曾聰

（梅州市測(cè)繪與地理信息中心，廣東 梅州 514071）

1 引言

建立具有真實(shí)紋理的地形三維模型有著巨大的市場(chǎng)價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。不少專家學(xué)者針對(duì)地形三維模型構(gòu)建方法開展了研究[1]，將傳統(tǒng)航拍技術(shù)和數(shù)字地表采集技術(shù)相結(jié)合，研究了一種高新技術(shù)，即機(jī)載多角度傾斜攝影。該技術(shù)突破常規(guī)航拍技術(shù)僅從單一視角對(duì)地形進(jìn)行成像的局限，可實(shí)現(xiàn)單幅和多幅斜視圖像的同步采集，有效解決正向影像無(wú)法精確反映地表真實(shí)狀況的問題[2]。同時(shí)，基于航空POS 數(shù)據(jù)和其他矢量數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)傾斜影像的三維測(cè)量，進(jìn)而對(duì)真實(shí)三維地形建模。

目前，實(shí)際構(gòu)建地形三維模型時(shí)仍存在諸多問題，例如獲取影像數(shù)據(jù)速度慢、成本高等。本文引入無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，對(duì)三維地形輔助測(cè)量方法開展設(shè)計(jì)研究，為地形三維模型的構(gòu)建提供參考。

2 基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的影像獲取

基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，利用攜帶多角度航拍相機(jī)的多功能八旋翼無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)獲取測(cè)區(qū)影像數(shù)據(jù)，其中包含垂直影像和傾斜影像兩種。垂直攝影的飛行器攝影機(jī)主光軸與目標(biāo)物頂部保持垂直，可獲取目標(biāo)物的頂部視圖，清晰展示目標(biāo)物的頂部形狀和特征。然而，這種方式無(wú)法獲取目標(biāo)物的側(cè)面信息，存在一定的局限性。而傾斜攝影是在同一載體搭載多臺(tái)傳感器，可同時(shí)從多個(gè)角度采集影像，其飛行器攝影機(jī)主光軸偏離垂線，使得拍攝角度大于3°，從而能獲取目標(biāo)物側(cè)面信息。傾斜影像具有傳統(tǒng)垂直影像與地面影像的雙重特性，能同時(shí)獲得地物的頂面和側(cè)面信息，呈現(xiàn)的效果更加真實(shí)、完整。

無(wú)人機(jī)航拍前應(yīng)嚴(yán)格按照特定的作業(yè)任務(wù)要求來(lái)規(guī)劃航拍流程：（1）了解測(cè)區(qū)概況，全面掌握測(cè)區(qū)的地形地貌、植被分布、氣候特征等，以判斷可能遇到的飛行挑戰(zhàn)和安全風(fēng)險(xiǎn)。（2）確定測(cè)區(qū)范圍，精確劃定航拍的目標(biāo)區(qū)域，確保無(wú)人機(jī)能全面覆蓋所需拍攝范圍。（3）選擇合適的照相機(jī)[3]，挑選出高分辨率、高精度、穩(wěn)定性好的照相機(jī)。同時(shí)考慮照相機(jī)的重量、體積以及續(xù)航能力等因素，確保其與無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)兼容。（4）決定照相尺度與高度，根據(jù)測(cè)區(qū)分辨率要求和無(wú)人機(jī)飛行高度，計(jì)算出合適的照相尺度，確保拍攝到的影像既清晰又完整。（5）選擇合適的照相時(shí)間，避開陰雨、大風(fēng)等惡劣天氣，選擇晴朗、風(fēng)力較小的時(shí)段進(jìn)行航拍，確保無(wú)人機(jī)飛行穩(wěn)定，減少因天氣因素導(dǎo)致的影像質(zhì)量下降。（6）確定無(wú)人機(jī)起飛與降落的確切地點(diǎn)，選擇平坦、開闊且遠(yuǎn)離高大建筑物的場(chǎng)地作為起降點(diǎn)，確保無(wú)人機(jī)能夠安全起降。

為了保證無(wú)人機(jī)低空飛行的安全性，提高空域資源的利用率，航拍前必須根據(jù)有關(guān)規(guī)定，向空域管理部門提出申請(qǐng)，取得對(duì)該區(qū)域的飛行許可。如未獲許可，則須重新制訂飛行計(jì)劃，做好充分準(zhǔn)備后再向空域管理部門申請(qǐng)。結(jié)合無(wú)人機(jī)飛行任務(wù)和低空數(shù)字航空攝影的相關(guān)規(guī)范，確定航攝參數(shù)，確保無(wú)人機(jī)能夠按照規(guī)定軌跡完成飛行任務(wù)。對(duì)于飛行高度，需要結(jié)合不同比例尺航攝成像要求設(shè)定，不同測(cè)圖比例尺的地面分辨率標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

表1 不同測(cè)圖比例尺的地面分辨率標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合表1 數(shù)據(jù)與公式（1），確定無(wú)人機(jī)飛行高度：

公式（1）中，H 表示無(wú)人機(jī)的飛行高度，f 表示物鏡鏡頭焦距，GSD 表示航攝影像地面分辨率，a 表示像元尺寸。結(jié)合測(cè)區(qū)規(guī)模，確定無(wú)人機(jī)飛行的航向和航線長(zhǎng)度，計(jì)算公式為：

公式中，Bx 表示實(shí)地拍攝長(zhǎng)度，Dx 表示實(shí)地航線間寬，Lx 表示相幅長(zhǎng)度，Ly 表示相幅寬度，px 表示航向重疊度，qy 表示旁向重疊度。選擇在晴朗無(wú)云天氣開展航攝，避免環(huán)境因素對(duì)測(cè)量精度的影響。

采用Wallis 濾波變換處理影像數(shù)據(jù)，公式如下：

公式(4)中，f(x，y)表示濾波轉(zhuǎn)換后影像灰度值 ，g（x，y）表示原始影像灰度值，c 表示方差擴(kuò)展系數(shù)，mg表示原始影像灰度均值，sg表示灰度標(biāo)準(zhǔn)方差，sf表示方差目標(biāo)值，mf表示影像灰度均值，b表示影像亮度系數(shù)。利用上述公式對(duì)影像進(jìn)行處理，目的是增強(qiáng)影像反差，減少噪聲。無(wú)人機(jī)傾斜攝影獲取的影像數(shù)據(jù)如圖1 所示。

圖1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影獲取的影像數(shù)據(jù)

3 布設(shè)外業(yè)像控點(diǎn)

外業(yè)像控點(diǎn)的布設(shè)直接影響最后結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此，要遵循布點(diǎn)原則，選擇科學(xué)合理的像控點(diǎn)布設(shè)方案[4]，具體如圖2 所示。

圖2 外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)方案

根據(jù)不同成圖比例尺對(duì)平面點(diǎn)和高程點(diǎn)的檢查標(biāo)準(zhǔn)，確定像控點(diǎn)航向和旁向的基線數(shù)間隔，合理布設(shè)像控點(diǎn)。運(yùn)用GPS-RTK（1+N）測(cè)量方法獲取像控點(diǎn)的大地坐標(biāo)。GPS-RTK 由一個(gè)參考站和幾個(gè)流動(dòng)站構(gòu)成，在測(cè)區(qū)設(shè)置一個(gè)參考站，實(shí)時(shí)接收GPS 衛(wèi)星信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行載波相位、偽距離等測(cè)量，通過數(shù)據(jù)鏈路向流動(dòng)站實(shí)時(shí)傳送其準(zhǔn)確坐標(biāo)及衛(wèi)星觀測(cè)資料。利用內(nèi)置的實(shí)時(shí)處理軟件，對(duì)參考站差分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，求解參考站之間的基線矢量、各點(diǎn)坐標(biāo)，最終獲得較高的參考站坐標(biāo)。

4 多視影像密集匹配

采用CMVS 方法進(jìn)行三維地形多視影像密集匹配測(cè)量，通過多視影像空中三角測(cè)量，獲得測(cè)區(qū)影像的外方位元素，并與CMVS 相結(jié)合，對(duì)其進(jìn)行聚簇分類，以減少數(shù)據(jù)量。假設(shè)在圖像I1和Im上存在兩個(gè)SFM 點(diǎn)，并且圖像I1和Im相鄰，兩個(gè)圖像集相鄰是指兩個(gè)圖像集有某些圖像相鄰。若P1和Pk分別對(duì)應(yīng)圖像集Vj和Vk，則具有相似可見性。P1和Pk點(diǎn)的投影位置差小于ω1，ω1的取值為64。

首先，將局部鄰居中某一SFM 特征點(diǎn)的視覺信息設(shè)定為各區(qū)域位置的平均，反復(fù)進(jìn)行，直至得到點(diǎn)集的輸出。其次，檢索時(shí)先剔除分辨率較差的圖片，再選取滿足覆蓋率要求的圖片[5]。然后，將圖像大小作為約束條件，對(duì)不滿足圖像大小的簇進(jìn)行分割。對(duì)MVS 重構(gòu)貢獻(xiàn)的邊緣值越小，則被去除的希望越大[6]。最后，增加圖像，由公式（5）作為每個(gè)未鍵入SFM 特征點(diǎn)Pj構(gòu)建的一個(gè)圖像簇Ck：

再將公式（6）作為評(píng)判效率的標(biāo)準(zhǔn)，最后選擇最大的g值作為加入簇的行為。

不斷重復(fù)上述操作，直到最終結(jié)果能覆蓋范圍約束和圖像大小約束條件，輸出結(jié)果即為匹配測(cè)量結(jié)果。

5 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的三維地形輔助測(cè)量方法在實(shí)際應(yīng)用中的可行性，設(shè)計(jì)了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

將本文測(cè)量方法作為實(shí)驗(yàn)組，將基于Web 的測(cè)量方法作為對(duì)照A 組，將基于AutoCAD 的測(cè)量方法作為對(duì)照B 組，以某城市村寨社區(qū)為實(shí)驗(yàn)區(qū)，采用三種方法進(jìn)行輔助測(cè)量。實(shí)驗(yàn)區(qū)東西方向長(zhǎng)度為880m，南北方向長(zhǎng)度為450m，地形復(fù)雜，交通便利，氣候四季分明，季節(jié)過渡明顯，雨量適中，平均降水量為720.4mm，自然災(zāi)害頻繁發(fā)生。基于本文測(cè)量方法，實(shí)驗(yàn)選用IFA2022i 無(wú)人機(jī)采集影像數(shù)據(jù)，無(wú)人機(jī)及其航攝技術(shù)參數(shù)分別如圖3 和表2 所示。

圖3 IFA2022i無(wú)人機(jī)

表2 航攝技術(shù)設(shè)置參數(shù)

利用三種方法完成測(cè)量后，對(duì)測(cè)量結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到平面坐標(biāo)中誤差、高程坐標(biāo)中誤差、高度中誤差及長(zhǎng)度中誤差，并計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的最大誤差，計(jì)算公式如下：

公式中，mx表示測(cè)量結(jié)果橫坐標(biāo)誤差，x表示測(cè)點(diǎn)橫坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果，Ax表示測(cè)點(diǎn)橫坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值，n表示測(cè)點(diǎn)數(shù)量，my表示測(cè)量結(jié)果縱坐標(biāo)誤差，y表示測(cè)點(diǎn)縱坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果，Δy表示測(cè)點(diǎn)縱坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值，m表示中誤差。計(jì)算出各個(gè)中誤差值后，對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，具體如表3 所示。

表3 三種測(cè)量方法測(cè)量精度對(duì)比（單位：m m）

從表3 數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)驗(yàn)組測(cè)量方法各項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)值均小于其他兩組。由此可以得出，實(shí)驗(yàn)組測(cè)量方法的精度更高。將該方法應(yīng)用于實(shí)際，可以為三維地形模型構(gòu)建、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、礦產(chǎn)資源開發(fā)等提供更加有利的數(shù)據(jù)依據(jù)。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，本文設(shè)計(jì)了一種全新的三維地形輔助測(cè)量方法，并與現(xiàn)有測(cè)量方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的可行性。無(wú)人機(jī)傾斜攝影獲取的影像是多角度的，尺度差別較大，加之存在遮擋和陰影等問題，會(huì)導(dǎo)致后續(xù)與模型匹配時(shí)出現(xiàn)扭曲變形現(xiàn)象，在一定程度上影響該方法的應(yīng)用性能，后續(xù)將通過后期補(bǔ)修和改正等精細(xì)化處理技術(shù)，改善這一問題。