張文龍

（山東港通智匯信息技術有限公司，山東 煙臺 264000）

1 無設人備機選傾型斜攝影技術的測繪原理及

1.1 無人機傾斜攝影技術的測繪原理

無人機傾斜攝影技術對建筑為影像目標的獲取，主要基于光學小孔成像原理。如圖1 所示，空間位置中的目標點M，經(jīng)過的光學投影后，達到成像平面R，對應的成像點W，由于目標點M與成像點W 的連線與相機平面的交點通過光心C，因此MW線也成為光軸，光心C在成像平面上的投影為C'，兩者的距離為焦距。假設M=(x,y,z,1)T，W=(x'，y'，z'，1)T，根據(jù)三角形相似性準則可得[1]

（a）光學成像模型 （b）三角形相似性準則圖1 無人機傾斜攝影技術成像原理

假設成像點W的像素坐標為(u,v,1)T，C'的偏移量為(uc,vc,1)T，可以得到坐標關系如公式（2）所示。

式中，α、β 均為縮放因子。

整理可得

假設目標點M的像素坐標為(u,v,1)T，可以得到目標矩陣如公式（4）所示

式中，λ為深度因子；fu和fv為尺度因子；fu=αf，fv=αf；γ為傾斜因子；A為相機內(nèi)參矩陣。

1.2 無人機傾斜攝影技術的設備選型

目前，無人機傾斜攝影搭載平臺按照其結構形式主要可以分為3 種，分別為固定翼、單懸翼和多懸翼[2]。不同結構形式的無人機傾斜攝影搭載平臺的優(yōu)缺點對比如表1 所示。

表1 不同結構形式的無人機傾斜攝影搭載平臺優(yōu)缺點對比

綜合分析測繪條件和測繪效率要求，試驗選用大疆Mavic2 Pro 四旋翼無人機搭載高精度高分辨力傾斜攝影攝像機作為數(shù)據(jù)采集設備。該型號無人機具有起降方便、速度可調(diào)、安全穩(wěn)定、高分辨力和控制靈活等特點，能夠滿足高效的外業(yè)工作要求，適合大面積城市場景傾斜攝影數(shù)據(jù)的獲取。無人機設備的起飛重量為908 g，最大上升速度為5 m/s，最大水平飛行速度為72 km/h，在S 模式下最大垂直下降速度為5 m/s，RTK 位置精度為水平1 cm+1 ppm、垂直1.5 cm+1 ppm，最長飛行時間為31 min，最大續(xù)航能力為18 km，最大抗風等級為5 級風，搭載的定位系統(tǒng)為GPS+GLONASS。無人機搭載的影像設備為睿鉑DG4Pros 全畫幅5 鏡頭傾斜相機，前后視鏡頭傾角為45°，左右視鏡頭傾角為50°，最大俯仰軸旋轉(zhuǎn)角速度為300°/s，最大航向軸旋轉(zhuǎn)角度為100°/s，最大俯仰角度為30°，攝像機傳感器為1 英寸CMOS，具有有效像素2 000 萬，鏡頭等效焦距28 mm，光圈f/2.8~f/11，電子快門速度為8~1/8 000 s，照相分辨率為5 472×3 648。

2 無人機傾斜攝影技術的三維模型構建

與傳統(tǒng)的三維激光掃描建模、手工建模相比，無人機傾斜攝影建模具有明顯優(yōu)勢，3 種不同的建模方法對比如表2 所示。在無人機傾斜攝影中，為構建目標建筑物的三維數(shù)據(jù)，首先需對研究區(qū)域圖像進行數(shù)據(jù)采集，無人機設備搭載的光學相機按照導航裝置和人工地面操縱的設置進行低空巡航，并從不同的角度對研究區(qū)域的地形地物進行光學攝影，以獲得高精度的影像，并通過后期圖片處理技術自動化和智能化地構建高分辨率的三維數(shù)據(jù)模型。建筑物三維模型的構建需經(jīng)過外業(yè)數(shù)據(jù)采集與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程，具體的數(shù)據(jù)處理流程如圖2 所示[3]。

圖2 無人機傾斜攝影技術數(shù)據(jù)采集及三維模型構建流程

表2 無人機傾斜攝影技術三維建模與其他技術的對比分析

3 基于無人機傾斜攝影技術的建筑物三維建模精度分析

在無人機傾斜攝影技術的建筑物三維建模中，建模軟件的選擇至關重要。目前，主流的三維建模軟件主要為大疆智圖、Metashape、ContextCapture 和Pix4D Mapper，4 種三維建模軟件的設備功能和設備特點對比如表3 所示[4]。為了研究這4 種不同軟件的建模精細化程度，以山東省煙臺市某城市街道建筑物為研究對象，運用無人機攝影設備獲取不同建筑物的影像數(shù)據(jù)，如圖3(a)所示，利用密集點云數(shù)據(jù)構建TIN（Trianglated Irregular Network）不規(guī)則三角網(wǎng)、提取特征點坐標，構建的建筑物TIN 不規(guī)則三角網(wǎng)絡模型，建筑物的紋理和3D 虛擬模型主要通過實景模型與提取特制點的相互融合，結果繪制呈三維白膜模型如圖3(b)所示[5]。

圖3 基于無人機傾斜攝影技術的實景模型及白模構建效果

表3 無人機傾斜攝影技術三維建模軟件對比

基于4 種不同軟件建立的三維模型，對各個模型中具體地物（門窗、建筑物墻體等）的尺寸（長度、寬度）等數(shù)據(jù)與實際測量數(shù)據(jù)進行對比，以中誤差值作為衡量模型精細化程度的評估指標，精度統(tǒng)計分析結果如圖4所示。從圖4 中可以看出，不同建模軟件得到的建模精度呈現(xiàn)完全不同的變化規(guī)律，大疆智圖軟件建模的誤差范圍為-0.07~0.08，其中誤差值大于0.02 的誤差頻數(shù)均大于30，因此建模精度較低；Metashape 軟件建模的誤差范圍為-0.06~0.07，誤差值介于±0.03 的誤差頻數(shù)均較低，因此建模精度較低；ContextCapture軟件建模的誤差范圍為±0.08，其中誤差頻數(shù)主要集中于±0.05，因此建模精度較高；Pix4D Mapper 軟件建模的誤差范圍為±0.06，除誤差值為0.03 與0.04 的誤差頻數(shù)較高外，其余誤差頻數(shù)均較低，因此建模精度較低。綜合比較中值誤差分布情況可知，ContextCapture軟件具有較高的建模精度，在無人機建筑物精細化建模中可優(yōu)先選用。

圖4 不同建模軟件的建模精度對比

4 結語

以山東省煙臺市某城市街道建筑物為研究對象，基于無人機傾斜攝影技術，運用現(xiàn)場實測的方法獲取目標建筑物的影像數(shù)據(jù)，并通過后期圖片處理技術自動化和智能化地構建高分辨率的三維數(shù)據(jù)模型，研究4 種不同建模軟件的精度變化，得到如下結論：

（1）選用的大疆Mavic2 Pro 四旋翼無人機搭載高精度高分辨力傾斜攝影攝像機作為數(shù)據(jù)采集設備，具有有起降方便、速度可調(diào)、安全穩(wěn)定、高分辨力和控制靈活等特點，能夠滿足高效的建筑物三維建模的外業(yè)工作要求，適合大面積城市場景傾斜攝影數(shù)據(jù)的獲取。

（2）4 種不同建模軟件得到的建模精度呈現(xiàn)完全不同的變化規(guī)律，大疆智圖軟件建模的誤差范圍為-0.07~0.08，Metashape 軟件建模的誤差范圍為-0.06~0.07，ContextCapture軟件建模的誤差范圍為±0.08，Pix4D Mapper軟件建模的誤差范圍為±0.06，綜合比較中值誤差分布情況可知，ContextCapture 軟件具有較高的建模精度，在無人機建筑物精細化建模中可優(yōu)先選用。