消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)的單鏡頭傾斜攝影測(cè)量方法

隨著數(shù)字測(cè)圖的人工成本不斷攀升和小型旋翼無(wú)人機(jī)的快速發(fā)展，基于傾斜三維模型的立體測(cè)圖方法受到各個(gè)測(cè)繪單位的歡迎。采用單鏡頭相機(jī)進(jìn)行高精度的無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量，將在小范圍大比例尺地形圖修補(bǔ)測(cè)、城市三維建模、超高層建筑竣工測(cè)量、“多測(cè)合一”二、三維校核等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

本文基于莆田市農(nóng)村地籍與房屋調(diào)查工程，探討了使用消費(fèi)級(jí)、單鏡頭、低成本無(wú)人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量制作大比例尺地形圖的相關(guān)技術(shù)，并通過(guò)改進(jìn)相關(guān)作業(yè)方法，提高數(shù)字測(cè)圖工作效率，保證測(cè)圖精度，降低無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的應(yīng)用門檻。

1、影像數(shù)據(jù)獲取

研究區(qū)位于福建省第三大島南日島，全島面積52km2.海岸線總長(zhǎng)66.4km。島上全年4級(jí)風(fēng)以上時(shí)間達(dá)300d以上，為消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)的航攝增加了較大困難;但島內(nèi)房屋錯(cuò)落有致，植被稀疏，為傾斜攝影測(cè)量提供了有利條件。

大疆精靈4RTK版無(wú)人機(jī)具有RTK導(dǎo)航定位系統(tǒng)、相機(jī)微秒級(jí)同步、APP航線規(guī)劃等功能，具備cm級(jí)導(dǎo)航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng)，配備千尋位置公司集成的千尋知寸網(wǎng)絡(luò)RTK模塊，有利于弱化姿態(tài)控制單元的重要性，減少荷載，提高定位精度。

在RTK的輔助下，采用井字形航線設(shè)計(jì)、低空飛行、高重疊率的作業(yè)方案獲取影像數(shù)據(jù)。為了得到與多鏡頭云臺(tái)一樣的航測(cè)成果，單相機(jī)傾斜攝影需要更多的航帶數(shù)和照片數(shù)。航線規(guī)劃涉及地面分辨率、航高、航速、相機(jī)傾角、重疊度等。對(duì)于單鏡頭無(wú)人機(jī)，常用的飛行方案為多架次“之”字形方案，即在航向規(guī)劃軟件中依架次設(shè)置不同的航線角度、相機(jī)傾角，來(lái)模擬多鏡頭的航飛效果。也可采用“井”字形航線，即固定相機(jī)傾角不變，采用“井”字形反復(fù)飛行的多角度飛行方案，既保證同一地物能被3個(gè)以上的不同方向航拍到，又保持相機(jī)傾角的穩(wěn)定。

本文采用如圖1所示的“井”字形航線。由于大疆精靈4RTK的單塊電池續(xù)航時(shí)間低于15min，為提高外業(yè)采集效率，一般需配備16塊電池或6塊電池加便攜式充電站。在滿負(fù)荷16架次飛行的情況下，單天可完成1km2的傾斜航攝。研究區(qū)面積為0.37km2.實(shí)際飛行8個(gè)架次，加上起降、換電池的時(shí)間損耗，在180min內(nèi)完成了數(shù)據(jù)采集工作，共獲取照片2836張。

圖1 航線設(shè)計(jì)圖

考慮到現(xiàn)場(chǎng)和設(shè)備情況，采用低空飛行（設(shè)置默認(rèn)航高為低空80m），在沒(méi)有高壓電塔、風(fēng)力發(fā)電塔或房屋較低矮、密集的區(qū)域，將航高降低到70m。顧及地表高低起伏，相對(duì)航高一般50多米，局部相對(duì)航高只有30多米。航向重疊度80％，旁向重疊度80％，云臺(tái)俯仰角度－60°，地面分辨率優(yōu)于2.19cm。

2、像控點(diǎn)布設(shè)

像控點(diǎn)布設(shè)是空中三角測(cè)量的基礎(chǔ)，其測(cè)量精度、布設(shè)密度和分布直接影響成果精度。本文按實(shí)地間隔100m均勻布設(shè)像控點(diǎn)，像控點(diǎn)標(biāo)志按“L”型布設(shè)，在L型標(biāo)志的外角處打入水泥釘，并以紅漆繪出點(diǎn)號(hào)，便于后期檢測(cè)精度，且兼作圖根控制點(diǎn)。

空中三角測(cè)量的精度最弱點(diǎn)位于測(cè)區(qū)邊緣，因此要加強(qiáng)測(cè)區(qū)邊角的控制，以改善區(qū)域四周的精度。以研究區(qū)內(nèi)的東岱村為例，東岱村房屋密集區(qū)面積0.37km2.三面臨海。測(cè)區(qū)內(nèi)共布設(shè)了21個(gè)像控點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 像控點(diǎn)布置圖

每個(gè)像控點(diǎn)獨(dú)立觀測(cè)3次，在RTK固定解收斂至mm級(jí)后開始觀測(cè)，每次觀測(cè)歷元數(shù)30個(gè)，采樣間隔2s。觀測(cè)成果平面坐標(biāo)分量較差均小于3cm，垂直坐標(biāo)分量較差小于5cm，取中數(shù)作為該點(diǎn)測(cè)量的最終成果。

3、空中三角測(cè)量

空中三角測(cè)量利用外業(yè)采集的影像、像控點(diǎn)成果、POS信息，通過(guò)建模獲得所有影像的外方位元素，再通過(guò)多視影像密集匹配，自動(dòng)獲取高密度三維點(diǎn)云信息?？罩腥菧y(cè)量步驟主要分為多視影像密集匹配及自由網(wǎng)空三、像控點(diǎn)判刺、絕對(duì)網(wǎng)空三解算等。多視影像密集匹配及自由網(wǎng)空三步驟基于同名特征點(diǎn)信息進(jìn)行自動(dòng)匹配解算，基本無(wú)需人工干預(yù)。

個(gè)別情況下，空三結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)丟片、分層等異常情況，可能是由于氣象條件惡劣導(dǎo)致像片抖動(dòng)劇烈或過(guò)曝光、RTK信號(hào)失鎖、POS數(shù)據(jù)異常、植被和水系區(qū)域弱紋理等。

本文空中三角測(cè)量采用ContextCapture軟件進(jìn)行處理。研究區(qū)域共判刺21個(gè)像控點(diǎn)，密集匹配575965個(gè)連接點(diǎn)，連接圖如圖3所示。

圖3 空三加密網(wǎng)連接點(diǎn)分布圖

為比較不同像控點(diǎn)密度對(duì)空三精度的影響，將21個(gè)像控點(diǎn)均勻抽稀到8個(gè)，得到兩種像控點(diǎn)密度下的空三控制點(diǎn)精度（表1），可以看出像控點(diǎn)減少，空三精度下降。

4、三維建模

三維自動(dòng)建?；诟呙芏赛c(diǎn)云構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，對(duì)不規(guī)則三角網(wǎng)進(jìn)行自動(dòng)紋理映射，生成基于真實(shí)影像紋理的三維實(shí)景模型。生成的模型包含了高密度點(diǎn)云、不規(guī)則三角網(wǎng)、真實(shí)影像紋理3種信息。生成的傾斜三維模型成果的精度直接決定了最終成圖的精度。因此，需要對(duì)模型的內(nèi)符合精度進(jìn)行檢驗(yàn)。如圖4所示，對(duì)同一個(gè)房角點(diǎn)在不同高度取點(diǎn)對(duì)比得到ΔX=0.02m，ΔY=0.01m。類似的，在測(cè)區(qū)內(nèi)隨機(jī)選擇30棟混房的角點(diǎn)，分別在同一墻體角點(diǎn)的不同高度取兩點(diǎn)，得到如圖5所示的點(diǎn)位誤差分布圖，根據(jù)計(jì)算得到內(nèi)符合精度為±0.034m，其中，Δs表示測(cè)量誤差。

圖4 同一房角點(diǎn)平面坐標(biāo)差異分析

圖5 三維模型內(nèi)符合精度圖

5、立體測(cè)圖

基于傾斜三維模型進(jìn)行的立體測(cè)圖也稱“裸眼測(cè)圖”。采用人機(jī)交互的方式直接從傾斜三維模型上獲取特征點(diǎn)坐標(biāo)，更直觀、更快捷。繪圖者不需要長(zhǎng)時(shí)間的專業(yè)培訓(xùn)，即可快速上手，因此受到了各測(cè)繪單位的歡迎。目前，常用的立體測(cè)圖的軟件有武漢天際航公司的DPmodeler軟件系統(tǒng)、北京清華山維的EPS軟件系統(tǒng)等。

為進(jìn)一步節(jié)省傾斜攝影測(cè)量的成本，降低立體測(cè)圖的門檻，提高立體測(cè)圖效率，且充分考慮不同區(qū)域房屋構(gòu)造不同的特性，開發(fā)了基于AutoCAD的立體測(cè)圖插件。該插件利用WindowsAPI函數(shù)，捕獲并鎖定“Acute3D窗口選點(diǎn)”和“CASS窗口繪圖”兩個(gè)窗口，通過(guò)兩個(gè)窗口間的信息交互來(lái)進(jìn)行立體測(cè)圖。即實(shí)時(shí)將Acute3D測(cè)量窗口中顯示的點(diǎn)位坐標(biāo)信息同步展繪到CASS中。利用該插件，考慮到房屋自身的直角、對(duì)稱、鏡像等特點(diǎn)，可以充分利用AutoCAD的構(gòu)造線、垂線、延長(zhǎng)線等工具進(jìn)行輔助繪圖。針對(duì)模型上房角點(diǎn)變形的問(wèn)題，分別在房角點(diǎn)以及房角點(diǎn)所在的墻面取點(diǎn)，并兼顧房屋平行于相鄰的房屋、加固坎、圍墻、馬路等特點(diǎn)，繪制構(gòu)造線進(jìn)行印證，交會(huì)出最理想的房角點(diǎn)位置。開發(fā)的插件與CASS原有的各工具按鈕、快捷命令完全不沖突，使用方便。圖6為自主研發(fā)的立體測(cè)圖。

圖6 自主研發(fā)的立體測(cè)圖插件

6、測(cè)圖精度分析

為了驗(yàn)證消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)獲取傾斜影像制作大比例尺地形圖的精度，將試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)全站儀實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)坐標(biāo)與立體測(cè)圖成果同名點(diǎn)平面坐標(biāo)進(jìn)行比較，差值見表2.由表2可知點(diǎn)位精度為0.042m。

為了更加系統(tǒng)、全面地檢驗(yàn)精度，在試驗(yàn)區(qū)選取了8個(gè)村的立體測(cè)圖成果進(jìn)行打點(diǎn)檢驗(yàn)，如表3所示。由表3可知，采用本文方案及改進(jìn)措施，能達(dá)到農(nóng)村地籍與房屋調(diào)查工程的精度要求。

6、結(jié)束語(yǔ)

本文分析了基于大疆精靈4RTK版無(wú)人機(jī)的單鏡頭傾斜攝影測(cè)量方法，提出了低空飛行、井字形飛行、較高的重疊度、改進(jìn)的立體測(cè)圖方法等方案。以莆田市南日島8個(gè)村為試驗(yàn)區(qū)域，結(jié)果證明，該方案可以滿足地籍圖測(cè)繪的精度要求。本文方法將測(cè)圖的主要工作從原來(lái)的全站儀外業(yè)打點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槭覂?nèi)立體測(cè)圖，并且整套裝備價(jià)格低、工作效率高、易于上手，大大縮短了測(cè)圖人員的培養(yǎng)周期。但該方法超低空飛行受測(cè)區(qū)房屋高低影響較大，航片數(shù)量巨大，像控點(diǎn)密度較高，建模效率不高。

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