基于無人機(jī)的傾斜攝影測量解決方案

傾斜攝影測量技術(shù)是在飛行載具上搭載多角度、多拼相機(jī)，對地面全要素信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、三維建模及輸出真正射影像、大比例尺地形圖等產(chǎn)品的綜合技術(shù)手段。作為新型測繪手段，傾斜攝影技術(shù)已經(jīng)在城市管理、國土規(guī)劃、土地確權(quán)、宅基地管理等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，飛行載具與傾斜航攝儀也向著輕型、微型化發(fā)展，不但使實(shí)景三維模型適用的領(lǐng)域更為廣泛，也更能夠滿足用戶對實(shí)景三維模型的高分辨率、高顏色還原度等要求。本文對傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取及處理的分類方法進(jìn)行探討，為各行業(yè)應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1　傾斜攝影測量技術(shù)構(gòu)成

傾斜攝影技術(shù)發(fā)展至今，核心三部分是：飛行載具、傾斜相機(jī)、POS 系統(tǒng)。飛行載具可攜帶傾斜航攝儀進(jìn)行航拍作業(yè)，沿航線、重疊率設(shè)計(jì)飛行路線;傾斜相機(jī)可分為三拼、五拼、十拼等，采用同步曝光方式采集地面影像信息;POS 系統(tǒng)在航攝儀內(nèi)與每組曝光影像相對應(yīng)，采用X、Y、Z、O、P、K等外方位元素信息對拍攝時(shí)的飛行姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)描述。無論是實(shí)景三維建模還是大比例尺測圖應(yīng)用，傾斜影像的后期處理質(zhì)量取決于POS 系統(tǒng)的精度。根據(jù)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)需求，對不同飛行載具、傾斜相機(jī)以及POS 系統(tǒng)進(jìn)行搭配，形成有針對性的數(shù)據(jù)獲取解決方案很有必要。

2　傾斜攝影測量解決方案細(xì)分

隨著飛行儀器與材料行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，以運(yùn)輸機(jī)搭載大型航攝儀為主的數(shù)據(jù)獲取方式逐漸被打破。尤其在許多中小型項(xiàng)目實(shí)施中，大型運(yùn)輸機(jī)的限制太多，不利于成本控制?？沼蛞?guī)定的放寬、中低空輕型飛行器價(jià)格下降均為傾斜攝影提供更多可能。引入模糊控制和大容量電池技術(shù)后，無人機(jī)的飛行穩(wěn)定性更高、續(xù)航時(shí)間更長，成為超低空精細(xì)化建模的最優(yōu)選擇。表1 從飛行高度、建模特點(diǎn)及精度等多個(gè)方面對傾斜攝影測量的解決方案進(jìn)行細(xì)分。飛行載具與傾斜相機(jī)如圖1 所示。

圖1　典型飛行載具與傾斜相機(jī)

2.1　高空飛行載具與相機(jī)

運(yùn)-12 等大型運(yùn)輸機(jī)適用于600 m 以上高度層的航空攝影飛行任務(wù)，可攜帶60 kg 以上的大型傾斜航攝儀拍攝作業(yè)，如徠卡RCD30、TOPDC、SWDC -5 等。運(yùn)輸機(jī)飛行姿態(tài)穩(wěn)定，飛行時(shí)間長（7 h以上），在100 km2 以上的大面積航空作業(yè)中具有顯著優(yōu)勢。高空數(shù)據(jù)獲取的優(yōu)點(diǎn)是：傾斜航攝儀的POS 信息精確，對控制點(diǎn)需求少，經(jīng)過空三匹配后能構(gòu)建滿足測繪級精度的實(shí)景三維模型，且單位面積的模型容量小，應(yīng)用方便。高空數(shù)據(jù)獲取的缺點(diǎn)是：對天氣要求高，機(jī)場與飛行員拉升作業(yè)成本;由于飛行高度原因，拍攝需穿越霧霾層，導(dǎo)致影像顏色失真、單位面積的模型分辨率低。因此，高空飛行方案適用于數(shù)字城市、智慧城市建設(shè)中的市域建成區(qū)三維本底數(shù)據(jù)獲取。

表1　傾斜攝影測量解決方案細(xì)分

2.2 　中空飛行載具與相機(jī)

出于對模型顏色、分辨率和飛行成本的考慮，采用輕型飛行器的中空飛行方案應(yīng)運(yùn)而生。飛行載具采用直升機(jī)、動(dòng)力三角翼等，在300 ～600 m 中空作業(yè)。所攜帶傾斜相機(jī)由去掉背板的多臺(tái)單反相機(jī)組成，設(shè)置有固定傾角云臺(tái)與同步曝光系統(tǒng)，單日作業(yè)15 ～30 km2。中空數(shù)據(jù)獲取優(yōu)點(diǎn)：場地限制條件少，起降方便，轉(zhuǎn)場快捷，作業(yè)高度對軍民空域影響小。所構(gòu)建模型顏色真實(shí)，分辨率較高。中空數(shù)據(jù)獲取缺點(diǎn)：動(dòng)力三角翼飛行受氣流影響大、姿態(tài)不穩(wěn)定，所攜帶的傾斜相機(jī)尚無精確的POS 解決方案，無POS 影像處理會(huì)降低實(shí)景三維模型精度。因此，中空方案適用于二、三級城市，以及山區(qū)、景區(qū)等低于70km2 的三維本底數(shù)據(jù)獲取。

2.3　低空飛行載具與相機(jī)

為進(jìn)一步提高分辨率、顏色信息及降低飛行成本，已研制出無人機(jī)掛載微型傾斜相機(jī)的數(shù)據(jù)獲取方案。由于無人機(jī)滯空時(shí)間短、載重有限，因此傾斜相機(jī)多采用鏡頭式相機(jī)嵌入鈦金云臺(tái)制成，在300 m 以下的低空作業(yè)，多應(yīng)用于5 ～10 km2的廠區(qū)、高校、景點(diǎn)、建筑群的精細(xì)化建模。低空數(shù)據(jù)獲取優(yōu)點(diǎn)：起降方便、人員少、成本低;飛行姿態(tài)穩(wěn)定，POS 數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確;構(gòu)建模型顏色逼真，分辨率高，數(shù)據(jù)精度較好。低空數(shù)據(jù)獲取缺點(diǎn)：作業(yè)效率低，平均每天0.5 ～1 km2，導(dǎo)致大區(qū)域建模時(shí)的顏色連續(xù)性差。

3　傾斜攝影數(shù)據(jù)處理方案

3.1　攜帶高精度POS信息的數(shù)據(jù)處理

在市面較常見的傾斜航攝解決方案中，傾斜航攝儀與無人機(jī)攜帶的微型航攝系統(tǒng)均具有較高精度的POS 數(shù)據(jù)，有利于精確還原空三網(wǎng)，在無控情況下亦可保證較高的相對精度。該數(shù)據(jù)適合用街景工廠進(jìn)行處理，街景工廠的處理原則是滿足空三網(wǎng)精度要求后方可進(jìn)行建模工作，意味著建模前即對模型精度有很好的控制。而Smart3D 軟件以開源sift 算法為建模核心的全程無干預(yù)處理，在POS 信息薄弱的部分，自動(dòng)以影像拼接為建模與貼圖方案。雖然會(huì)取得較好的視覺效果，但會(huì)降低模型精度。因此，在POS 數(shù)據(jù)較好的情況下，應(yīng)以測繪級精度作為三維數(shù)據(jù)處理目標(biāo)。

3.2　攜帶弱/無POS 信息的數(shù)據(jù)處理

對于動(dòng)力三角翼等受氣流影響較大的飛行載具，所獲取的傾斜影像存在旋偏角大于6°，無準(zhǔn)確POS 數(shù)據(jù)的情況。街景工廠不支持弱/無POS 傾斜數(shù)據(jù)的直接導(dǎo)入，需要在無人機(jī)模塊（EOless）中粗略恢復(fù)初始POS 信息，方可進(jìn)行空三匹配與建模，但效果不甚理想，效率也較低。Smart 3D 軟件可直接處理無POS 傾斜影像數(shù)據(jù)，僅需添加若干控制點(diǎn)進(jìn)行絕對定位即可，雖然無法保障實(shí)景三維精度，但可快速建模，為警務(wù)、城管等弱精度應(yīng)用提供快速解決方案。

4　結(jié)束語

傾斜攝影測量的多種解決方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)用前要充分考慮到項(xiàng)目工期、成本及成果精度優(yōu)先還是效果優(yōu)先等要求，適配最優(yōu)解決方案。一些應(yīng)用細(xì)節(jié)要充分考慮，例如，相機(jī)分辨率不能完全代表成像質(zhì)量，POS 系統(tǒng)在多次使用后需要重新校正等。因此，在確定方案后，還應(yīng)獲取小塊示范影像數(shù)據(jù)進(jìn)行成像質(zhì)量、模型制作評估，綜合考慮后進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)施。

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