消費級無人機的單鏡頭傾斜攝影測量方法

隨著數(shù)字測圖的人工成本不斷攀升和小型旋翼無人機的快速發(fā)展，基于傾斜三維模型的立體測圖方法受到各個測繪單位的歡迎。采用單鏡頭相機進行高精度的無人機傾斜攝影測量，將在小范圍大比例尺地形圖修補測、城市三維建模、超高層建筑竣工測量、“多測合一”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，探討了使用消費級、單鏡頭、低成本無人機進行傾斜攝影測量制作大比例尺地形圖的相關(guān)技術(shù)，并通過改進相關(guān)作業(yè)方法，提高數(shù)字測圖工作效率，保證測圖精度，降低無人機傾斜攝影測量的應(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66.4km。島上全年4級風以上時間達300d以上，為消費級無人機的航攝增加了較大困難;但島內(nèi)房屋錯落有致，植被稀疏，為傾斜攝影測量提供了有利條件。

大疆精靈4RTK版無人機具有RTK導航定位系統(tǒng)、相機微秒級同步、APP航線規(guī)劃等功能，具備cm級導航定位系統(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、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一樣的航測成果，單相機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、相機傾角、重疊度等。對于單鏡頭無人機，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、相機傾角，來模擬多鏡頭的航飛效果。也可采用“井”字形航線，即固定相機傾角不變，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個以上的不同方向航拍到，又保持相機傾角的穩(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.實際飛行8個架次，加上起降、換電池的時間損耗，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)計圖

考慮到現(xiàn)場和設(shè)備情況，采用低空飛行（設(shè)置默認航高為低空80m），在沒有高壓電塔、風力發(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，相對航高一般50多米，局部相對航高只有30多米。航向重疊度80％，旁向重疊度80％，云臺俯仰角度－60°，地面分辨率優(yōu)于2.19cm。

2、像控點布設(shè)

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

空中三角測量的精度最弱點位于測區(qū)邊緣，因此要加強測區(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。測區(qū)內(nèi)共布設(shè)了21個像控點，如圖2所示。

圖2 像控點布置圖

每個像控點獨立觀測3次，在RTK固定解收斂至mm級后開始觀測，每次觀測歷元數(shù)30個，采樣間隔2s。觀測成果平面坐標分量較差均小于3cm，垂直坐標分量較差小于5cm，取中數(shù)作為該點測量的最終成果。

3、空中三角測量

空中三角測量利用外業(yè)采集的影像、像控點成果、POS信息，通過建模獲得所有影像的外方位元素，再通過多視影像密集匹配，自動獲取高密度三維點云信息?？罩腥菧y量步驟主要分為多視影像密集匹配及自由網(wǎng)空三、像控點判刺、絕對網(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信息進行自動匹配解算，基本無需人工干預(yù)。

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

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

圖3 空三加密網(wǎng)連接點分布圖

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

4、三維建模

三維自動建?；诟呙芏赛c云構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，對不規(guī)則三角網(wǎng)進行自動紋理映射，生成基于真實影像紋理的三維實景模型。生成的模型包含了高密度點云、不規(guī)則三角網(wǎng)、真實影像紋理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，需要對模型的內(nèi)符合精度進行檢驗。如圖4所示，對同一個房角點在不同高度取點對比得到ΔX=0.02m，ΔY=0.01m。類似的，在測區(qū)內(nèi)隨機選擇30棟混房的角點，分別在同一墻體角點的不同高度取兩點，得到如圖5所示的點位誤差分布圖，根據(jù)計算得到內(nèi)符合精度為±0.034m，其中，Δs表示測量誤差。

圖4 同一房角點平面坐標差異分析

圖5 三維模型內(nèi)符合精度圖

5、立體測圖

基于傾斜三維模型進行的立體測圖也稱“裸眼測圖”。采用人機交互的方式直接從傾斜三維模型上獲取特征點坐標，更直觀、更快捷。繪圖者不需要長時間的專業(yè)培訓，即可快速上手，因此受到了各測繪單位的歡迎。目前，常用的立體測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。

為進一步節(jié)省傾斜攝影測量的成本，降低立體測圖的門檻，提高立體測圖效率，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的立體測圖插件。該插件利用WindowsAPI函數(shù)，捕獲并鎖定“Acute3D窗口選點”和“CASS窗口繪圖”兩個窗口，通過兩個窗口間的信息交互來進行立體測圖。即實時將Acute3D測量窗口中顯示的點位坐標信息同步展繪到CASS中。利用該插件，考慮到房屋自身的直角、對稱、鏡像等特點，可以充分利用AutoCAD的構(gòu)造線、垂線、延長線等工具進行輔助繪圖。針對模型上房角點變形的問題，分別在房角點以及房角點所在的墻面取點，并兼顧房屋平行于相鄰的房屋、加固坎、圍墻、馬路等特點，繪制構(gòu)造線進行印證，交會出最理想的房角點位置。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)的立體測圖。

圖6 自主研發(fā)的立體測圖插件

6、測圖精度分析

為了驗證消費級無人機獲取傾斜影像制作大比例尺地形圖的精度，將試驗區(qū)域內(nèi)全站儀實測檢查點坐標與立體測圖成果同名點平面坐標進行比較，差值見表2.由表2可知點位精度為0.042m。

為了更加系統(tǒng)、全面地檢驗精度，在試驗區(qū)選取了8個村的立體測圖成果進行打點檢驗，如表3所示。由表3可知，采用本文方案及改進措施，能達到農(nóng)村地籍與房屋調(diào)查工程的精度要求。

6、結(jié)束語

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

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