顏景順，邱 潔

（1.廣西水利電力勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530023；2.恒企工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530023）

0 引言

隨著測繪設(shè)備的快速發(fā)展，無人機(jī)以其靈活性、低成本、高分辨率等特點被廣泛應(yīng)用于拍攝和制圖領(lǐng)域，并延伸出攝影測量學(xué)［1］。攝影測量是測繪學(xué)科的一個分支，它通過測量相機(jī)拍攝的圖像來確定三維空間中物體的位置、形狀、大小甚至是運動［2］。其中，傳感器由不同角度獲取影像可以快速拼接，從而建立一個更客觀地反映地面的三維實景模型，即傾斜攝影測量。

在礦山測量中，由于地質(zhì)環(huán)境三維信息的獲取需要及時更新，三維信息的獲取難度較大，數(shù)字礦山基于全方位的場景感知和模型信息采集等，因此傳統(tǒng)的測量方式已經(jīng)不能滿足當(dāng)今數(shù)據(jù)采集的需要［3］。隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷更新與普及，相關(guān)工作人員開始利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)及 Pix4Dmapper、Context Capture -Center Master（簡 稱 CC）、Feature-one等有關(guān)三維建模的軟件，實現(xiàn)初始傾斜影像數(shù)據(jù)的整理與處理，實現(xiàn)實景三維模型的構(gòu)建并進(jìn)行相應(yīng)的精度分析，為數(shù)字礦山建設(shè)提供基礎(chǔ)地理信息的技術(shù)支持［4］。傾斜攝影測量提高了構(gòu)建三維實景模型的效率，促進(jìn)該技術(shù)在測地學(xué)、地圖學(xué)等行業(yè)領(lǐng)域的深入應(yīng)用，并對項目的實際發(fā)展起到較大作用［5］。

本文詳細(xì)地闡述如何使用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)與Pix4Dmapper軟件進(jìn)行礦山三維建模技術(shù)實現(xiàn)礦山測量。具體工作包含以下3個方面：一是闡述無人機(jī)測量的基本原理，包括圖像匹配、多視影像聯(lián)合平差、影像密集匹配、點云構(gòu)建與DEM生成；二是詳述無人機(jī)數(shù)據(jù)采集與Pix4Dmapper處理流程；三是以銅川煤場為例進(jìn)行布網(wǎng)并進(jìn)行攝影測量與建模。

1 無人機(jī)傾斜攝影測量三維建模概述

1.1 基本原理

無人機(jī)傾斜攝影測量三維建?？蓪崿F(xiàn)大規(guī)模、高分辨率、紋理信息豐富的實景三維模型的構(gòu)建。

1.1.1 圖像匹配

圖像匹配即將無人機(jī)拍攝的不同的圖像根據(jù)同名點進(jìn)行匹配的過程。同名點即描述同一地物在兩張影像中不同的點，又稱特征點。利用圖像特征匹配算法可以有效檢測出特征點，并將特征點進(jìn)行一一對應(yīng)，為影像的拼接提供依據(jù)。當(dāng)前的特征匹配算法較多，包括SIFT算法、Harris角點拼接算法等。本文選用SIFT算法。該算法可以有效識別不同影像中相同的特征點，并根據(jù)特征點集的數(shù)據(jù)對相鄰影像實現(xiàn)角度、大小的調(diào)整以保持整幅場景的穩(wěn)定性。SIFT算法中包括特征角點檢測，將同一角點一一對應(yīng)（根據(jù)歐式距離檢測其相似性），根據(jù)姿態(tài)進(jìn)行圖幅調(diào)整（如參考目標(biāo)影像對待匹配影像進(jìn)行平移變換、縮放變換、剛性變換、透視變換等），通過影像處理器中進(jìn)行快速拼接。

1.1.2 多視影像聯(lián)合平差

多視影像聯(lián)合平差又稱為回環(huán)檢測。由于第一步“圖像匹配”中所使用的SIFT算法在拼接過程中存在影像扭轉(zhuǎn)等問題，會使拼接后的影像產(chǎn)生“鬼影”（即同一建筑物對應(yīng)兩個房頂，或上、下錯位等），因此需要根據(jù)空中三角測量中的控制點進(jìn)行控制點加密，進(jìn)而對外方位元素的坐標(biāo)與平差后的估值進(jìn)行求解，羅列誤差方程。在影像中的體現(xiàn)為根據(jù)誤差方程對多張影像進(jìn)行線性回歸或非線性回歸求解，以實現(xiàn)影像校正。

1.1.3 影像密集匹配

根據(jù)第二步“多視影像聯(lián)合平差”中加密點與外方位元素的求解，增加第一步“圖像匹配”中關(guān)于SIFT算法中的特征點數(shù)目，進(jìn)一步提高影像匹配的精度，克服影像單一匹配的缺點，消除影像中建筑物的錯位與“鬼影”（即通過最小二乘法消除影像匹配“病態(tài)解”的問題）。

1.1.4 點云構(gòu)建與DEM的生成

根據(jù)第二步“多視影像聯(lián)合平差”中加密后獲得的點集，形成點云數(shù)據(jù)。該步驟主要是為了在后期形成數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）數(shù)據(jù)。

形成DEM數(shù)據(jù)分為兩種方法，即格網(wǎng)模型（grid）與不規(guī)則三角網(wǎng)模型（Triangular Irregularly Network，TIN）。與格網(wǎng)數(shù)據(jù)模型相比，TIN模型在特定分辨率的情況下占用更少的空間和時間，能夠更精確地表示更加復(fù)雜的表結(jié)構(gòu)［1］。由于礦山地勢起伏較大，因此選擇TIN模型進(jìn)行DEM構(gòu)建。TIN模型中的數(shù)據(jù)是通過數(shù)據(jù)的內(nèi)插與擬合方法來實現(xiàn)模型構(gòu)建的。內(nèi)插方法包括局部內(nèi)插（如分塊內(nèi)插）與全局內(nèi)插（如整體內(nèi)插）。局部內(nèi)插方法關(guān)注于不同小區(qū)域之間的差異性與特殊性來構(gòu)建不同的函數(shù)，但是該方法計算量大；全局內(nèi)插關(guān)注以整體數(shù)據(jù)之間的特點構(gòu)建模型，該方法雖然運算量小，但是犧牲了自特殊性與自差異性。

綜上所述，要求對點云數(shù)據(jù)處理為不規(guī)則的三角網(wǎng)。需要說明的是，Pix4Dmapper軟件最大的優(yōu)勢就在于操作簡單、靈活方便、可自動生成DEM模型。

1.1.5 紋理映射

紋理映射即將無人機(jī)所拍攝的影像數(shù)據(jù)變?yōu)檎鎸崍鼍暗募y理，并將該紋理附著在已經(jīng)構(gòu)建后的模型上。紋理映射的優(yōu)點在于可以使三維模型由單調(diào)的點云型模型轉(zhuǎn)換為實景模型，真實地反映地面特點與地物特征，彰顯地物細(xì)節(jié)。紋理映射的本質(zhì)是根據(jù)地物的坐標(biāo)與影像所產(chǎn)生的紋理的坐標(biāo)進(jìn)行互映射。即實現(xiàn)“場景—地物—場景”變換。由于無人機(jī)拍攝的影像可能因分辨率不高等問題導(dǎo)致模糊不清，因此根據(jù)紋理進(jìn)行了模擬仿真，使其變成一整套相對清晰的紋理。模擬仿真的紋理雖然存在失真與反復(fù)調(diào)用目標(biāo)參數(shù)的缺點，但是可以使整個三維場景的模型更加具有連續(xù)性，滿足用戶的視覺需求。

1.2 無人機(jī)航測規(guī)劃與Pix4Dmapper建模流程

在無人機(jī)航測的過程中，首先確定研究區(qū)域。所選區(qū)域應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實際情況而定，包括該區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造與環(huán)境是否適合勘測等。接下來根據(jù)所選研究區(qū)域進(jìn)行航線規(guī)劃。所規(guī)劃的航線縱向重疊率高于70%，旁向重疊率高于30%。對無人機(jī)所拍攝的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，剔除粗差數(shù)據(jù)，刪除冗余數(shù)據(jù)等，并在運輸途中保證數(shù)據(jù)的完整性與連貫性。依據(jù)無人機(jī)進(jìn)行空中三角測量的成果和傳感器攝取的影像數(shù)據(jù)，利用Pix4Dmapper構(gòu)建三維實景模型，其流程如圖1所示。

圖1 Pix4Dmapper建模流程圖

2 礦山測量的實施案例

2.1 布設(shè)像控

按照一定標(biāo)準(zhǔn)布設(shè)像控點，才能使內(nèi)業(yè)更好地處理計算，得到更高精度的三維模型。依據(jù)低空攝影測量內(nèi)、外業(yè)成圖精度的規(guī)定，像控點布設(shè)應(yīng)該遵循以下原則：一是聯(lián)測平高點（即將相同區(qū)域的平面點與高程點進(jìn)行聯(lián)立）；二是使用無人機(jī)航測前，應(yīng)在復(fù)雜地面上制作明顯的標(biāo)記作為控制點，便于后期進(jìn)行加密布控；三是為保證精度，航向重疊率高于70%，旁向重疊率高于30%；四是為便于實時檢算，使用精靈4RTK無人機(jī)，可以通過RTK進(jìn)行實時位置檢算。

本次實施案例結(jié)合銅川煤場概況加上實地勘察，共布設(shè)了10個像控點，使用白灰劃得“十”字絲及數(shù)字，通過RTK測得像控點坐標(biāo)。

2.2 影像采集

本實驗通過精靈 4RTK，搭載 SONY ILCE 6 000 鏡頭采集銅川煤場DEM影像，感應(yīng)器尺寸23.5 mm，焦距50.883 mm，最大像素數(shù)2 500萬，有效像素2 430萬，影像處理器 Bionz X，最高分辨率 6 000×4 000，35 mm等效77.948 4 mm，為滿足礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查需求，在采用無人機(jī)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集時，比例尺1∶5 000，攝影比例尺1∶25 000，設(shè)計航高100 m，地面分辨率4 cm，航向重疊度70%，旁向重疊度40%。共規(guī)劃10條航線。以上參數(shù)的設(shè)置均來自行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

測區(qū)內(nèi)，無人機(jī)采用自動航攝，即航線規(guī)劃后，無人機(jī)傾斜拍攝，使無人機(jī)的攝像頭始終面對測量區(qū)域的中心，每3 s自動拍攝1次。飛手應(yīng)處于相對開闊地帶，確保無人機(jī)與飛手間不存在信號直線遮擋。對于存在信號遮擋的區(qū)域，使用相同參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)測，以保證DEM模型可以進(jìn)行構(gòu)建。

2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是檢查原始影像的重疊度是否滿足航攝規(guī)范要求，影像旋偏角（要求旋偏角小于15°）、俯仰角（要求俯仰角小于3°）等是否滿足攝影測量規(guī)范要求。在預(yù)處理的檢測中，首先篩選出原始影像質(zhì)量拍攝精度高的影像，其次檢驗影像是否具備相同比例尺（避免操作時的粗差），以及對具備局部亮度不均的影像通過線性與非線性拉伸等方法進(jìn)行勻色處理。經(jīng)過篩選處理后，共選擇41幅影像。以41張影像為目標(biāo)影像，進(jìn)行匹配、拼接與處理。

2.4 計算機(jī)處理

模型搭建主要采用 Pix4Dmapper軟件，對獲取的銅川煤場的41張影像和10個控制點進(jìn)行三維模型構(gòu)建。將相機(jī)標(biāo)定的結(jié)果輸入 Pix4Dmapper中，包括外方位姿態(tài)與內(nèi)方位參數(shù)等，通過 Pix4Dmapper構(gòu)建求解矩陣。使用精靈4RTK中的定位數(shù)據(jù)直接附著在拍攝的影像中進(jìn)行像方坐標(biāo)系求解。通過相機(jī)坐標(biāo)、像方坐標(biāo)、物方坐標(biāo)之間的相互轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)位置標(biāo)定與匹配。

具體操作步驟如下：①新建項目，打開Pix4Dmapper軟件，新建項目，輸入項目名稱，創(chuàng)建在合適位置，單擊“下一步”；導(dǎo)入影像，添加圖像，選擇影像文件，單擊“下一步”；編輯坐標(biāo)系，編輯相機(jī)型號參數(shù)，單擊“下一步”；選擇3D地圖，單擊“下一步”；選擇輸出坐標(biāo)系，新建項目完成；此步驟可以實現(xiàn)模型構(gòu)建預(yù)處理（如圖2所示）。②添加像控點坐標(biāo)，選擇控制點坐標(biāo)系及分度帶。本實驗項目所選為任意坐標(biāo)系；單擊“平面編輯器”，依次點擊“控制點”及“控制點所在照片具體位置”。此步驟意在將像點坐標(biāo)與物點坐標(biāo)進(jìn)行匹配來實現(xiàn)坐標(biāo)糾正。③勾選“初始化處理”，點云及紋理，DSM（地表模型）、正射影像圖及指數(shù)，并自行設(shè)置參數(shù)，單擊“開始”，等待軟件自行處理；經(jīng)過處理后的影像可與DEM進(jìn)行匹配，生成三維場景模型（如圖3所示）。④處理完成。成圖效果如圖4所示。

圖2 在致密化之前的正交和相應(yīng)的稀疏數(shù)字表面模型（DSM）

圖3 點云及紋理處理過程

圖4 成圖效果

3 結(jié)束語

由于傳統(tǒng)測量不能滿足礦山三維實景構(gòu)建，因此數(shù)字?jǐn)z影測量逐漸得到應(yīng)用。無人機(jī)航測技術(shù)不斷發(fā)展，儼然成為一種新型測繪技術(shù)，圖像采集的各個方面都可以在視場中進(jìn)行。

本文在數(shù)字?jǐn)z影測量的基礎(chǔ)上使用精靈4RTK進(jìn)行數(shù)字影像采集，并由RTK提供位置信息，結(jié)合控制點坐標(biāo)進(jìn)行空中三角測量。最后根據(jù)紋理的映射構(gòu)建出整個礦山的三維實景模型（即DEM模型）。所獲得模型具有以下特點：①通過無人機(jī)獲取的影像，提取影像空間位置、建筑結(jié)構(gòu)色彩及紋理信息，獲得較好的航攝數(shù)據(jù)和相控點數(shù)據(jù)。②結(jié)合采集到的紋理進(jìn)行拼接與多視影像聯(lián)合平差構(gòu)建視覺場景。經(jīng)由回環(huán)檢測進(jìn)行影像校正。③基于無人機(jī)攝影測量技術(shù)和Pix4Dmapper軟件，經(jīng)過傾斜空中三角測量，點云模型構(gòu)建及紋理自動貼附。構(gòu)建的三維實景模型幾乎還原了現(xiàn)實世界。隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，處理器算量不斷增大，相信無人機(jī)航測技術(shù)在未來會具有更廣闊的使用場景。