傾斜航攝技術(shù)小知識之航線設(shè)計

傾斜攝影技術(shù)是國際攝影測量領(lǐng)域近十幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，該技術(shù)通過從不同的視角同步采集影像，獲取到豐富的建筑物頂面及側(cè)視的高分辨率紋理。它不僅能夠真實(shí)地反映地物情況，高精度地獲取物方紋理信息，還可通過先進(jìn)的定位、融合、建模等技術(shù)，生成真實(shí)的高精度三維模型。該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于應(yīng)急指揮、國土安全、城市管理、房產(chǎn)稅收等行業(yè)。
傾斜三維模型質(zhì)量是一個系統(tǒng)的工程，要想獲得比較理想的三維模型效果，傳感器、航線設(shè)計、像控點(diǎn)布測、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理等各個環(huán)節(jié)均應(yīng)嚴(yán)格把控質(zhì)量，這里結(jié)合飛馬機(jī)器人公司的D-OP300傾斜航攝系統(tǒng)，簡單的介紹一些傾斜數(shù)據(jù)獲取過程中的一些小知識，以幫助大家更好的理解我公司的產(chǎn)品，更好的了解傾斜航攝技術(shù)。

此篇重點(diǎn)介紹傾斜航線技術(shù)中一個重要的環(huán)節(jié)，那就是傾斜航攝的航線設(shè)計，航線設(shè)計主要是結(jié)合用戶需求設(shè)置合適的航攝因子，主要包括地面分辨率（GSD）、航高、航向重疊度、旁向重疊度、航線外擴(kuò)等，引申出來的航攝因子有攝影基線（拍照間距），航線間距等。

一、地面分辨率（GSD）

在數(shù)碼相機(jī)航攝時統(tǒng)一都使用GSD（Ground Sample Distance）概念。使用數(shù)碼相機(jī)航攝時，航線設(shè)計以GSD為出發(fā)點(diǎn)，先由成圖比例尺確定GSD，進(jìn)而確定航高。在高差較小的地區(qū)航攝時，成圖比例尺與GSD的對應(yīng)關(guān)系如下表所示：

需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)就是：傾斜航線設(shè)計一般以下視相機(jī)作為航線設(shè)計的基準(zhǔn)。

二、航高

對于無人機(jī)搭載的數(shù)碼相機(jī)而言，其焦距是購置時已知的，通常有50mm、35mm和24mm等幾種，用于傾斜航攝儀的鏡頭焦距一般是組合存在的，用于輕小型無人機(jī)上的傾斜航攝儀的下視相機(jī)的焦距一般有20mm、25mm、28mm、35mm等幾種。焦距的大小直接與航攝時的航高相關(guān)。

單像元大?。?地面分辨率GSD=焦距f/航高H，則：H=GSD*f/＆

從上式可以看出，相同GSD條件下，＆/f小的數(shù)碼相機(jī)，所需的航高較高，對天氣條件要求比較苛刻。

三、重疊度

傾斜航攝的重疊度一般要求比現(xiàn)階段的傳統(tǒng)正射的重疊度要高一些，經(jīng)過大量的實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證，兼顧了作業(yè)效率和模型效果，我公司所有機(jī)型搭載的多拼傾斜航攝儀的默認(rèn)的航向重疊度和旁向重疊度為80%*65%。

我公司雙相機(jī)、單相機(jī)用于傾斜數(shù)據(jù)獲取的時候，結(jié)合特殊的航線類型，航向重疊度和旁向重疊度略有變化為80%*80%。

四、航線外擴(kuò)

傾斜航攝儀常見的是由五個單相機(jī)組合形成，數(shù)據(jù)獲取時為了獲取到測區(qū)范圍內(nèi)完整的側(cè)面紋理，傾斜航攝儀的航線一般要完整覆蓋測區(qū)需要在航向和旁向均超出一定的距離，航向方向一般是以攝影基線數(shù)量衡量，旁向方向上一般以航線數(shù)量（旁向間距）衡量。

攝影基線、旁向間距的長度與重疊度、像素數(shù)和地面分辨率有關(guān)，計算方法如下：

以選定索尼A6000相機(jī)為例，假設(shè)以傳感器長邊垂直于飛行方向（見下圖），航向重疊度80%，旁向重疊度65%，設(shè)定地面分辨率為0.02米。

攝影基線B=4000*（1-80%）*0.02米=16米

旁向間距L=6000*（1-65%）*0.02米=42米

傾斜航線設(shè)計時，為保證數(shù)據(jù)完整、有效獲取，可以根據(jù)側(cè)視相機(jī)傾斜角度和視場角的關(guān)系，計算出航向和旁向覆蓋超區(qū)分區(qū)邊界線理論值為

式中，P為航向或旁向重疊度；θ為傾角；β為視場角。

在實(shí)際飛行中，由于大氣等各因素的影響，航向或旁向覆蓋超出邊界線的實(shí)際值一般按照基線數(shù)=理論值+2、航線數(shù)=理論值+1進(jìn)行計算。

隨著技術(shù)及應(yīng)用的發(fā)展，越來越多的大面積傾斜任務(wù)，因無人機(jī)航程及控制半徑原因，需要對較大測區(qū)進(jìn)行劃分，無人機(jī)管家智航線中會自動對大區(qū)域進(jìn)行劃分同時考慮區(qū)塊間的重疊度，保證效率最大化。

無人機(jī)管家大區(qū)域航線示意圖

五、變高航線設(shè)計

三維模型的質(zhì)量最重要的因素就是分辨率；另外傾斜攝影的模型高程精度一般是地面分辨率（GSD）的三倍，如果生成的正射影像的分辨率是5cm，那模型的高程精度基本就是15cm,最大限差為2倍中誤差即30cm，所以為了得到滿足精度要求的傾斜模型，GSD就有一定的限制。

對于丘陵、山區(qū)、高山區(qū)、由于存在一定的高差，如果按照等高的形式進(jìn)行航線設(shè)計，為了保證飛機(jī)安全，則會受到測區(qū)內(nèi)最高點(diǎn)的高程的影響，一般會按照測區(qū)最高點(diǎn)的高程+安全距離的方式完成航線設(shè)計，這種航線設(shè)計的方式明顯增加了飛行高度，降低了GSD，進(jìn)而降低了高程精度及模型質(zhì)量，而且這種情況會隨著測區(qū)高差的變化而發(fā)生變化。

如上圖所示，為了解決這種問題，需要專門結(jié)合地形設(shè)計一種變高航線，最大程度上做到以相對較低且一致的航高，獲取測區(qū)內(nèi)GSD相對一致的傾斜數(shù)據(jù)，滿足用戶對于高精度、高分辨率的需求。

D200變高航線

六、建筑高度引入航線設(shè)計

航攝飛行過程中，航線設(shè)計時主要采用的是地形圖的高程信息，未引入人為構(gòu)建的獨(dú)立地物、建筑物等高度，若測區(qū)出現(xiàn)高度高于相對航高的獨(dú)立地物或建筑物，很容易出現(xiàn)撞機(jī)事故，引發(fā)飛機(jī)墜毀，嚴(yán)重情況下引起人身財產(chǎn)損失。所以將建筑物的高度引入航線設(shè)計中很有必要。

另外，當(dāng)測區(qū)建筑較高的時候，建筑屋頂會在影像中形成較大的投影差，如下圖所示，單純考慮地面物體的重疊度必然導(dǎo)致建筑屋頂出現(xiàn)漏洞，需要結(jié)合相對航高、重疊度以及建筑高度等方面的相關(guān)因素加以分析。

圖1 投影差示意圖

圖2 建筑高度與重疊度關(guān)系

我們在進(jìn)行航線設(shè)計的時候?qū)⒔ㄖ叨纫牒骄€設(shè)計中，尤其是引入進(jìn)傾斜航線設(shè)計中，在進(jìn)行航線設(shè)計的過程中輸入測區(qū)的最高建筑的高度，通過調(diào)整重疊度，尤其是旁向重疊度，以達(dá)到測區(qū)最高點(diǎn)以及最高建筑頂部的重疊度都能滿足要求，這種航線設(shè)計的對策對于保證數(shù)據(jù)的有效獲取，避免模型出現(xiàn)漏洞具有明顯的優(yōu)勢。

無人機(jī)管家智航線支持建筑物高度輸入及航高限制、重疊度提醒