陳偉CHEN Wei；錢俊錦QIAN Jun-jin

（四川中水成勘院測繪工程有限責(zé)任公司，成都 610072）

0 引言

隨著無人機(jī)與數(shù)碼相機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)測繪近年來得到廣泛應(yīng)用，相比傳統(tǒng)測繪，無人機(jī)航測具有機(jī)動高效、精細(xì)準(zhǔn)確、適用范圍廣、生產(chǎn)周期短、成果多樣等特點(diǎn)，在小區(qū)域和飛行困難地區(qū)高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優(yōu)勢。無人機(jī)航拍可廣泛應(yīng)用于國家重大工程建設(shè)、災(zāi)害應(yīng)急與處理、國土監(jiān)察、資源開發(fā)、新農(nóng)村和小城鎮(zhèn)建設(shè)等方面，尤其在基礎(chǔ)測繪、土地資源調(diào)查監(jiān)測、土地利用動態(tài)監(jiān)測、數(shù)字城市建設(shè)和應(yīng)急救災(zāi)測繪數(shù)據(jù)獲取等方面具有廣闊前景。飛馬D2000 是基于高性能旋翼平臺的一站式高精度單兵作業(yè)平臺，飛馬D2000 無人機(jī)具有功能多樣、安全保障、操作便利等特點(diǎn)。本文就如何使用飛馬D2000 無人機(jī)進(jìn)行免像控傾斜攝影實(shí)景三維建模進(jìn)行研究。

1 測區(qū)概況

測區(qū)地處西部高原，平均海拔在3000m 以上，測區(qū)高差達(dá)900m，根據(jù)任務(wù)要求需制作測區(qū)的分辨率優(yōu)于5cm的實(shí)景三維模型。按照傳統(tǒng)航測的要求，需要根據(jù)航攝間距布設(shè)像片控制點(diǎn)[1]，并且像控點(diǎn)要能控制整個(gè)測區(qū)。受地形、交通等因素影響，測區(qū)布設(shè)像控點(diǎn)無法控制整個(gè)測區(qū)，且像控點(diǎn)控制范圍以外的區(qū)域，其三維模型精度無法滿足規(guī)范要求。加之測區(qū)植被茂盛，野生動物種類繁多，活動頻繁，作業(yè)人員進(jìn)入林區(qū)有較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。為保證三維模型精度和測繪人員的人身安全，經(jīng)現(xiàn)場踏勘后決定采用免像控作業(yè)方式進(jìn)行航測，選用無人機(jī)機(jī)型為飛馬D2000無人機(jī)。測區(qū)局部地形見圖1。

圖1 測區(qū)局部地形

2 無人機(jī)航測實(shí)景三維建模原理

三維建模原理是將相機(jī)在空中拍攝每張影像的地物紋理信息、定位信息和姿態(tài)信息通過快速影像匹配技術(shù)解算出相鄰影像之間的空間關(guān)系，將影像中的各像素在三維空間中離散化形成彩色點(diǎn)云，利用彩色點(diǎn)云的幾何特性通過TIN 三角構(gòu)網(wǎng)法[2]將離散的點(diǎn)云連接成一個(gè)個(gè)三角形面片并形成實(shí)景三維模型中的基礎(chǔ)模型，通常稱之為白模，最后發(fā)揮點(diǎn)云的彩色屬性根據(jù)空間位置映射白模上形成既有幾何外觀又有真實(shí)色彩的實(shí)景三維模型。無人機(jī)航測免像控實(shí)景三維建模是指在空三數(shù)據(jù)處理軟件中無需添加像控點(diǎn)實(shí)現(xiàn)三維建模的自動化生產(chǎn)[3]。

3 主要設(shè)備簡介

本次作業(yè)采用飛馬D2000 無人機(jī)搭載傾斜攝影模塊D-OP3000 進(jìn)行。飛馬D2000 無人機(jī)系統(tǒng)是深圳飛馬機(jī)器人股份有限公司全新研發(fā)的一款小型、長航時(shí)且同時(shí)能滿足高精度測繪遙感及視頻應(yīng)用的多旋翼無人機(jī)系統(tǒng)，可搭載航測模塊、傾斜模塊、可見光視頻模塊、熱紅外視頻模塊、熱紅外遙感模塊等，具備多源化數(shù)據(jù)獲取能力。DOP3000 是一款可見光多鏡頭相機(jī)模組，包含1 個(gè)下視和4 個(gè)側(cè)視高清鏡頭，5 鏡頭總計(jì)1.2 億像素，像元大小3.9μm，其成像清晰，鏡頭畸變小，很適合進(jìn)行傾斜攝影三維建模作業(yè)。

4 航飛作業(yè)流程

航飛的作業(yè)流程主要包括：現(xiàn)場勘查、方案設(shè)計(jì)審批、空域申請、航測攝影、空三測量、三維建模。本次航飛采用飛馬無人機(jī)管家系統(tǒng)進(jìn)行航線設(shè)計(jì)和自動化飛行，現(xiàn)場勘查對于整個(gè)航飛作業(yè)流程至關(guān)重要，踏勘時(shí)需收集地形地貌信息、重要建筑信息、交通信息等，為無人機(jī)的起降點(diǎn)規(guī)劃、航線規(guī)劃提供資料，保證無人機(jī)飛行安全。

4.1 獲取相機(jī)檢校參數(shù)

根據(jù)多次的生產(chǎn)案例，相機(jī)檢校參數(shù)是獲取高精度免像控三維模型的關(guān)鍵因素之一。無人機(jī)搭載的相機(jī)在出廠時(shí)會有一個(gè)數(shù)碼相機(jī)檢校報(bào)告，但由于運(yùn)輸、實(shí)驗(yàn)場地等原因?qū)е赂w行區(qū)域有一定區(qū)別，所以為了獲取高精度三維模型需要在飛行前對相機(jī)進(jìn)行檢校。為保證相機(jī)檢校參數(shù)的精度，檢校點(diǎn)的布設(shè)數(shù)量和方式參考文獻(xiàn)[4]中像控點(diǎn)的布設(shè)要求。本次為獲取相機(jī)檢校參數(shù)的飛行分辨率為1.5cm，檢校點(diǎn)布設(shè)了9 個(gè)，相互間距約50m。分別在瞰景科技公司的Smart3D Master 軟件、Bentley 公司的ContextCapture 軟件中按常規(guī)作業(yè)流程進(jìn)行空三測量，空三測量完成后將相機(jī)文件導(dǎo)出保存?zhèn)溆?。檢校流程圖見圖2[5]。

圖2 檢校流程圖

4.2 航線設(shè)計(jì)

由于測區(qū)面積超過10km2，且測區(qū)高差大，為保證成果質(zhì)量和飛行安全，需要根據(jù)地形、無人機(jī)續(xù)航時(shí)間等將測區(qū)劃分位不同區(qū)塊進(jìn)行航飛作業(yè)。本次飛行需滿足1:500 建模精度要求，根據(jù)航高計(jì)算公式H=f×GSD/a，（式中H 為飛行高度，f 為相機(jī)焦距，GSD 為地面分辨率，a 為像元大?。?jì)算得出，無人機(jī)搭載D-OP3000 時(shí)，飛行高度不得高于320m。由于測區(qū)高差大，要滿足飛行高度不高于320m 就必須進(jìn)行仿地飛行。進(jìn)行仿地飛行的航線規(guī)劃，需要有測區(qū)的DEM（數(shù)字高程模型），航線設(shè)計(jì)軟件根據(jù)DEM 對無人機(jī)的各個(gè)航點(diǎn)高度進(jìn)行規(guī)劃，無人機(jī)飛行時(shí)根據(jù)規(guī)劃的航點(diǎn)高度進(jìn)行升高和降低。飛馬的航線設(shè)計(jì)軟件自帶全國的DEM 數(shù)據(jù)，可以直接在航線設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行仿地飛行航線設(shè)計(jì)。最終將測區(qū)劃分為4 個(gè)區(qū)塊，按300m 相對航高設(shè)計(jì)航線。主要飛行參數(shù)見表1。

表1 飛行參數(shù)

4.3 檢查點(diǎn)布設(shè)

為了檢查本次免像控三維模型的精度，在測區(qū)共計(jì)布設(shè)了321 個(gè)檢查點(diǎn)，檢查點(diǎn)覆蓋整個(gè)測區(qū)。檢查點(diǎn)包括明顯地物和對空標(biāo)識兩種。檢查點(diǎn)坐標(biāo)采用GNSS-RTK（實(shí)時(shí)動態(tài)測量技術(shù)）和全站儀坐標(biāo)測量的方式進(jìn)行測量。采用GNSS-RTK 測量時(shí)，根據(jù)接收機(jī)的圖根測量功能，每個(gè)檢查點(diǎn)測量時(shí)設(shè)置衛(wèi)星高度截止角為15 度，PDOP＜4，接收機(jī)收到至少5 顆衛(wèi)星信號，單次觀測的平面收斂精度不大于2cm，單次觀測的高程收斂精度不大于3cm，測量3個(gè)測回，每次觀測歷元數(shù)不少于10 個(gè)，采樣間隔2～5s，測回間GNSS 設(shè)備自動斷開重連。取各次測量的中數(shù)作為最終檢查點(diǎn)測量結(jié)果；采用全站儀坐標(biāo)測量時(shí)，在全站儀中對溫度氣壓進(jìn)行改正，測量中誤差不大于±5cm。

4.4 外業(yè)航飛

飛行前首先按照國家的法律、行政法規(guī)和工程所在地的地方法規(guī)及規(guī)章，向飛行管制部門提出空域申請，經(jīng)批復(fù)后按照批復(fù)要求進(jìn)行航飛作業(yè)。要保證成果精度滿足要求，無人機(jī)POS（POS 數(shù)據(jù)指的是Positioning System Data，即定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)）數(shù)據(jù)必須達(dá)到厘米級精度，通常情況下采用網(wǎng)絡(luò)RTK 方式獲取厘米級POS 數(shù)據(jù)，由于測區(qū)地處高海拔地區(qū)，網(wǎng)絡(luò)信號不穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)RTK 不能保證無人機(jī)POS 數(shù)據(jù)固定率（即達(dá)到厘米級精度的比例），故采用地面架設(shè)靜態(tài)觀測基站與無人機(jī)機(jī)載GNSS 觀測數(shù)據(jù)來進(jìn)行數(shù)據(jù)后差分處理的方式獲取厘米級的POS 數(shù)據(jù)。

4.5 三維模型建模

本次飛行共劃分為4 個(gè)區(qū)塊，共計(jì)拍攝約20000 張影像，POS 覆蓋13.9km2。由于植被茂盛，地形變化大，如果直接將全部航飛影像進(jìn)行統(tǒng)一的空中三角測量將難以保證空三測量的成功率，故在空三測量時(shí)，根據(jù)飛行順序、地形變化情況、照片數(shù)量劃分為不同的空三區(qū)塊（可不與航飛區(qū)塊相同），各區(qū)塊單獨(dú)進(jìn)行一次空三計(jì)算，然后將不同區(qū)塊的空三成果合并，合并之后再次進(jìn)行全測區(qū)的空三測量。目前航測內(nèi)業(yè)處理軟件種類繁多且各具特點(diǎn)，常用軟件中，瞰景科技的Smart3D Master 空三算法高效，獨(dú)有的分布式空中三角測量算法讓測量成果更精確、穩(wěn)健，實(shí)現(xiàn)了傾斜實(shí)景三維大數(shù)據(jù)全流程的并行處理；Bentley 公司的ContextCapture 其算法能夠自動處理影像中的噪聲、光照、反射等問題，生成的三維模型具有高度保真的特點(diǎn)。參考兩個(gè)數(shù)據(jù)處理軟件的特點(diǎn)和以往的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，為得到高質(zhì)量的三維模型，此次三維模型成果通過Smart3D Master和ContextCapture 生產(chǎn)。數(shù)據(jù)處理的具體流程為：首先將每個(gè)區(qū)塊的影像、POS 數(shù)據(jù)以及準(zhǔn)備好的相機(jī)參數(shù)對應(yīng)照片組導(dǎo)入Smart3D Master 中進(jìn)行空三，創(chuàng)建空三任務(wù)時(shí)候參照相機(jī)選擇下視鏡頭影像，位置模式（POS 精度）選擇高精度位置，源數(shù)據(jù)紋理選擇弱，開啟軟件的性能模式；然后將處理后的空三成果以Blocks Exchange XML format 格式導(dǎo)出，導(dǎo)出時(shí)選擇正確的坐標(biāo)系并勾選輸出連接點(diǎn)；再將空三成果分別導(dǎo)入ContextCapture 軟件中進(jìn)行合并，將合并后的區(qū)塊在ContextCapture 軟件進(jìn)行一次整體空三，整體空三后，可以使三維模型精度更高并使全部航飛影像進(jìn)行整體勻色處理；空三完成后即可開始三維建模。三維模型效果見圖3。

圖3 三維模型效果圖

4.6 精度檢查分析

本次模型精度檢查根據(jù)《測繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》規(guī)范規(guī)定，平面中誤差與高程中誤差按照誤差差值的算術(shù)平均值計(jì)算檢查點(diǎn)中誤差，按照公式進(jìn)行計(jì)算，式中M 為中誤差，Δi為檢查點(diǎn)較差，n 為檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)。依據(jù)《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》可知：三維模型可視化表達(dá)的要求可以用平面精度、高度精度、地形精度、DOM 精度、模型精細(xì)度以及紋理精細(xì)度六個(gè)指標(biāo)來表述。每個(gè)指標(biāo)劃分為不同表達(dá)級別，每個(gè)級別對應(yīng)相應(yīng)的技術(shù)要求。本次航測的三維模型平均分辨率為4.7cm，成圖比例尺1:500，按規(guī)范要求此次三維模型的平面精度和高度精度對應(yīng)等級為Ⅰ級，檢查點(diǎn)按1:500 三維模型精度要求進(jìn)行檢查，平面精度限差為30cm，高度精度限差為50cm，兩倍中誤差為最大誤差。

本次三維模型檢查點(diǎn)分布完整覆蓋整個(gè)測區(qū)，根據(jù)《測繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》和《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》中的規(guī)定計(jì)算統(tǒng)計(jì)出本次三維模型的平面點(diǎn)位誤差最大值為16.3cm，高程點(diǎn)位誤差最大值為10.3cm，平面中誤差為5.4cm，高程中誤差為3.7cm，絕大部分檢查精度在10cm 以內(nèi)，最大誤差與中誤差均滿足1:500 三維模型精度要求。檢查點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表見表2。

表2 精度檢查統(tǒng)計(jì)表

4.7 不同分辨率下免像控三維模型精度分析

為了驗(yàn)證在不同分辨率下免像控航測三維建模的精度，根據(jù)以上作業(yè)流程和作業(yè)方法，在不同的相對航高下，在不同的區(qū)域采用飛馬D2000 無人機(jī)搭載D-OP3000 傾斜攝影模塊進(jìn)行其他項(xiàng)目的免像控三維建模處理，根據(jù)精度檢查報(bào)告，得出如下結(jié)論：免像控測量時(shí)，分辨率越高精度越高，不同的分辨率下，三維建模精度均不劣于2 倍分辨率。統(tǒng)計(jì)情況如表3。

表3 不同項(xiàng)目免像控三維模型精度統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

本項(xiàng)目覆蓋區(qū)域廣，測區(qū)地形復(fù)雜，通過三維模型成果的精度分析驗(yàn)證了無人機(jī)免像控技術(shù)的精度和可行性。隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，在日常的測繪工作當(dāng)中，采用免像控作業(yè)方式可大幅度提高項(xiàng)目生產(chǎn)效率，降低項(xiàng)目成本，減輕測繪外業(yè)工作強(qiáng)度，減少測繪外業(yè)人員受傷風(fēng)險(xiǎn)。采用免像控作業(yè)方式時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①相機(jī)檢校參數(shù)是三維模型精度影響的關(guān)鍵因素之一，航測前需對無人機(jī)所搭載的數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行檢校，檢校場地選擇地形平坦的區(qū)域進(jìn)行；②為確保影像的重疊率和最終三維模型的分辨率，在航飛前需提前獲取測區(qū)的DEM 成果，地勢變化大的地區(qū)必須采取仿地飛行；③采用地面架設(shè)靜態(tài)觀測基站對POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行后差分處理，確保POS 數(shù)據(jù)精度。靜態(tài)觀測基站的位置應(yīng)避免多路徑效應(yīng)，遠(yuǎn)離無線電發(fā)射源和具有強(qiáng)烈反射衛(wèi)星信號的物體，周邊無大型建筑和樹木等，衛(wèi)星高度截止角不大于15°；④使用瞰景Smart3D Master軟件空三時(shí)注意參照相機(jī)選擇下視鏡頭，位置模式選擇高精度位置，如果測區(qū)植被茂盛則勾選弱紋理模式?？杖晒麑?dǎo)出時(shí)注意選擇Blocks Exchange XML format 格式導(dǎo)出并勾選輸出連接點(diǎn)；⑤使用ContextCapture 軟件三維建模前將合并后的區(qū)塊進(jìn)行一次整體空三，確保模型最終成果色彩均勻。