無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用

蘇瑞東

（太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

傾斜攝影技術(shù)是指通過(guò)無(wú)人機(jī)上搭載與地面成一定角度的相機(jī)獲取影像，其主要目的是獲取地物多個(gè)方位（尤其是側(cè)面）的信息，并可供用戶多角度三維瀏覽和實(shí)時(shí)量測(cè)。

隨著“數(shù)字水利”及對(duì)建筑物三維信息的快速需求，通過(guò)無(wú)人機(jī)對(duì)水利工程設(shè)施進(jìn)行多角度拍攝，利用其位置及紋理信息進(jìn)行三維建模，反映其各處實(shí)際情況，管理者可通過(guò)其多角度三維信息作出決策。本文在無(wú)人機(jī)航測(cè)水庫(kù)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出一套適用于水利工程的無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)。

1 像控點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量

圖1 像控點(diǎn)測(cè)量流程圖

為了提高成圖精度，傾斜攝影測(cè)量需進(jìn)行像控點(diǎn)控制加密。因此，像控點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量時(shí)要保證其選取的質(zhì)量及準(zhǔn)確程度。傾斜攝影測(cè)量的像控點(diǎn)，需均勻布設(shè)在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)，且不同的高程應(yīng)全覆蓋。布設(shè)密度：（1）無(wú)差分GPS，均勻范圍分布3～5點(diǎn)/km2。（2）差分GPS：1∶2000比例尺，1點(diǎn)/km2；1∶1000比例尺，2個(gè)/km2；1∶500比例尺，3個(gè)/km2。

1.1 基本要求

（1）采用常規(guī)光束法區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)方案，測(cè)控網(wǎng)的劃分，按測(cè)區(qū)地形特點(diǎn)、航區(qū)的實(shí)際劃分、圖幅分布等情況全面進(jìn)行考慮，以能滿足空中三角測(cè)量精度要求為原則，根據(jù)具體情況選擇最優(yōu)實(shí)施方案。

（2）劃分區(qū)域網(wǎng)時(shí)，應(yīng)盡量避免航線結(jié)合處，落在區(qū)域網(wǎng)的首末航線上。

（3）區(qū)域網(wǎng)間的像控點(diǎn)，應(yīng)布設(shè)在區(qū)域網(wǎng)間的航線重疊處，盡可能公用。如不能公用，則需按要求分別布點(diǎn)。

（4）像控點(diǎn)全采用平高點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)，區(qū)域網(wǎng)內(nèi)無(wú)人機(jī)航向相鄰控制點(diǎn)間基線數(shù)估算公式如下[1]：

式中：ms——連接點(diǎn)（空三加密點(diǎn)）的圖上平面中誤差，mm；

k——像片放大成圖的倍數(shù)；

mq——視差量測(cè)的單位權(quán)中誤差，mm；

n——航線方向相鄰平高控制點(diǎn)的間隔基線數(shù)。

1.2 測(cè)量流程

據(jù)庫(kù)區(qū)管理人員提供的水利樞紐地圖，結(jié)合手機(jī)百度地圖，并在庫(kù)區(qū)管理人員的簡(jiǎn)單介紹下，初步了解水庫(kù)的上游、樞紐、下游及周邊道路的分布情況。通過(guò)像控點(diǎn)的布設(shè)原則（像控點(diǎn)的位置，原則上應(yīng)選擇可到達(dá)的硬化水平路面。將像控點(diǎn)盡可能均勻地分布在上游、庫(kù)區(qū)水面周?chē)c下游的航測(cè)區(qū)域內(nèi)。小型水庫(kù)像控點(diǎn)數(shù)量，原則上不少于3個(gè)，中型水庫(kù)原則上不少于15個(gè)，大型水庫(kù)原則上不少于20個(gè)，可根據(jù)實(shí)際地形與交通情況適當(dāng)增減像控點(diǎn)數(shù)量。）初步規(guī)劃像控點(diǎn)的分布位置，在手機(jī)百度地圖上標(biāo)記出來(lái)并截圖和編號(hào)，具體流程及要點(diǎn)如下。

1.2.1 選點(diǎn)

像控點(diǎn)應(yīng)設(shè)在地面起伏較小，相對(duì)平整的地方，如選取固定地物，要選取的地物近期不能發(fā)生變化。點(diǎn)位處地物與周?chē)匚锷蠲黠@，形狀應(yīng)該規(guī)則，點(diǎn)位處最好是較大銳角角點(diǎn)，以直角點(diǎn)為佳，這樣可保證量測(cè)準(zhǔn)確且后期易于內(nèi)業(yè)刺點(diǎn)。像控點(diǎn)也可自制，如使用白色涂料或編織袋，制作成醒目的標(biāo)志（長(zhǎng)、寬約2m）。確保標(biāo)志上方無(wú)遮擋物及所制作標(biāo)記在短期內(nèi)（10d內(nèi)）不易被破壞。

1.2.2 編號(hào)

像控點(diǎn)號(hào)應(yīng)統(tǒng)一編制，不得重復(fù)。像控點(diǎn)的點(diǎn)號(hào)，建議由一位英文字母與六位阿拉伯?dāng)?shù)字組成。其中，字母代表控制點(diǎn)編號(hào)首代碼，平高點(diǎn)編號(hào)首代碼為“P”，檢查點(diǎn)首代碼為“J”；前兩位數(shù)字為分區(qū)編號(hào)，后四位數(shù)字為像控點(diǎn)流水號(hào)，如P010010為第1測(cè)區(qū)的第10個(gè)平高點(diǎn)。

1.2.3 施測(cè)

根據(jù)測(cè)區(qū)已有基礎(chǔ)資料及地形情況，可選擇GPSRTK、GPS靜態(tài)、GPS快速靜態(tài)等測(cè)量方法，其中GPSRTK包括單基準(zhǔn)站RTK、網(wǎng)絡(luò)RTK，也可使用后處理動(dòng)態(tài)（PPK）模式進(jìn)行測(cè)量，作業(yè)過(guò)程中根據(jù)實(shí)地情況選擇適合該測(cè)區(qū)的測(cè)量方法。

量測(cè)時(shí)，首先確定該測(cè)區(qū)的像控點(diǎn)使用的坐標(biāo)系統(tǒng)（CGCS2000坐標(biāo)系）和投影坐標(biāo)所在的中央子午線分帶，周?chē)荒苡写笮徒饘傥矬w及大功率無(wú)線電發(fā)射源[2][3]。每個(gè)放點(diǎn)位置，必須留存3張（1張近照、2張遠(yuǎn)照）相對(duì)位置清楚、易尋找的照片，拍攝時(shí)像控點(diǎn)位置上應(yīng)架設(shè)儀器腳架或其它明顯能與周?chē)h(huán)境區(qū)別開(kāi)的標(biāo)志，已備內(nèi)業(yè)刺點(diǎn)時(shí)查詢(xún)精確位置。

2 航空傾斜攝影

傾斜攝影所用采集設(shè)備，包括五鏡頭，四鏡頭，三鏡頭，雙鏡頭，單鏡頭。其中，雙鏡頭的拍攝方式為前后擺動(dòng)式；單鏡頭的需要進(jìn)行5次航拍，包括下視、前視、后視、左視、右視的圖像，相當(dāng)于五鏡頭一次飛行的拍攝的圖像。對(duì)于大面積數(shù)據(jù)采集可采用電動(dòng)固定翼無(wú)人機(jī)搭載五鏡頭進(jìn)行拍攝，對(duì)于細(xì)節(jié)部分可采用大疆“悟”Inspire2進(jìn)行補(bǔ)拍，其搭載禪思X7云臺(tái)相機(jī)，且相機(jī)必須經(jīng)過(guò)校驗(yàn)才可用于無(wú)人機(jī)航測(cè)。

圖2 傾斜航空攝影作業(yè)流程

2.1 航線規(guī)劃及數(shù)據(jù)采集

根據(jù)測(cè)量精度進(jìn)行重疊度設(shè)置，如精度要求在1∶2000，可把航向重疊度設(shè)置為70，旁向重疊度為70以上，飛行高度控制在200～250m之間，也可據(jù)測(cè)區(qū)地形，在保證安全情況下適當(dāng)降低或升高飛行高度，飛行速度可據(jù)實(shí)地風(fēng)速進(jìn)行調(diào)整，最好控制在15～20m/s。航線設(shè)置主要分為“之”飛行和“骨架式”飛行兩種方式，對(duì)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行傾斜航空攝影數(shù)據(jù)采集，獲取影像信息、POS數(shù)據(jù)、地面GPS基站等各類(lèi)航測(cè)的原始數(shù)據(jù)[4]。詳見(jiàn)圖3。

圖3 航線示意圖

2.2 補(bǔ)攝與重?cái)z

航攝時(shí)由于某些原因出現(xiàn)漏攝或拍攝的照片質(zhì)量不合格，應(yīng)按原設(shè)計(jì)航線進(jìn)行補(bǔ)攝或重?cái)z。為提高重疊度，需在補(bǔ)拍的航線上、下各延長(zhǎng)一條航線，以保證后期內(nèi)業(yè)的模型連接。例如圖4中第5條航線重疊度不足或漏片，則需針對(duì)航線4~6進(jìn)行補(bǔ)攝[5]。

圖4 航片補(bǔ)攝示意圖

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 影像數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于航攝時(shí)順光和逆光差異導(dǎo)致照片的飽和度、色相及亮度均不一致，因此拍攝的照片需通過(guò)與相機(jī)配套的專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行勻光、勻色預(yù)處理，形成最佳影像數(shù)據(jù)。可按照以下要求進(jìn)行處理：

（1）影像預(yù)處理后的照片應(yīng)顏色飽和且色調(diào)豐富，其直方圖接近正態(tài)分布，布滿0～255色階區(qū)間。

（2）同一條航線光線明暗差距不大時(shí)，使用同一調(diào)色模板，若差距大，應(yīng)進(jìn)行逐個(gè)調(diào)色。

（3）若照片有反差較差、有霧等顏色問(wèn)題，在Mosaic階段和質(zhì)量檢查階段應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。

3.2 POS數(shù)據(jù)預(yù)處理

POS原始數(shù)據(jù)，利用軟件選擇該架次距離攝區(qū)最近的基站數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，按照載波相位測(cè)量差分GPS（DGPS）定位技術(shù)，定位每張照片曝光時(shí)機(jī)載GPS的WGS84框架坐標(biāo)，利用CQG2000模型加地方重力改正擬合高程；再將GPS數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合處理，針對(duì)項(xiàng)目成果需要的投影和坐標(biāo)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)參數(shù)轉(zhuǎn)換，納入偏心角改正后，解算出每張像片的6個(gè)外方位元素。

3.3 三維建模

無(wú)人機(jī)采集的傾斜攝影數(shù)據(jù)可通過(guò)ContextCapture Center、PhotoScan等軟件進(jìn)行處理。由于Context CaptureCenter可以進(jìn)行集群運(yùn)算（多臺(tái)機(jī)器同時(shí)計(jì)算），可以有效減少數(shù)據(jù)處理時(shí)間，因此建議用Context CaptureCenter進(jìn)行處理。傾斜攝影可生成三維模型，同時(shí)還能生成DOM和DSM，通過(guò)專(zhuān)業(yè)軟件處理可產(chǎn)生DEM和DLG[6]。

DOM（數(shù)字正射影像圖）：是具有影像特征的圖像，通過(guò)對(duì)相片進(jìn)行數(shù)字微分糾正和鑲嵌，按一定圖幅范圍裁剪生成的數(shù)字正射影像集。

DEM（數(shù)字高程模型）：是通過(guò)一組數(shù)字集合表示地面起伏形態(tài)的一種實(shí)體地面模型。

DSM（數(shù)字表面模型）：是指包含樹(shù)木及地表建筑物等高度的地面高程模型。

DLG（數(shù)字線劃地圖）：是與現(xiàn)有線劃基本一致的各地圖要素的矢量數(shù)據(jù)集，其包含了各要素間的相關(guān)屬性信息及空間關(guān)系信息。

4 結(jié)語(yǔ)

從無(wú)人機(jī)航測(cè)外業(yè)的像控點(diǎn)布設(shè)及測(cè)量、無(wú)人機(jī)航線規(guī)劃及數(shù)據(jù)采集，內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程及要點(diǎn)，對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)水利工程設(shè)施的基本流程進(jìn)行簡(jiǎn)要梳理，總結(jié)出一套適用于水利工程的無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)。與傳統(tǒng)測(cè)繪相比，該技術(shù)具有成本低、效率高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確等特點(diǎn)，可對(duì)地理信息進(jìn)行快速獲取，把原本傳統(tǒng)測(cè)繪的大量外業(yè)工作，轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)業(yè)工作，極大地降低了測(cè)繪人員的外業(yè)工作強(qiáng)度，并提升了工作效率。