單目無人機傾斜攝影在山地建模中的應(yīng)用

李旭陽 陶博文

摘要：無人機憑借著其高速、靈活、安全、成本低廉等一系列的優(yōu)勢，在農(nóng)林業(yè)、電力巡檢、國土資源勘查以及山地地形測繪等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。無人機航測與傳統(tǒng)測量方法相比效率大大提高，已經(jīng)逐漸成為山地復(fù)雜地形測繪的主要方法之一?；诖?，本文提出一種單目無人機傾斜攝影方法，利用目前市面上常見的消費級無人機對高山滑雪競技結(jié)束區(qū)平臺進行傾斜攝影建模實驗，通過合理設(shè)計多條重疊航線，達到與多目無人機拍攝相同素材采集效果。結(jié)果表明，采用本文提出的方法構(gòu)建出的三維模型，可以很好的反映場地各立面的信息，結(jié)果較為精確，可用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

Abstract： UAV has been widely used in agroforestry， electric power inspection， land resources exploration and mountain topographic mapping， etc. due to its high speed， flexibility， safety and low cost. UAV aerial survey is much more efficient than traditional survey methods， and has gradually become one of the main methods for mountainous complex terrain mapping. Based on this， this paper proposes a monocular UAV tilt photography method， which uses the current consumer-grade UAVs on the market to carry out tilt photography modeling experiments on the alpine skiing competition end zone platform， and rationally design multiple overlapping routes to achieve Shoot the same material with the multi-head drone. The results show that the three-dimensional model constructed by the method proposed in this paper can reflect the information of each fa？ade of the site well， and the results are more accurate and can be used to guide the construction on site.

關(guān)鍵詞：單目無人機;傾斜攝影;三維建模

Key words： monocular unmanned aerial vehicle;tilt photography;3D modeling

中圖分類號：P231 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）12-0161-04

0 ?引言

傳統(tǒng)的工程測量主要是依托人力和各種專業(yè)測量設(shè)備采集在工程建設(shè)各階段與地形或位置有關(guān)的數(shù)據(jù)信息。隨著社會的發(fā)展，傳統(tǒng)的測量方法由于受限于地形的復(fù)雜程度高、測量范圍廣、測量步驟繁瑣、后期成圖不直觀等因素。漸漸難以滿足現(xiàn)代工程建設(shè)地理信息大數(shù)據(jù)采集的需求。攝影測量作為一門高效便捷的測量新技術(shù)應(yīng)運而生。攝影測量是指采用帶定位的光學(xué)照相機獲取相片，通過后期分析，對所拍攝物體進行量測、記錄、分析的一門技術(shù)。因其設(shè)備輕便、不需直接接觸物體、受地形限制少等特點逐漸在各類地理信息數(shù)據(jù)采集中得到應(yīng)用，例如上世紀90年代，加拿大拉瓦爾大學(xué)的Carl Gravel等人將數(shù)碼相機掛載在全站儀上，開發(fā)出了一套攝影全站儀CAPS。但僅利用光學(xué)照相機進行攝影測量并未解決在測量大范圍、地形復(fù)雜的場景下工作效率低的問題。隨著20世紀末無人機技術(shù)的發(fā)展，特別是本世紀民用無人機的普及，讓攝影測量技術(shù)得到飛速發(fā)展。通過在無人機上搭載光學(xué)照相機進行地理信息采集，能從不同角度對物體進行測量，且無人機在飛行時不受地形起伏的影響，飛行速度也較快。無人機航測分為正攝影像測量和傾斜影像測量，正攝影像測量是指采用固定角度的照相機（一般是垂直地面）進行拍攝，其僅能反應(yīng)待測物體的頂部信息，并不能完整的獲取拍攝物體的側(cè)立面信息，對待測物體的高度反饋也不靈敏。傾斜攝影測量是指在無人機從不同角度對測量物體進行信息采集，其能很好的反應(yīng)出被測物體的側(cè)立面信息，對物體的表面紋理也能很好的還原。其采集的數(shù)據(jù)相較于正攝影像呈倍數(shù)的增長，對后期計算機圖像處理提出了較高的要求。但由于現(xiàn)在計算機特別是工作站在數(shù)據(jù)圖形處理性能上的爆炸式增長，這個原本處于金字塔頂端的測繪技術(shù)也變得“親民”了。

較早應(yīng)用傾斜攝影相機的是徠卡公司推出的ADS40三向數(shù)碼相機，它主要是從前、后、下三個角度獲取拍攝物體的影像。之后如微軟的UltraCam Osprey Oblique Camera System傾斜相機、歐洲的MIDAS傾斜相機都為五向數(shù)碼相機，能夠從前、后、左、右、下五個角度獲取拍攝物體的影像，信息更加全面。與國外相比，我國傾斜攝影測量技術(shù)發(fā)展較晚，國內(nèi)的傾斜攝影測量系統(tǒng)也是在最近幾年才陸續(xù)推出，如四維遠見公司的SWDC-5、中測新圖的TOPDC-5等。目前，武漢、上海、天津、柳州等多個城市已經(jīng)開展無人機傾斜攝影三維城市建模的工作，得到的三維模型可用于城市空間規(guī)劃和輔助決策等。中海油、中石化等大型企業(yè)也在尋找油氣資源等領(lǐng)域引入傾斜攝影技術(shù)。

1 ?概述

國家高山滑雪中心項目位于北京市松山自然保護區(qū)內(nèi)，是2022年北京冬奧會雪上項目的舉辦場所之一，由中交隧道工程局承建的國家高山滑雪中心第二標段施工范圍為除C1/B1雪道之外的全部雪道及連接雪道的技術(shù)道路。雪道平均坡度達到50%。且雪道兩側(cè)都是需要保護的樹木，嚴禁砍伐。傳統(tǒng)的全站儀由于不通視，在山地難以應(yīng)用，只能采用RTK進行測量。加之山區(qū)作業(yè)高差大、區(qū)域分散，采用傳統(tǒng)的方式進行人工測量效率低下，且在測量過程中容易產(chǎn)生安全隱患，當發(fā)生信號丟失或相同頻段的干擾，測量精度就會大大下降，影響施工。基于此，將傾斜攝影技術(shù)引入對山地地形數(shù)據(jù)的采集中，能很大程度的減少測量人員的工作量，大大提高測量工作效率，同時降低施測過程中潛在的安全隱患。由于無人機定位和RTK基站所使用的傳輸方式不同，幾乎不會受到其它基站的干擾，其采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量也能得到保證。本文提出一種單目無人機傾斜攝影技術(shù)來部分替代傳統(tǒng)的人工測量，通過采用多條航線并行加地面基準點校準的方式采集測量物體各立面的信息，在后期處理軟件上生成點云，并通過提取照片中的紋理信息對測量物體進行三維建模還原，獲得符合要求的地理信息數(shù)據(jù)。

2 ?單目無人機傾斜攝影步驟

一般而言，單目無人機傾斜攝影只是在數(shù)據(jù)采集過程中區(qū)別于多目無人機。從數(shù)據(jù)采集到最后生成三維模型的步驟可以由圖1表示。

在踏勘階段，首先要明確需要拍攝的山區(qū)范圍和無人機起飛場地，為了避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失的情況，需要加大范圍拍攝。另外，還需確定拍攝影像信息的分辨率并根據(jù)需要的分辨率選擇相應(yīng)的無人機飛行高度，表1為飛行高度對應(yīng)的分辨率。

為了保證無人機航測的精度，在航測飛行前，需在待測場地內(nèi)布置若干控制點，控制點為已知地理位置信息的點（經(jīng)緯度、高程）?？刂泣c一般不選待測場區(qū)內(nèi)的邊界點。且根據(jù)“金字塔”法則，控制點盡可能均勻分布在整個待測山區(qū)?？刂泣c設(shè)置數(shù)量應(yīng)適宜，過多的控制點會造成后期圖像處理工作量增加。

在單目無人機信息采集時，通過采用多條相互交叉的飛行航線代替多目無人機單條航線采集的圖像信息。一般航測一塊區(qū)域需要設(shè)計五條航線，無人機航線分布如圖2。

圖2黑色部分為待測區(qū)域，灰色部分及黑色部分為無人機設(shè)計的五條航線。其中中間黑色部分的航線攝像頭垂直向下拍攝，旁邊四條灰色部分的航線攝像頭與地面呈一定角度拍攝。由上圖可知，利用單目無人機進行傾斜攝影其飛行區(qū)域面積一般是待測區(qū)域的5倍。

在規(guī)劃好無人機飛行路線后，需要讓無人機在之前選擇的控制點分別起飛一次，飛行高度為進行航測時的飛行高度，有條件的可以在無人機上垂直向下掛載一個紅外激光燈，使飛機飛到設(shè)定高度后與控制點經(jīng)緯度重合。重合后調(diào)整無人機姿態(tài)并拍攝一張照片留待后期處理使用。

在校正完無人機位置后，按照之前設(shè)計的多條飛行路線進行無人機航測，拍攝一定數(shù)據(jù)的照片。注意無人機的飛行時間，在電量不足以滿足一條航線的飛行拍攝時，應(yīng)提前返航更換電池。避免電量不足提前返航。

在采集到一定數(shù)量的照片后，開始進行室內(nèi)處理。本文采用ContextCapture軟件進行后期傾斜攝影建模處理。該軟件由主界面軟件、計算引擎軟件和視圖軟件三個子軟件配套而成。是目前市面上運用較為成熟的一套傾斜攝影建模軟件。通過在軟件中進行照片點位校正、建立空三模型、計算三維模型和紋理映射等步驟得到立體的三維模型和傾斜影像圖。

山地地形的測量結(jié)果及生成的三維模型需要進行檢查點校核，當紋理缺失或測量精度不達標時，需要根據(jù)缺失的數(shù)據(jù)或圖像進行外業(yè)補測工作。

3 ?實地試驗

測區(qū)位于2022年國家高山滑雪中心競技結(jié)束區(qū)，是北京市松山自然保護區(qū)核心區(qū)。場區(qū)面積約3800m2，測區(qū)內(nèi)平均高程1489m，為兩山之間的溝谷地段，在開工初期由挖掘機平整出一個不規(guī)則的橢圓形平臺，賽時為大小回轉(zhuǎn)和團隊回轉(zhuǎn)賽道的緩沖區(qū)，施工期為建設(shè)項目的臨建平臺，很好的做到了永臨結(jié)合。由于測區(qū)內(nèi)地形較為平緩，具備無人機起飛條件，因此選擇該區(qū)域為本次試驗的測試區(qū)。

測區(qū)的控制點為：①453873.4947、375686.8794;②453913.2368、375618.852;③453862.8207、375611.9733;④453839.531、375647.6398。

本次試驗所用的無人機型號為大疆精靈4pro，作為目前市場上較為成熟的民用無人機廠商，大疆無人機在飛控、續(xù)航、圖傳上的表現(xiàn)都比較好，快門曝光時間最短為1/8000s，單張照片像素最高可達2000萬。試驗前先用RKT在測取內(nèi)選取4個點作為控制點，用于校正后期拍攝照片點位。試驗采用Altizure第三方飛控軟件進行航線規(guī)劃和拍照控制，規(guī)劃了5條航帶，其中第一條航線相機垂直地面，第二至第五條航帶相機與地面夾夾角62°，無人機飛行時相對高度設(shè)計為80m，飛行速度為4m/s，拍照間隔為6s。航向重疊率80%，旁向重疊率80%。本次實驗共拍攝160張照片。航線設(shè)計如圖3所示。

在室外航測工作完成后，將得到的照片導(dǎo)入ContextCapture軟件中，利用4個控制點校正整片區(qū)域采集到的照片信息，經(jīng)過空三解算和紋理映射后，得到測區(qū)內(nèi)傾斜攝影三維模型。整個區(qū)域被剖分成21塊矩形片理，片理之間采用三角網(wǎng)格剖分，相鄰片理之間剖分加密。

在解算完空三網(wǎng)格后，進行像片紋理映射構(gòu)建最終的三維模型。為了比較傾斜攝影模型的優(yōu)越性，本次試驗采用在同一區(qū)域采集的32張正攝影像進行三維建模，將二者得到的模型進行對比。圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知，相較正攝影像，傾斜影像能采集更多物體側(cè)立面信息，且模型表面紋理過渡更加平順。最明顯的區(qū)別就是圖7和圖8中紅色矩形框內(nèi)，傾斜攝影能很好的表現(xiàn)出LED屏幕的全貌，而正攝影像表現(xiàn)出的LED屏幕中間是破碎的，這是由于無人機在飛行時，垂直的鏡頭與屏幕平行，不能采集到屏幕側(cè)立面信息。

4 ?后處理分析

為了檢驗傾斜攝影模型的精度，通過隨機提取模型中若干點位置信息及選取合適的待測物體進行長度、面積、體積量測，進行誤差分析。同時，通過分析PC端處理傾斜攝影數(shù)據(jù)的效率，來驗證傾斜攝影建模的高效性。

4.1 平面精度的檢查

為了檢測生成的三維模型方位精度，利用RTK實地量測了5個平面檢查點，提取模型上相同點位的方位信息。位置信息統(tǒng)計表如表2所示（經(jīng)過歸一化）。

根據(jù)表中的△X，△Y和△XY數(shù)據(jù)，由誤差公式M=[（△XY）2/（n-1）]1/2，可知，檢查點的點位誤差平均值為 4.99cm。滿足雪道邊線誤差控制在5cm內(nèi)的要求。

4.2 高程精度的檢查

為驗證生成的三維模型的高程精度，選用如上文所示的5個檢查點。提取模型上相同點位的高程信息。高程信息統(tǒng)計表如表3所示。

采用三角網(wǎng)格內(nèi)插法計算出模型中某個點位的高程。依據(jù)公式M=（△Y2/（n-1））1/2，計算本次高程誤差平均值為18.28cm，滿足雪道高程誤差控制在25cm內(nèi)的要求。

4.3 距離、面積精度的檢查

在得到的模型中進行距離、面積測量精度的檢查。下面分別說明：

圖6、圖7所示為利用傾斜攝影模型測量施工現(xiàn)場臨時辦公樓大小，圖中黃色線為在模型中拉出的測線。圖6選取臨時辦公樓最長軸進行距離測量。如圖測得的臨時辦公區(qū)樓36.29m，與實際長度36.5m誤差控制在0.6%以內(nèi)，吻合較好。圖7選取臨時辦公樓從二樓樓頂?shù)交炷谅访娴母叨冗M行測量，如圖測得的臨時辦公樓高5.66m，與實際高度5.7m誤差控制在0.7%以內(nèi)，吻合較好。

圖8所示為利用傾斜攝影模型量測競技結(jié)束區(qū)平臺的面積，按照設(shè)計圖紙上給出的形狀在圖中選擇適當?shù)狞c位圈出相應(yīng)的面積，見圖中黃色部分。最終圈出的面積為3774.3m2，與平臺實際面積3800m2吻合較好，誤差控制在0.7%以內(nèi)。

5 ?結(jié)論

利用無人機傾斜攝影進行山地建模是一個綜合性強、涉及面廣的問題。本文提出了一種基于單目無人機傾斜攝影進行山地建模的方法。通過試驗檢測證明了單目無人機傾斜攝影的可行性，能較好的用于部分替代傳統(tǒng)的山地人工測量工作。但是采用單目無人機無法很好的定位移動的物體。同時，航測得到的模型精度仍不足以滿足更高精度要求的山地施工作業(yè)。因此，如何對移動物體進行建模以及如何提高單目無人機航測精度將是下一步研究方向。

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