使用無(wú)人機(jī)傾斜攝影進(jìn)行快速實(shí)景三維建模研究

周本辰

（上海勘察設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司 上海 200438）

使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影是近年逐漸成熟并發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，相對(duì)傳統(tǒng)正拍航測(cè)，增加了更多角度的傾斜影像，采集了側(cè)面紋理。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的逐漸進(jìn)步提升，其制造成本大幅度降低。目前，無(wú)人機(jī)傾斜攝影平臺(tái)的軟硬件成本與操作難度較之以前也大為降低［1］。本文以上海某測(cè)區(qū)測(cè)繪工程為例，使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行攝影傾斜測(cè)量并建立實(shí)景三維模型，在這期間，采用多種方法保障成果質(zhì)量并考慮提升效率。最后，在軟件中，內(nèi)業(yè)對(duì)所建立的傾斜模型進(jìn)行地形圖測(cè)繪，并對(duì)建模和數(shù)字化地形圖進(jìn)行精度驗(yàn)證，驗(yàn)證可滿(mǎn)足1∶500數(shù)字化地形圖測(cè)繪精度要求。

1 測(cè)區(qū)概況

該測(cè)區(qū)面積約1km2，測(cè)區(qū)內(nèi)建筑物較多，地勢(shì)平坦，存在農(nóng)村密集居民點(diǎn)及部分工業(yè)園區(qū)，因此，給傳統(tǒng)測(cè)圖帶來(lái)諸多不便。

2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影并建模

可用于無(wú)人機(jī)傾斜攝影的設(shè)備眾多，建模及三維采集軟件也多種多樣。本文使用大疆M300RTK 搭載P1 設(shè)備進(jìn)行無(wú)人機(jī)傾斜攝影，在進(jìn)行傾斜攝影過(guò)程中，通過(guò)制訂好航飛計(jì)劃，采用少量像片控制點(diǎn)的方法來(lái)保障成果質(zhì)量和提升效率［2］。然后，使用大疆制圖軟件進(jìn)行建模，最后生產(chǎn)完成的實(shí)景三維模型導(dǎo)入EPS軟件，進(jìn)行地形圖測(cè)繪。

2.1 傾斜攝影測(cè)量設(shè)備選型

經(jīng)緯M300 RTK 是一款小型多旋翼高精度航測(cè)無(wú)人機(jī)，面向低空攝影測(cè)量應(yīng)用，具備厘米級(jí)導(dǎo)航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng)，便攜易用，全面提升航測(cè)效率。該系統(tǒng)針對(duì)小范圍快速獲取傾斜攝影數(shù)據(jù)的需求，將無(wú)人機(jī)技術(shù)與傾斜攝影技術(shù)有效結(jié)合［3］。系統(tǒng)具有成本低、飛行可靠性高、操作使用簡(jiǎn)單、起飛和著陸場(chǎng)地要求低、定位精度高等特點(diǎn)，可以滿(mǎn)足傾斜攝影測(cè)量與快速三維建模對(duì)數(shù)據(jù)獲取的要求。

禪思P1 是一款高性能、多用途的航測(cè)相機(jī)，集成了全畫(huà)幅4500萬(wàn)圖像傳感器與三軸云臺(tái)，搭配焦距為35mm 的行業(yè)專(zhuān)用定焦鏡頭。靈活的三軸穩(wěn)定云臺(tái)和快至0.7s的最小連續(xù)拍照間隔，禪思P1在三維數(shù)據(jù)采集時(shí)可邊飛邊擺動(dòng)云臺(tái)角度，實(shí)現(xiàn)了智能擺動(dòng)傾斜航測(cè)。通過(guò)云臺(tái)的旋轉(zhuǎn)，將單鏡頭連續(xù)轉(zhuǎn)向5 個(gè)方向進(jìn)行航拍，模擬五鏡頭航拍作業(yè)，大幅提升了單鏡頭在傾斜攝影作業(yè)中的作業(yè)效率［4］。

2.2 少控方法探尋

在傳統(tǒng)航測(cè)中，像控點(diǎn)測(cè)量工作是非常重要的一道工序，控制點(diǎn)的布設(shè)密度、觀測(cè)精度以及內(nèi)業(yè)刺點(diǎn)都直接影響著最終測(cè)量結(jié)果的精度。大比例尺地形圖測(cè)圖要求更高密度的控制點(diǎn)來(lái)保證精度，因此布控的成本會(huì)比較大［5］。在效率方面，也易受天氣環(huán)境等因素影響。在精度方面，使用像控點(diǎn)測(cè)量也容易因選點(diǎn)、觀測(cè)等人為誤差，對(duì)成圖精度造成影響。后續(xù)的空三解算中進(jìn)行內(nèi)業(yè)刺點(diǎn)工序，對(duì)作業(yè)人員經(jīng)驗(yàn)也有要求，不熟練的作業(yè)員不容易刺準(zhǔn)從而會(huì)影響結(jié)算精度。要想培養(yǎng)一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的作業(yè)人員，也需要大量的技術(shù)支持。

M300 RTK 無(wú)人機(jī)支持使用遙控器，通過(guò)4G 網(wǎng)卡連接網(wǎng)絡(luò)RTK 服務(wù)（RTCM3.2）接入千尋位置服務(wù)，從而獲取無(wú)人機(jī)拍攝每張照片時(shí)的精確坐標(biāo)。同時(shí)，根據(jù)飛控可以感知到相機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度等，經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算，實(shí)時(shí)測(cè)定無(wú)人機(jī)的位置姿態(tài)信息。M300 RTK 無(wú)人機(jī)本身自帶的RTK采用的千尋網(wǎng)絡(luò)RTK實(shí)時(shí)差分定位。為減少測(cè)區(qū)內(nèi)千尋網(wǎng)絡(luò)RTK 定位與已知控制點(diǎn)的誤差，安排在測(cè)區(qū)四角做4個(gè)像控點(diǎn)測(cè)量。另外，在測(cè)區(qū)均勻分布10個(gè)像控檢查點(diǎn)用于精度驗(yàn)證。

2.3 航線(xiàn)設(shè)計(jì)

航線(xiàn)設(shè)計(jì)方案主要包括航高設(shè)計(jì)和航線(xiàn)設(shè)計(jì)。方案設(shè)計(jì)應(yīng)明確任務(wù)范圍、影像分辨率、航攝方法、技術(shù)參數(shù)、成果類(lèi)型及精度、航攝時(shí)間等基本內(nèi)容，制訂實(shí)施計(jì)劃。

像片重疊度：建筑稀少區(qū)域航向、旁向重疊度最小不低于75%，建筑密集區(qū)域航向、旁向重疊度不低于80%。

設(shè)計(jì)影像分辨率：考慮測(cè)區(qū)較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)像片分辨率為0.02m。

本次項(xiàng)目根據(jù)測(cè)區(qū)內(nèi)地面建筑物的高度，將測(cè)區(qū)分為高層及低層兩種情況。低層為農(nóng)村居民地區(qū)，平均高度低于20m 的密集建筑區(qū)；高層為平均高度超過(guò)90m的小區(qū)高層建筑區(qū)。為保證飛行安全及保證設(shè)計(jì)分辨率，低層區(qū)域采用加密航向、旁向重疊度的方法，盡量采集側(cè)面紋理；高層區(qū)域則采用分層飛行、局部繞飛補(bǔ)充采集的方法，保證設(shè)計(jì)分辨率在建筑物的底部能夠得到保證。

采用分層、局部繞飛等的飛行方法時(shí)，因?yàn)榇嬖跁r(shí)間差，同一地點(diǎn)陰影位置不同，最終制作的模型紋理會(huì)出現(xiàn)變花（臟點(diǎn)）的情況。為了減少這種情況對(duì)模型觀感的影響，在采用分層飛行、局部繞飛補(bǔ)充采集時(shí)，應(yīng)該盡量選擇在陰影較小的天氣時(shí)進(jìn)行航拍作業(yè)［6］。

2.4 航飛方案的執(zhí)行

（1）飛行前，對(duì)使用的設(shè)備、材料進(jìn)行認(rèn)真檢查，確保設(shè)備安裝和各項(xiàng)設(shè)置正確無(wú)誤。

（2）航攝現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人要嚴(yán)格掌握天氣情況，確保符合航飛方案設(shè)計(jì)要求。

（3）飛機(jī)及人員抵達(dá)測(cè)區(qū)后，立即安排試飛試照工作，為正式作業(yè)做好準(zhǔn)備工作。

（4）航攝時(shí)間宜控制在10：00-15：00之間，確保有足夠的光照度，攝影時(shí)太陽(yáng)高度角應(yīng)大于45°，陰影不大于1倍。高層建筑物密集區(qū)域應(yīng)在當(dāng)?shù)卣缜昂?h內(nèi)攝影。

（5）航攝結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行檢查。

（6）航攝影像出現(xiàn)的相對(duì)漏洞和絕對(duì)漏洞均應(yīng)及時(shí)安排補(bǔ)攝和重?cái)z。漏洞補(bǔ)攝應(yīng)按原設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，補(bǔ)攝的設(shè)備應(yīng)采用前一次航攝設(shè)備。補(bǔ)攝航線(xiàn)的兩端應(yīng)超出漏洞之外兩條基線(xiàn)以上。

（7）影像質(zhì)量應(yīng)清晰、層次豐富、反差適中、色調(diào)柔和，應(yīng)能辨認(rèn)出與地面分辨率相適應(yīng)的細(xì)小地物影像，能夠建立清晰的立體模型。影像上不應(yīng)有云、云影、煙、大面積反光、污點(diǎn)等缺陷。確保因飛機(jī)地速的影響在曝光瞬間造成的像點(diǎn)位移不應(yīng)過(guò)大。拼接形成的高分辨率彩色影像不應(yīng)出現(xiàn)明顯色彩偏移、重影、模糊現(xiàn)象。拼接影像應(yīng)無(wú)明顯模糊、重影和錯(cuò)位現(xiàn)象。

2.5 三維模型構(gòu)建

傾斜攝影完成后，首先要對(duì)獲取的影像進(jìn)行質(zhì)量檢查，對(duì)不合格的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)飛，直到獲取的影像質(zhì)量滿(mǎn)足要求。當(dāng)照片數(shù)據(jù)符合要求后，在大疆智圖中導(dǎo)入所有的照片數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維建模。

傾斜攝影測(cè)量建模流程如圖1 所示，包括導(dǎo)入像控點(diǎn)坐標(biāo)、匹配坐標(biāo)系、像控刺點(diǎn)、空中三角測(cè)量、空三解算通過(guò)、建立模型。

圖1 傾斜攝影測(cè)量建模流程

（1）添加照片，選擇重建類(lèi)型，選擇建圖場(chǎng)景，選擇所要輸出的模型格式、坐標(biāo)系等設(shè)置，進(jìn)行首次空三處理。

（2）在完成首次空三處理后，導(dǎo)入像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)坐標(biāo)成果，準(zhǔn)備在軟件中進(jìn)行刺點(diǎn)操作。

（3）刺點(diǎn)：①選中任一像控點(diǎn)，然后點(diǎn)擊照片庫(kù)中包含此像控點(diǎn)的某張影像，則空三視圖左側(cè)區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)刺點(diǎn)視圖，其上的藍(lán)色準(zhǔn)星表示所選像控點(diǎn)投影到此影像中的預(yù)測(cè)位置。②在刺點(diǎn)視圖的影像上，按住鼠標(biāo)左鍵可拖動(dòng)影像，滑動(dòng)滾輪可縮放影像。點(diǎn)擊影像使用黃色準(zhǔn)星進(jìn)行刺點(diǎn)，標(biāo)記像控點(diǎn)在影像上的實(shí)際位置。刺點(diǎn)在刺點(diǎn)視圖和照片庫(kù)縮略圖中顯示為綠色十字，同時(shí)，照片庫(kù)縮略圖右上角將顯示對(duì)勾標(biāo)記，表示此為刺點(diǎn)影像。③對(duì)于同一像控點(diǎn)，由第三張影像刺點(diǎn)開(kāi)始，每次刺點(diǎn)后，藍(lán)色準(zhǔn)星的預(yù)測(cè)位置會(huì)根據(jù)刺點(diǎn)位置實(shí)時(shí)更新，像控點(diǎn)信息下方的刺點(diǎn)重投影誤差和三維點(diǎn)誤差亦會(huì)更新。推薦每個(gè)像控點(diǎn)的刺點(diǎn)影像數(shù)量不少于4 張，所刺控制點(diǎn)盡可能在測(cè)區(qū)內(nèi)均勻分布，推薦不少于4個(gè)控制點(diǎn)（需要將像控點(diǎn)類(lèi)型設(shè)置為控制點(diǎn)），檢查點(diǎn)可以視實(shí)際情況設(shè)置。點(diǎn)擊要刺的控制點(diǎn)—點(diǎn)擊照片—查看點(diǎn)之記，在照片內(nèi)找到控制點(diǎn)位置—按shift件+鼠標(biāo)左鍵進(jìn)行刺點(diǎn)。

（4）以上步驟完成后，點(diǎn)擊開(kāi)始重建，重建完成后，會(huì)顯示建好的三維模型，結(jié)果如圖2所示。

圖2 三維模型實(shí)景成果整體展示

3 精度分析

用EPS 軟件中將三維模型導(dǎo)入，并導(dǎo)入前面外業(yè)已做好的10個(gè)檢查點(diǎn)，在三維模型界面中找到對(duì)應(yīng)的點(diǎn)位，匯總統(tǒng)計(jì)模型上的坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算兩者誤差大小。模型坐標(biāo)與檢查點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)比如表1所示。

表1 模型坐標(biāo)與檢查點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)比

數(shù)據(jù)顯示，在三維測(cè)圖軟件中，像控檢查點(diǎn)的平面中誤差大約在0.43cm，高程中誤差為0.57cm，可以滿(mǎn)足1∶500數(shù)字化地形圖測(cè)圖精度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的大比例尺全野外數(shù)字化地形圖測(cè)繪受外業(yè)作業(yè)天氣影響大，并且工作量大，成圖時(shí)期長(zhǎng)。大比例尺傳統(tǒng)正拍航測(cè)由于成圖原理，加上外業(yè)縮房檐誤差等問(wèn)題，導(dǎo)致精度相對(duì)大比例尺全野外數(shù)字化地形圖差。采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影的方法，選用合適的飛行平臺(tái)、傳感器、軟件平臺(tái)，采用少量控制點(diǎn)的方式生產(chǎn)實(shí)景三維模型，再導(dǎo)入三維測(cè)圖軟件中進(jìn)行測(cè)圖，可一定程度上解決這一問(wèn)題。外業(yè)工作量少，內(nèi)業(yè)自動(dòng)化程度高，成果可靠并且具有可視化效果，因此，采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影，最終將建模成果導(dǎo)入軟件進(jìn)行地形圖繪制的技術(shù)方法可作為地形測(cè)繪方法的重要補(bǔ)充。