta shape進(jìn)行空三，得到補(bǔ)拍影像精準(zhǔn)的外方位元素。

3.2 聯(lián)合三維模型重建

經(jīng)空三計(jì)算后，分別對傾斜影像和補(bǔ)拍影像進(jìn)行建模，同時(shí)生成OSGB及OBJ格式的模型文件，以便于后期模型修飾和模型間的融合。

單采用傾斜影像生產(chǎn)的模型成果，由于飛機(jī)飛行高度高、相機(jī)攝影角度固定，造成傾斜影像中高壓線塔的紋理及結(jié)構(gòu)信息不夠充足，導(dǎo)致高壓線塔模型塔頂缺失，高壓線塔模型塔頂部分缺失如圖5所示；傾斜影像存在攝影盲區(qū)則致使橋梁模型底部出現(xiàn)空洞、變形，跨河橋梁模型底部空洞如圖6所示。

圖5 高壓線塔模型塔頂部分缺失

圖6 跨河橋梁模型底部空洞

將超低空補(bǔ)拍影像的空三成果從Meta shape中導(dǎo)出，再導(dǎo)入建模軟件中進(jìn)行建模，需注意在對超低空補(bǔ)拍影像建模過程中，要將補(bǔ)拍所建模型的坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)為與傾斜三維模型坐標(biāo)原點(diǎn)一致，便于后期在DP-Modeler中對傾斜三維模型上的相應(yīng)部位進(jìn)行替換，使得補(bǔ)拍模型與傾斜三維模型無縫貼合，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合建模。

高壓線塔模型如圖7所示，采用超低空補(bǔ)拍的影像含有高壓線塔豐富的紋理和結(jié)構(gòu)信息，所得高壓線塔模型較為完整?？绾訕蛄耗Ｐ腿鐖D8所示，可以看出空地聯(lián)合建模很好地解決了跨河橋梁模型空洞、紋理拉花的問題。最終生成模型中的橋梁底部和高壓線塔的外部輪廓及空間位置信息得到很好的展現(xiàn)，為該工程的景觀方案設(shè)計(jì)提供了精準(zhǔn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖7 高壓線塔模型

圖8 跨河橋梁模型

3.3 模型精度分析

在本項(xiàng)目實(shí)施中采用RTK施測了測區(qū)中聯(lián)合建模及其他部位部分地物點(diǎn)坐標(biāo)，并與模型中提取相應(yīng)位置的坐標(biāo)進(jìn)行對比，對比結(jié)果見表1—2。超低空補(bǔ)拍部位由于無人機(jī)采用貼近被攝物體飛行，具備超高的影像分辨率，致使模型精度相較傾斜模型精度得到小幅度提升，聯(lián)合模型整體優(yōu)于1∶500測圖精度，滿足景觀方案設(shè)計(jì)所需的精度要求。

表1 聯(lián)合建模部位精度對比表 單位：m

表2 傾斜三維模型精度對比表 單位：m

4 結(jié)語

本文從實(shí)際出發(fā)，有效地解決了由于無人機(jī)飛行高度高和相機(jī)存在攝影盲區(qū)導(dǎo)致的測區(qū)特定位置上的影像信息不全，致使模型空洞、拉花和缺失。生成的三維模型很好地展現(xiàn)了測區(qū)的全貌，地物細(xì)節(jié)得到了較好的表達(dá)，為碧道工程的景觀方案設(shè)計(jì)提供了真實(shí)可靠的模型數(shù)據(jù)。

但是本次聯(lián)合建模的方式為將補(bǔ)拍影像和傾斜影像分開建模后再進(jìn)行疊加，由于補(bǔ)拍和傾斜攝影采用的相機(jī)鏡頭不同，導(dǎo)致兩種影像之間存在較為明顯的色差，雖然對兩部分影像進(jìn)行過勻光勻色，但是模型上的疊加部分仍然較為突兀；且傾斜影像上的有關(guān)高壓線塔與橋梁的信息被全部棄用，造成影像資源的浪費(fèi)?；谝陨蟽牲c(diǎn)不足，下一步的工作將補(bǔ)拍影像和傾斜影像一塊空三后再融合建模，進(jìn)一步解決模型空洞、拉花和缺失的問題。