低空無人機(jī)傾斜攝影測量成果精度研究

李 歡

(長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院,陜西 西安 710064)

無人機(jī)技術(shù)的不斷成熟,極大的促進(jìn)了傾斜攝影測量技術(shù)的發(fā)展。近年來,基于無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)生產(chǎn)的數(shù)字測繪產(chǎn)品越來越豐富,包括數(shù)字正射影像圖(DOM,digital orthophoto map)、點云數(shù)據(jù)、空三加密結(jié)果、實景三維模型等成果,無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的發(fā)展為快速、高效的生產(chǎn)這些產(chǎn)品提供了可能。傾斜攝影測量技術(shù)打破了傳統(tǒng)只能搭載單相機(jī)從垂直方向拍攝的局限性,其通過多臺傳感器從不同的角度進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集,快速、高效地獲取豐富的數(shù)據(jù)信息,真實地反映地面的紋理[1]。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行地理信息產(chǎn)品生產(chǎn)具有快速、低成本、靈活等優(yōu)點,并且后期數(shù)據(jù)處理方便、周期短、自動化程度高[2]。通過研究傾斜攝影測量不同技術(shù)產(chǎn)品的精度,能夠保證產(chǎn)品后期應(yīng)用的可靠性和準(zhǔn)確性。

DOM結(jié)合了地圖和圖像的優(yōu)點,具有信息量豐富、可讀性強(qiáng)、幾何精度高、直觀等優(yōu)勢,應(yīng)用于各類公共地理信息服務(wù)平臺、城市規(guī)劃等,同時也可提供出行路線查詢、導(dǎo)航等服務(wù)[3],高精度的DOM可使上述服務(wù)更為精確。通過無人機(jī)傾斜攝影測量構(gòu)建的實景三維模型具有紋理真實、高性價比、高效、高精度等優(yōu)點,并廣泛應(yīng)用于智慧城市建設(shè)、城市規(guī)劃管理、城市消防、物流管理等方面[4],若能提供具有高精度、精細(xì)紋理的三維模型產(chǎn)品,將使其服務(wù)更加高效、精準(zhǔn)。

研究以西北大學(xué)長安校區(qū)為例,利用四旋翼無人機(jī)搭載五鏡頭(前視、后視、左視、右視、正視)相機(jī)對測區(qū)進(jìn)行傾斜攝影,利用Context Capture軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,生成空中三角測量、DOM、實景三維模型等成果,通過選取均勻分布的檢查點驗證其精度,并分析在該精度下,產(chǎn)品的后續(xù)應(yīng)用前景。

1 傾斜攝影測量

傾斜攝影測量技術(shù)主要是從1個垂直和4個傾斜共5個不同角度采集高分辨率影像數(shù)據(jù)。傾斜影像提供的地物側(cè)面紋理信息可用于實景三維建模紋理數(shù)據(jù)的提取,通過相關(guān)軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理并進(jìn)行實景三維建模[5-6]。與此同時,其拍攝的高分辨率影像可以提供更多的地物信息,降低遮擋物對后期數(shù)據(jù)處理的影響,因此所建立的三維模型具有很好的側(cè)面紋理信息,其不僅能夠較為真實的反映地面的地物屬性,同時通過POS技術(shù)可以獲得地物的地理位置信息。

傾斜攝影測量的主要技術(shù)有多視影像聯(lián)合平差、多視影像密集匹配、點云融合與構(gòu)網(wǎng)、紋理映射等特點[7],與其相關(guān)的技術(shù)成果可用于城市管理、數(shù)字城市建設(shè)、災(zāi)害評估、應(yīng)急指揮、環(huán)保監(jiān)測、工程建筑、房地產(chǎn)、實景導(dǎo)航、旅游規(guī)劃等,隨著硬件設(shè)施和數(shù)據(jù)處理方法的逐步成熟,其應(yīng)用也越來越廣泛。

2 無人機(jī)低空攝影

2.1 試驗數(shù)據(jù)介紹

試驗區(qū)為西北大學(xué)長安校區(qū),范圍大約為1 000 m2,有高層建筑,地勢總體較為平坦,拍攝當(dāng)天天氣晴朗,植被遮擋較少,適宜拍照。

根據(jù)測區(qū)實際情況,相對航高設(shè)計為160 m,地面采樣間隔0.09 m,航向和旁向重疊度均為70%。在完成地面站設(shè)置工作后,完成起飛工作,駕駛員操縱操作桿控制飛機(jī)起飛,地面站同時監(jiān)視飛機(jī)的姿態(tài)、飛速、航高、以及坐標(biāo)位置,拍攝得到不同角度的影像。無鏡頭航拍影像如圖1所示。

圖1 五鏡頭航拍影像Fig.1 Five-lens aerial photography

2.2 平臺及傳感器參數(shù)

采用Md4-1000型四旋翼無人機(jī),搭載SONY ICLE-QX1相機(jī),相機(jī)參數(shù)見表1,無人機(jī)參數(shù)見表2。

表1 相機(jī)參數(shù)

表2 無人機(jī)參數(shù)

2.3 像控點布設(shè)

控制點布設(shè)均勻地覆蓋在整個測區(qū),標(biāo)志清晰可見,方便像片刺點。試驗布設(shè)12個像控點,所有像控點皆為平高點,其空間分布如圖2所示。采用GPS靜態(tài)進(jìn)行測量,坐標(biāo)觀測值見表3。試驗坐標(biāo)系統(tǒng)采用西安獨立坐標(biāo)系統(tǒng)。

2.4 數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)方法

通過Context Capture軟件對傾斜影像進(jìn)行了處理,Context Capture具有較高的自動化程度,無需過多的人工干預(yù),且運行過程穩(wěn)定。數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)流程如圖3所示。

圖2 野外測量像控點分布Fig.2 Distribution of field measurement photo control points

表3 像控點坐標(biāo)

圖3數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)流程Fig.3 Key technology processes for data processing

數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)流程如下:

(1) 多視影像匹配 影像匹配主要通過SIFI特征匹配算法建立不同像片之間的聯(lián)系,獲取大量同名點用于后續(xù)的空中三角測量[8]。SIFI特征匹配算法具有運算速度快、抗噪能力強(qiáng)等優(yōu)點,其可分為3個步驟:①檢測圖像;②生成SIFI特征描述符;③SIFI特征向量匹配。影像匹配流程如圖4所示。

(2) 空中三角測量 空中三角測量是傾斜攝影測量的核心步驟,通過前方交會和后方交會,利用區(qū)域內(nèi)均勻分布的少量的控制點坐標(biāo),求解未知點坐標(biāo)和影像的外方位元素,得到加密點的高程和平面位置[9],用于模型的絕對定向和后續(xù)產(chǎn)品的生成。目前無人機(jī)傾斜攝影測量內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理多采用光束法區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差,其利用2種不同觀測手段得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行平差,將GPS/IMU的初始信息,即像片的POS姿態(tài)數(shù)據(jù)作為外方位元素的初始值和控制點坐標(biāo)數(shù)據(jù)聯(lián)合進(jìn)行平差。

圖4 影像匹配流程Fig.4 Image matching flowchart

光束法區(qū)域網(wǎng)平差是以一張拍攝像片的一束光線作為平差基本單元,平差過程以共線方程作為平差的數(shù)學(xué)模型,以相鄰像片公共點對相交且坐標(biāo)相等、外業(yè)測量控制點與內(nèi)業(yè)像片標(biāo)定控制點坐標(biāo)相等為平差條件,列出已知控制點和待定加密點的誤差方程,進(jìn)行平差計算,求解出每張像片的外方位元素,然后前方交會求出加密點地面坐標(biāo)[10]。具體流程是將傾斜影像帶有的POS數(shù)據(jù)作為初始外方位元素,然后通過自動選點、自動相對定向、構(gòu)建自由航帶網(wǎng)等技術(shù)實現(xiàn)相對空中三角測量,之后通過控制點的半自動量測,加入控制點。通過光束法區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差實現(xiàn)絕對空中三角測量,并將整個模型納入到指定的坐標(biāo)系統(tǒng)中[11]。

(3) 多視影像密集匹配技術(shù) 密集匹配是傾斜攝影測量三維建模的關(guān)鍵技術(shù)之一,其目的是生成密集點云數(shù)據(jù),在航帶重建完成之后,根據(jù)空中三角測量解算的外方位元素構(gòu)建立體相對,使用多視影像匹配技術(shù)生產(chǎn)密集點云[12]。相比傳統(tǒng)單一視角的立體匹配,多視影像匹配有2個優(yōu)勢:①多角度拍攝會產(chǎn)生大量的冗余信息,可用于矯正錯誤匹配信息,進(jìn)而得到高精度的點云數(shù)據(jù);②多視角拍攝能夠減少拍攝盲區(qū),盡可能實現(xiàn)全方位的模型特征重建。

(4) 構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng) 在生成密集點云的基礎(chǔ)上,通過構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)實現(xiàn)每一個地物模型的重建,是實景三維建模的關(guān)鍵步驟之一。像片的重疊度和地物的復(fù)雜程度影響著三角網(wǎng)的構(gòu)建密度,像片重疊度越高,三角網(wǎng)的構(gòu)建越是密集;地物越復(fù)雜,就需要更加復(fù)雜和密集的三角網(wǎng)去反映地物的特征信息。

(5) 紋理映射 完成模型的初步重建之后,需要進(jìn)行模型的貼圖工作,實現(xiàn)二維空間和三維物體表面之間一一對應(yīng)的關(guān)系,得到符合真實色彩的三維模型。傾斜攝影測量能夠獲取地物多個角度的影像,在眾多影像中選取最優(yōu)的目標(biāo)影像是紋理映射技術(shù)的關(guān)鍵,可通過計算每一個不規(guī)則三角網(wǎng)和對應(yīng)影像區(qū)域的幾何關(guān)系實現(xiàn)三角網(wǎng)和目標(biāo)影像的配準(zhǔn),之后將配準(zhǔn)好的紋理貼圖到不規(guī)則三角網(wǎng)上,完成紋理映射[13]。

(6) 核線重采樣 根據(jù)空三解算的外方位元素獲得核線影像,核線影像不僅能夠達(dá)到立體視覺效果,而且能夠增加同名像點搜索的速度[14]。核線重采樣就是找到核線影像原始影像的坐標(biāo)變換關(guān)系,此時原始影像坐標(biāo)可能在幾個像元之間,就需要對原始影像進(jìn)行重采樣得到核線影像的灰度值。常用的重采樣方法有雙線性內(nèi)插法、最鄰近像元、立方卷積等方法。

3 精度評定

3.1 評定指標(biāo)

精度評定通過成果中采集的檢查點坐標(biāo)與對應(yīng)GPS-RTK實測點坐標(biāo)進(jìn)行對比,從成果中采集的地物點包括井蓋、道路拐點、斑馬線等,二者之間的較差稱為殘差,之后利用中誤差公式進(jìn)行計算[15]。中誤差計算公式為

其中:vi代表殘差;n代表檢查點個數(shù);m為點位中誤差。

3.2 正視影像空中三角測量結(jié)果精度

將垂直方向拍攝的影像稱為正視影像,在Context Capture軟件空三加密平差處理時,同時在測區(qū)內(nèi)均勻地選取30個地物點作為檢查點,空中三角測量過程會直接解算并輸出其坐標(biāo)值,統(tǒng)計輸出坐標(biāo)并與RTK采集的實測點對比進(jìn)行較差,統(tǒng)計結(jié)果如表4所列。

統(tǒng)計得到正視影像空三解算成果的平面位置中誤差為0.061 m,高程中誤差為0.135 m,平面位置的最大殘差為0.140 m,高程最大殘差為0.220 m。根據(jù)《數(shù)字航空攝影測量控制三角測量規(guī)范》對空三加密成果的規(guī)范,正視影像空三加密檢查點的平面、高程精度滿足1∶500比例尺的精度要求。

3.3 傾斜影像空三解算結(jié)果精度

正視影像和傾斜影像聯(lián)合參與空三解算,選取30個檢查點與實測點相比較,統(tǒng)計結(jié)果如表5所列。

表4 正視影像空三解算檢查點精度統(tǒng)計

經(jīng)統(tǒng)計計算可知,傾斜影像空三加密解算平面位置中誤差為0.056 m,高程中誤差為0.098 m。平面位置最大殘差為0.203 m,高程最大殘差為0.215 m。經(jīng)對比分析,傾斜影像空中三角測量的平面、高程精度滿足1∶500比例尺的精度要求。

3.4 數(shù)字正射影像圖精度分析

為評定DOM成果的精度,在DOM上采集30個檢查點與GPS-RTK外業(yè)實測的檢查點的平面坐標(biāo)進(jìn)行對比,并統(tǒng)計其中誤差,統(tǒng)計結(jié)果如表6所列,DOM成果如圖5所示。

表5 傾斜影像空中三角測量檢查點精度統(tǒng)計

表6 DOM檢查點精度統(tǒng)計

圖5 數(shù)字正射影像(DOM)Fig.5 Digital orthophoto map (DOM)

通過統(tǒng)計計算結(jié)果可知,DOM的平面位置精度為0.120 m,最大殘差為0.174 m。實驗結(jié)果滿足1∶500正射影像圖平面位置中誤差平地、丘陵地不大于0.6 m的規(guī)定。

3.5 三維模型精度分析

三維建模完成后,模型結(jié)果如圖6所示。從三維模型上采集檢查點與實測地物點的坐標(biāo)進(jìn)行對比,并計算其殘差和中誤差,統(tǒng)計結(jié)果如表7所列。

圖6 實景三維模型Fig.6 Realistic 3D model

表7 實景三維模型檢查點精度統(tǒng)計

研究經(jīng)過計算得到三維模型的平面中誤差為0.071 m,高程中誤差為0.104 m,平面位置的最大殘差為0.159 m,高程最大殘差為0.215 m,其精度滿足1∶500比例尺成圖規(guī)范。各成果精度統(tǒng)計如表8所列。

表8 各成果精度統(tǒng)計

通過上述分析可知:(1) 正視影像空中三角測量與傾斜影像空中三角測量相比,傾斜影像的空三精度優(yōu)于正視影像的空三精度,其中平面位置的中誤差由0.061 m減小到0.056 m,精度有小幅提升;高程中誤差由0.135 m減小到0.098 m,精度提升明顯。(2) 由傾斜影像空中三角測量成果生成DOM的過程中,平面位置中誤差由0.056 m上升到0.120 m,精度下降明顯?；趦A斜影像空中三角測量成果構(gòu)建實景三維模型的過程中,平面位置中誤差由0.056 m增加到0.071 m,高程中誤差由0.098 m增加到0.104 m,精度下降較少。

4 結(jié)語

通過探究無人機(jī)傾斜攝影測量的不同測繪產(chǎn)品成果的生產(chǎn)流程,基于實例驗證了正視影像空中三角測量、正視影像聯(lián)合傾斜影像空中三角測量、DOM、實景三維模型的精度。試驗結(jié)果表明,正視影像空中三角測量和傾斜影像空中三角測量滿足《數(shù)字航空攝影測量控制三角測量規(guī)范》中1∶500比例尺的平面和高程的精度要求,可用于大比例尺數(shù)字測繪成果的生產(chǎn),其中傾斜影像的空三精度高于正視影像的空三精度。DOM的平面精度滿足1∶500正射影像圖中誤差對平地、丘陵地的規(guī)定,可用于1∶500比例尺DOM的快速生產(chǎn);實景三維模型的平面和高程精度滿足1∶500比例尺的成圖精度要求,可用于大比例尺數(shù)字線劃地圖(DLG)的采集生產(chǎn)。

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)為大比例尺數(shù)字測繪產(chǎn)品提供了一種高精度、高效率、低成本的生產(chǎn)途徑,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)航測作業(yè)周期長、生產(chǎn)效率低的不足,適用于快速生產(chǎn)地形數(shù)據(jù)產(chǎn)品。通過研究表明,基于無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)可以生產(chǎn)高精度的大比例尺DOM、實景三維模型產(chǎn)品,但在空中三角測量成果生成各種產(chǎn)品的具體流程中,各個生產(chǎn)流程對成果精度的具體影響還待進(jìn)一步研究。