基于無(wú)人機(jī)航攝影像的大比例尺測(cè)圖及三維建模研究

竇葉贇 DOU Ye-yun

（安徽省第三測(cè)繪院，合肥 230031）

0 引言

當(dāng)前，無(wú)人機(jī)低空航攝完成了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取方式的有力補(bǔ)充，也彌補(bǔ)了衛(wèi)星遙感等測(cè)繪手段在精度和及時(shí)性等方面的不足。無(wú)人機(jī)與傾斜攝影的結(jié)合，顛覆了傳統(tǒng)測(cè)繪作業(yè)方式，在獲取高清晰立體影像數(shù)據(jù)的同時(shí)自動(dòng)生成三維地理信息模型，隨著使用需求的提升，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)繪系統(tǒng)正向著自動(dòng)化、智能化、全面化、高效化的方向快速發(fā)展，無(wú)人機(jī)傾斜攝影三維模型上實(shí)現(xiàn)大比例尺圖形采集成為必然，這也是促進(jìn)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)發(fā)展、促進(jìn)其精準(zhǔn)度和數(shù)據(jù)分析能力進(jìn)一步提升的主要手段之一。

1 無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)的組成以及理論基礎(chǔ)

1.1 無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)的組成

1.1.1 飛行平臺(tái)

飛行平臺(tái)是整個(gè)無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)的基礎(chǔ)構(gòu)成，是指令接收單元也是指令發(fā)射單元，能夠完成控制端飛行地點(diǎn)以及飛行高度的目標(biāo)指令接收，并將相關(guān)指令通過(guò)成像傳感器系統(tǒng)完成直接傳輸保證無(wú)人機(jī)航攝按照既定的航線完成飛行任務(wù)的執(zhí)行。不同的飛行平臺(tái)擁有不同的優(yōu)劣勢(shì)，其在應(yīng)用的范圍內(nèi)也不盡相同（常見(jiàn)無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)見(jiàn)表1）。

表1 無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)特點(diǎn)

1.1.2 飛控系統(tǒng)

飛控系統(tǒng)包含導(dǎo)航、控制系統(tǒng)兩個(gè)部分，輔助航攝任務(wù)完成導(dǎo)航和定位實(shí)現(xiàn)及時(shí)的接收路線質(zhì)量修改，同時(shí)也肩負(fù)著航行姿態(tài)以及軌跡進(jìn)行掌握記錄的任務(wù)。

1.1.3 機(jī)載傳感器設(shè)備

機(jī)載傳感器設(shè)備用于完成航攝攝影相的獲取，包括CCD數(shù)碼相機(jī)、激光掃描儀以及磁測(cè)儀和多光譜成像儀等。通過(guò)遙感傳感器能夠獲取含有豐富信息的影像，通過(guò)計(jì)算機(jī)的輔助處理，完成對(duì)圖像的恢復(fù)、增強(qiáng)以及分類(lèi)工作，從而真正發(fā)揮出信息的參考作用。傾斜攝影技術(shù)顛覆了正射影像垂直角度拍攝的局限，通過(guò)同一飛行平臺(tái)的多臺(tái)傳感器的搭載能夠完成五個(gè)角度的影像采集任務(wù)，能夠得到高精度、高分辨率的數(shù)字表面模型（DSM）。

1.1.4 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是核心組成，保證了地面部分和無(wú)人機(jī)之間的通訊聯(lián)系。系統(tǒng)不僅能夠完成各類(lèi)信息的接收，同時(shí)能夠給予相關(guān)飛行參數(shù)以及導(dǎo)航軌跡等直接的顯示。是整個(gè)無(wú)人機(jī)航攝相關(guān)信息的及時(shí)反饋，在完成數(shù)據(jù)獲取的過(guò)程中需要保證適合的范圍確定，同時(shí)再根據(jù)相應(yīng)的比例以及降落場(chǎng)地完成有效連接，整個(gè)系統(tǒng)工作過(guò)程當(dāng)中要注意避免障礙物以及無(wú)線電設(shè)備的影響。

1.2 無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)理論基礎(chǔ)

整遙感技術(shù)是技術(shù)核心，與傳統(tǒng)的人工實(shí)地測(cè)量以及信息核實(shí)效率相比速度更快周期更短，利用不同波段的穿透性最大限度地獲取物體的內(nèi)部數(shù)據(jù)信息，在計(jì)算機(jī)輔助處理之下完成對(duì)遙感采集到的圖像的恢復(fù)、增強(qiáng)以及分類(lèi)工作正發(fā)揮出信息的參考。數(shù)據(jù)的獲取以及處理是工作核心，根據(jù)成圖的需求來(lái)完成航攝因子的計(jì)算，同時(shí)完成航攝路線規(guī)劃，結(jié)合航攝任務(wù)執(zhí)行范圍內(nèi)的地理地形因素特點(diǎn)，消除地形因素對(duì)圖像質(zhì)量重疊度精度的影響。矯正畸變差為關(guān)鍵處理點(diǎn)，通過(guò)空三加密預(yù)處理來(lái)保證影像質(zhì)量。

2 無(wú)人機(jī)大比例尺地圖測(cè)繪

2.1 大比例成圖流程和技術(shù)路線

首先利用無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)完成航空攝影經(jīng)過(guò)片控制點(diǎn)的測(cè)量以及空三加密建立完善系統(tǒng)模型，進(jìn)而在完成圖像采集的過(guò)程中通過(guò)數(shù)字立體模型的建立完成立體采集，并通過(guò)系統(tǒng)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)完成手工精細(xì)分類(lèi)以提取高程點(diǎn)。（圖1）

圖1 無(wú)人機(jī)圖像獲取流程

2.2 航飛準(zhǔn)備與飛行作業(yè)

2.2.1 航攝比例尺確定

表2 航攝比例尺確定

2.2.2 航高確定

式中：H為航高；m為CCD像元尺寸；M為像元尺寸對(duì)應(yīng)地面的長(zhǎng)度。

2.2.3 航速確定

式中：w無(wú)人機(jī)重量；s機(jī)翼面積；ρ空氣密度；c無(wú)人機(jī)升力系數(shù)。

2.3 影像預(yù)處理

無(wú)人機(jī)在航攝過(guò)程當(dāng)中搭載的是非測(cè)量數(shù)碼相機(jī)來(lái)完成拍攝任務(wù)，對(duì)測(cè)量精度會(huì)產(chǎn)生較大的影響，必須要經(jīng)過(guò)畸變糾正以及影像匹配等預(yù)處理才能夠保證空三測(cè)量后續(xù)處理工作的順利進(jìn)行。預(yù)處理的手段不僅包括紋理增強(qiáng)以及畸變糾正，同時(shí)也包括像片色調(diào)的處理。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)法的主要思想是通過(guò)將遙感圖像體現(xiàn)出的明顯特征作為輸入信號(hào)，按照相應(yīng)的規(guī)則進(jìn)行訓(xùn)練，在輸出端完成對(duì)輸入信號(hào)的分類(lèi)。BP網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)分類(lèi)屬于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)的一種，不但具備良好的容錯(cuò)特征，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的分類(lèi)。

2.4 空三加密

空三測(cè)量根本原理在于減少野外控制點(diǎn)，通過(guò)密集數(shù)據(jù)模型的使用，以最小二乘法原理來(lái)保證坐標(biāo)以及高層的解析，利用已知點(diǎn)來(lái)完成外方位元素影像的求解。當(dāng)計(jì)算范圍完成由單像片擴(kuò)張到一條航帶或者是立體雙像擴(kuò)張到多條航帶時(shí)，空三解算也被稱之為空三加密?？罩腥菧y(cè)量方法按照相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型有航帶法、獨(dú)立模型以及光速法三種。處理流程較為繁瑣，需要通過(guò)校驗(yàn)文件的導(dǎo)入來(lái)完成航帶的劃分，利用金字塔處理完成航攝影像的處理（三種平差方法見(jiàn)表3）。

表3 空三加密平差方法比較

3 無(wú)人機(jī)航攝成圖影響因素以及優(yōu)化

3.1 成圖精度誤差分析

像片傾角影響的主要元素在于無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)時(shí)不穩(wěn)定性因素導(dǎo)致，該過(guò)程中最主要的影響因素在于平面像點(diǎn)的位移以及地形的起伏高程差。其中，平面影響主要是氣流的影響，因?yàn)樵跉饬鞯淖饔弥聼o(wú)人機(jī)航攝飛行過(guò)程當(dāng)中難以保證完全置平，而在這樣的過(guò)程當(dāng)中，會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)構(gòu)像存在相應(yīng)的誤差。另外，在無(wú)人機(jī)完成航攝工作任務(wù)的過(guò)程當(dāng)中，傾斜像片同理想像片之間無(wú)法產(chǎn)生相應(yīng)的橫坐標(biāo)，此時(shí)的投影差也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的影響。

式中：δ為像點(diǎn)位移量；γ為向徑長(zhǎng)，該長(zhǎng)度以等角點(diǎn)為起點(diǎn)，以目標(biāo)成像點(diǎn)為終點(diǎn)；φ為向徑與影像等比線的夾角；α為像片傾角。

式中：δ為像點(diǎn)位移量；γ為向徑長(zhǎng)，該長(zhǎng)度以等角點(diǎn)為起點(diǎn)，以目標(biāo)成像點(diǎn)為終點(diǎn)；φ為向徑與影像等比線的夾角；α為像片傾角；h為地面點(diǎn)相對(duì)于水平面高差；H為航攝飛行高度。

3.2 精度優(yōu)化方法

無(wú)人機(jī)航測(cè)任務(wù)完成過(guò)程當(dāng)中，圖像精度受到多重影響，其包括本身處理系統(tǒng)也包括軟硬件的限制，而外界的天氣、溫度以及地形等不可控的影響也較為明顯。外界因素難以改變，所以想要實(shí)現(xiàn)精度的提升，必須從內(nèi)部下手。首先，要規(guī)范操作流程，其次通過(guò)軟件的開(kāi)發(fā)和硬件的增強(qiáng)來(lái)保證圖像精度的提高實(shí)現(xiàn)高精度作業(yè)，在此過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格依據(jù)《大比例尺地形圖航空攝影測(cè)量數(shù)字劃測(cè)圖規(guī)范》控制并分析誤差。

現(xiàn)有的影像處理軟件在處理過(guò)程中對(duì)無(wú)人機(jī)航飛的原始數(shù)據(jù)存在局限，常用的pix4d軟件在航飛的影像按項(xiàng)目處理時(shí)往往會(huì)存在因圖形結(jié)構(gòu)不好影像預(yù)處理通不過(guò)，三維CC軟件在影像項(xiàng)目處理時(shí)存在空三不能通過(guò)或空三處理結(jié)果異常而不能滿足建模需要。另外，無(wú)人機(jī)航測(cè)影像往往由于分辨率高，影像數(shù)據(jù)量過(guò)大，在常用的地形圖成圖軟件CASS中使用過(guò)程不能直接插入CAD圖，要保證分辨率不降的條件下加載影像，可行的辦法是對(duì)影像進(jìn)行裁切，將大影像裁切成若干塊，然后分批插入圖形中，在吃過(guò)程中需要根據(jù)實(shí)際情況選取影像，整理pos數(shù)據(jù)，因此可以通過(guò)自動(dòng)挑選影像與pos數(shù)據(jù)整理，對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)預(yù)處理，以滿足pix4d及CC三維建模的需要，同時(shí)借助相關(guān)軟件（如arcgis）批處理自動(dòng)裁切影像，將大影像裁切成若干塊滿足影像成圖的需要。

4 三維建模以及成果分析

4.1 三維模型建立方法

利用專(zhuān)業(yè)的軟件完成建模是最為直接有效的方式，常見(jiàn)的三維模型軟件包括CC三維建模、SketchUP、AutoCAD以及3DMax等。無(wú)人機(jī)傾斜攝影能夠從五個(gè)視角完成相關(guān)圖像的采集，模型建立過(guò)程中，首先要完成現(xiàn)有資料的分析，保證其在無(wú)人機(jī)傾斜攝影基礎(chǔ)之上利用像片控制點(diǎn)測(cè)量成果并完成空中三角測(cè)量。同時(shí)在五個(gè)視角影像和空三加密成果的基礎(chǔ)之上利用CC三維建模進(jìn)行模型成果展示，根據(jù)三維模型采集大比例尺DLG。

4.2 技術(shù)要求

首先，在模型建立的過(guò)程當(dāng)中要保證道路、橋梁以及水面等圖像的優(yōu)化。其次，由于傾斜攝影航拍視角的遮擋性很多建筑物表面影像會(huì)出現(xiàn)漏洞，所以在建模過(guò)程當(dāng)中可以采用三維模型編輯工具來(lái)完成圖像的修復(fù)。另外，在傾斜攝影過(guò)程當(dāng)中由于角度的問(wèn)題難以獲得建筑內(nèi)部紋理圖像，所以三維模型當(dāng)中實(shí)際結(jié)構(gòu)展現(xiàn)的并不完整，在此過(guò)程當(dāng)中需要通過(guò)單獨(dú)模型的建立，在三維激光掃描的基礎(chǔ)之上利用貼圖軟件完成貼圖建模。最后，由于序設(shè)置的缺陷，三維建模過(guò)程中會(huì)有諸多云匹配提取錯(cuò)誤、三維模型不平整、三維模型中存在懸浮物的缺陷，需要對(duì)其進(jìn)行修正處理。

4.3 技術(shù)路線

在進(jìn)行空三加密的過(guò)程中需保證在精測(cè)區(qū)分塊、相對(duì)篩選點(diǎn)、云計(jì)算點(diǎn)、云購(gòu)網(wǎng)以及白體三維模型構(gòu)建。在模型的建立過(guò)程中需在漏洞修復(fù)以及元數(shù)據(jù)制作等操作技術(shù)過(guò)程當(dāng)中保證數(shù)學(xué)基礎(chǔ)正確，相關(guān)的采集精度符合實(shí)際的需求，能夠在三維模型的基礎(chǔ)之上完成三維坐標(biāo)以及野外實(shí)測(cè)檢測(cè)筆坐標(biāo)的比較。另外，要保證整個(gè)建筑模型在建立的過(guò)程當(dāng)中呈現(xiàn)自然狀態(tài)，無(wú)作業(yè)區(qū)空洞以及不合理的懸浮面片的出現(xiàn)。整個(gè)建模過(guò)程當(dāng)中，要保證細(xì)節(jié)的完整性，其紋理精度需滿足影視向地面分辨率的需求。

4.4 成果分析

三維模型的可視化，以GIS、BIM以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)完成相關(guān)數(shù)據(jù)的收集在軟件處理之下完成數(shù)據(jù)疊加，使其直接顯現(xiàn)在虛擬場(chǎng)景當(dāng)中。三維場(chǎng)景的可視化相較于傳統(tǒng)的2D頁(yè)面形象更為直觀，角度更為貼切，能夠滿足信息查詢以及規(guī)劃設(shè)計(jì)等功能，同時(shí)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和參考能力也為計(jì)劃的制定提供了極為有利的輔助。三維模型的可視化在于，將各種模型完成空間位置以及場(chǎng)景的組織通過(guò)圖形的方式直接顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，是人機(jī)交互的切實(shí)體現(xiàn)，在此過(guò)程當(dāng)中可以通過(guò)漫游功能來(lái)保證精準(zhǔn)性和實(shí)時(shí)性。

通過(guò)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)預(yù)處理以及成圖輔助系統(tǒng)的協(xié)助，在CC三維建模過(guò)程當(dāng)中實(shí)現(xiàn)了良好的工作準(zhǔn)備，在CAD平臺(tái)以及S軟件的基礎(chǔ)之上突破了航測(cè)成圖難的問(wèn)題，填補(bǔ)了軟件不足的空白，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了外業(yè)問(wèn)題到內(nèi)業(yè)處理上的轉(zhuǎn)化，有效的減輕了外業(yè)的工作量，利用實(shí)測(cè)高程點(diǎn)構(gòu)建圖形，完成了三維模型大比例尺DLG的采集工作，滿足高精度成圖需要。

5 綜述

測(cè)繪無(wú)人機(jī)是當(dāng)前測(cè)繪行業(yè)的發(fā)展主流，逐漸完成了小區(qū)域大比例尺測(cè)圖的廣泛覆蓋。而其憑借著較低的成本投入、較高的精度預(yù)測(cè)以及較為簡(jiǎn)單的操作方式贏得了大眾的信賴。在無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)完成大比例尺成像的過(guò)程當(dāng)中，精度的評(píng)定和誤差分析必不可少。想要提升圖像質(zhì)量必須從軟硬件結(jié)合入手，既要保證硬件設(shè)施的穩(wěn)定性和高質(zhì)量性，同時(shí)也要保證相應(yīng)的軟件具備良好的圖像處理能力，保證比例尺成圖精度。通過(guò)傾斜攝影的影像建立三維模型，然后在三維模型上采集大比例尺圖形，是無(wú)人機(jī)測(cè)繪自動(dòng)化、智能化、全面化、高效化的集成體現(xiàn)，能夠更好地滿足實(shí)際需求。