劉姝雨 王星博

（西安市勘察測(cè)繪院，陜西 西安 710054）

隨著技術(shù)發(fā)展，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)已取得顯著成果，無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)已成為測(cè)繪工程領(lǐng)域的重要組成部分。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，傾斜攝影技術(shù)也廣泛應(yīng)用于市場(chǎng)中[1]。與常規(guī)的測(cè)量技術(shù)不同，該技術(shù)是用無(wú)人機(jī)上的攝像機(jī)，對(duì)建筑物的側(cè)面、上面、正面及不規(guī)則曲面進(jìn)行拍攝和取景，從多段影像中自動(dòng)獲取建筑物的紋理信息。該方法可以從任何角度、任意部位獲取影像信息且可保證獲取的影像信息與實(shí)際建筑物的高度適配性[2]。在此基礎(chǔ)上，利用圖像中的光影信息，構(gòu)建具有較高真實(shí)感和立體感的三維物體模型，對(duì)實(shí)體結(jié)構(gòu)快速進(jìn)行3D建模，比傳統(tǒng)的人工建模方法更高效[3]。

隨著社會(huì)人力資源價(jià)值增加，人工測(cè)量的成本也相應(yīng)增加，計(jì)算機(jī)測(cè)量和無(wú)人機(jī)測(cè)量將會(huì)向高性價(jià)比的方向發(fā)展，無(wú)人機(jī)傾斜攝像測(cè)量技術(shù)會(huì)逐步替代人工測(cè)量技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的推廣使用[4]。為落實(shí)該項(xiàng)工作，提高無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)的社會(huì)價(jià)值，該文進(jìn)行詳細(xì)研究。

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量航線設(shè)計(jì)

當(dāng)應(yīng)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)量城市竣工項(xiàng)目時(shí)，先布設(shè)測(cè)量航線。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的航空拍攝高度是路線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，根據(jù)項(xiàng)目的特定要求和傾斜相機(jī)的性能參數(shù)確定航空拍攝高度，選取合適的地面分辨率，計(jì)算如公式（1）所示。

式中：H為無(wú)人機(jī)飛行高度；f為傾斜攝影攝像機(jī)焦距；a為像素點(diǎn)大小；VGA為地面分辨率。在無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的過(guò)程中，傾斜攝影攝像機(jī)的交疊率是重要的參數(shù)之一，直接影響無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和模型質(zhì)量[5]?！兜涂諗?shù)字航空攝影規(guī)范》（CHZ 3005—2010）中7.1.1規(guī)定了圖像重疊度的標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行詳細(xì)地說(shuō)明[6]。但城市竣工測(cè)量中建筑密度大、相互遮擋嚴(yán)重，為確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量，需要將航向重合率升至80%～90%，以減少因航向重合度不夠而導(dǎo)致的建筑幾何構(gòu)型的相互粘連。

2 城市竣工測(cè)量像控點(diǎn)布設(shè)

完成無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量航線的設(shè)計(jì)完成后，對(duì)各城市竣工測(cè)量像控點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)。當(dāng)獲取外業(yè)數(shù)據(jù)時(shí)，像控點(diǎn)布設(shè)需要均勻分布在測(cè)量區(qū)域內(nèi)，同時(shí)還應(yīng)該考慮相機(jī)的畸變誤差對(duì)數(shù)據(jù)采集精度的影響。相機(jī)的畸變誤差通常是從中間向四周逐漸擴(kuò)大[7]。在DOM和三維建模的過(guò)程中，相機(jī)的畸變誤差會(huì)產(chǎn)生極大影響。無(wú)人機(jī)傾斜攝影得到的影像畸變殘差分布如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影影像畸變殘差分布示意圖

充分考慮對(duì)像控點(diǎn)布設(shè)的因素，根據(jù)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，考慮工作效率和精度的要求，該文設(shè)計(jì)4種布設(shè)像控點(diǎn)方案，如圖2所示。

圖2 城市竣工測(cè)量像控點(diǎn)布設(shè)方案示意圖

方案I是將各像控點(diǎn)均勻地布設(shè)在測(cè)量區(qū)域內(nèi)；方案II是將像控點(diǎn)以點(diǎn)對(duì)的形式布設(shè)在測(cè)量區(qū)域的周邊區(qū)域角位置上；方案III是將匹配像控點(diǎn)布置在測(cè)區(qū)周邊區(qū)角位置上，并在測(cè)量區(qū)域的其他位置上均勻布置測(cè)控點(diǎn)；方案IV為以點(diǎn)對(duì)的方式將測(cè)控點(diǎn)布設(shè)在測(cè)區(qū)周邊區(qū)域角位置上，并在測(cè)量區(qū)域周邊及內(nèi)部布置少量測(cè)控點(diǎn)[8]。在測(cè)量的過(guò)程中，為提高測(cè)量精度，確保DOM和三維建模的精度滿足城市竣工測(cè)量測(cè)繪規(guī)范要求，采用“L”形、“T”形或“十”字形方式完成像控點(diǎn)布控。

3 多視影像匹配與自動(dòng)空三

攝影測(cè)量的目的是為獲取地面實(shí)體的三維坐標(biāo)信息，因此不需要保證各個(gè)控制點(diǎn)的精度，需要檢測(cè)和排除影像中控制點(diǎn)的粗差。采用多視點(diǎn)幾何技術(shù)，將多視點(diǎn)圖像匹配，再結(jié)合空三加密，得到最優(yōu)的結(jié)果，為攝影測(cè)量的加密提供更好的初值。在常規(guī)照相測(cè)量中，選擇更嚴(yán)密的束流方法，該方法使用的函數(shù)模型的共線方程如公式（2）和公式（3）所示。

式中：u為像點(diǎn)橫坐標(biāo)；u0為影像主點(diǎn)橫坐標(biāo)；（X，Y，Z）為圖像中主要點(diǎn)對(duì)應(yīng)的物體立方體空間點(diǎn)坐標(biāo)；（Xs，Ys，Zs）為無(wú)人機(jī)傾斜照相機(jī)外部三個(gè)線性元素；a、b、c為由三角元組成的外方位元轉(zhuǎn)動(dòng)矩陣；v為像點(diǎn)縱坐標(biāo)；v0為影像主點(diǎn)縱坐標(biāo)。對(duì)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行線性化處理，計(jì)算如公式（4）所示。

求解公式（2）和公式（3）時(shí)，需要設(shè)置較好的初始值。可采用多視幾何技術(shù)。如果某空間點(diǎn)用齊次坐標(biāo)形式為Si（Xi，Yi，Zi，1），對(duì)應(yīng)的投影點(diǎn)為si（ui，vi，1），投影矩陣為P，可以用公式（5）表示。

式中：λi為比例因子。投影矩陣P包括11個(gè)自由變量，而P可以分解成旋轉(zhuǎn)矩陣、平移矩陣和相機(jī)校驗(yàn)矩陣。在候選深度下，將匹配的圖像校正為主視角，并融合為具有深度的鎖定圖像，最終有效利用多視角圖像，顯著提升稠密匹配的準(zhǔn)確度和效率。

在常規(guī)的空三測(cè)量過(guò)程中，由于局部坐標(biāo)必須采用絕對(duì)方位法，因此必須現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)才能獲得控制點(diǎn)的坐標(biāo)資料?，F(xiàn)場(chǎng)控制點(diǎn)的測(cè)量工作和工作地點(diǎn)非常復(fù)雜，例如森林、山地等，復(fù)雜的工作條件給現(xiàn)場(chǎng)的精密測(cè)控帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)，影響整體攝影測(cè)量工作的進(jìn)度。針對(duì)該問(wèn)題，結(jié)合IMU設(shè)備所確定的相機(jī)的動(dòng)態(tài)空間姿態(tài)信息，與先驗(yàn)信息相結(jié)合，可以精確地計(jì)算每個(gè)圖像的外方位要素，并直接應(yīng)用于圖像空間幾何關(guān)系的變換中，有些情況不需要現(xiàn)場(chǎng)像控點(diǎn)，可以極大地提升測(cè)量效率?；赑OS輔助的空中三角測(cè)量過(guò)程如下：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備——設(shè)置初值——組件平差方程——參數(shù)解算——精度驗(yàn)證。按照上述流程完成空中三角測(cè)量，實(shí)現(xiàn)城市竣工測(cè)量。

4 應(yīng)用實(shí)例與精度分析

4.1 項(xiàng)目概況與實(shí)施

在上述設(shè)計(jì)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，以新住宅區(qū)的竣工測(cè)量工程項(xiàng)目為例，在該工程項(xiàng)目中，地面上有14棟小高層建筑，建筑層數(shù)為18層，根據(jù)工程方提供的數(shù)據(jù)，該工程基于宏觀層面分析，東西走向距離為200m，南北走向距離為500m。為測(cè)量竣工項(xiàng)目，按照該文提出的技術(shù)路線，采用無(wú)人機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行傾斜攝像，設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)攝像的相對(duì)航向高度為80m，根據(jù)測(cè)量作業(yè)需求，在對(duì)應(yīng)的測(cè)區(qū)中設(shè)置10個(gè)點(diǎn)，分別為5個(gè)像控制點(diǎn)、5個(gè)檢查點(diǎn)。為確保無(wú)人機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中符合預(yù)期效果，設(shè)定無(wú)人機(jī)在飛行中采集的影像應(yīng)滿足80%正反交疊、70%側(cè)向交疊需求。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)傾斜攝像測(cè)量技術(shù)信息，相關(guān)內(nèi)容見表1。

表1 無(wú)人機(jī)傾斜攝像測(cè)量技術(shù)信息設(shè)計(jì)

為確保無(wú)人機(jī)采集影像能全覆蓋現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域，無(wú)人機(jī)的飛行路線選用“井”字形航線。在排除外界因素影響下，該測(cè)量共飛行2個(gè)架次，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，獲得825張航攝圖像。

4.2 技術(shù)路線

在掌握測(cè)區(qū)基本情況后，為規(guī)范無(wú)人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，需要先在測(cè)區(qū)場(chǎng)中布置像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)，使用全站儀、RTK等方法，對(duì)測(cè)區(qū)中的有關(guān)點(diǎn)位信息進(jìn)行測(cè)量，最后制定收集無(wú)人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)的方案。根據(jù)所得到的圖像資料，制作測(cè)區(qū)的DOM和三維模型，將收集的房屋資料與用全站儀、RTK等方法得到的資料進(jìn)行比較，設(shè)計(jì)規(guī)范化的城市竣工測(cè)量技術(shù)方案。測(cè)量方案如圖3所示。

為確?？⒐y(cè)量作業(yè)的精度，在測(cè)量作業(yè)中，各階段需要保持緊密聯(lián)合狀態(tài)，設(shè)計(jì)作業(yè)流程如圖4所示。

4.3 精度分析

在完成技術(shù)路線的設(shè)計(jì)后，為確保測(cè)量結(jié)果可靠，需要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行測(cè)試，以檢驗(yàn)在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)的方法是否能滿足城市竣工測(cè)量工作需求。

當(dāng)無(wú)人機(jī)進(jìn)行測(cè)量作業(yè)時(shí)，在相同位置使用傳統(tǒng)的全站儀，按照操作規(guī)范對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行竣工測(cè)量。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在內(nèi)業(yè)作業(yè)中，隨機(jī)選擇房屋建筑物的角點(diǎn)（選擇30個(gè)）作為平面測(cè)量結(jié)果驗(yàn)收點(diǎn)，隨機(jī)選擇房屋建筑物的高程特征點(diǎn)（選擇30個(gè)）作為空間測(cè)量結(jié)果驗(yàn)收點(diǎn)。按照城市竣工測(cè)量技術(shù)規(guī)范，計(jì)算點(diǎn)位中誤差，如公式（6）所示。

式中：M代表點(diǎn)位中誤差；Δi代表為無(wú)人機(jī)測(cè)量結(jié)果與全站儀測(cè)量結(jié)果的誤差；n代表檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量。統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果見表2和表3。

表2 平面測(cè)量結(jié)果驗(yàn)收

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)該文研究，得到如下結(jié)論：根據(jù)表2和表3，采用無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行城市竣工測(cè)量，不可避免測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差。將驗(yàn)收結(jié)果代入點(diǎn)位中誤差計(jì)算公式，得到無(wú)人機(jī)測(cè)量的結(jié)果為平面中誤差為0.042m，高程中誤差為0.035m，盡管存在一定誤差，但綜合結(jié)果可以看出，無(wú)人機(jī)傾斜攝像測(cè)量技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的精度符合城市測(cè)量規(guī)范，該設(shè)計(jì)方法滿足城市工程竣工測(cè)量需求。