何高林 ?？萍?陳 杰

（湖南湘測(cè)科技工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410006）

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是依賴(lài)在無(wú)人駕駛飛機(jī)上搭載圖像傳感元件或者專(zhuān)業(yè)的測(cè)量器件，獲取地表建筑物或者地形的影像，并采用專(zhuān)業(yè)軟件提取影像信息用于建立三維立體模型，實(shí)現(xiàn)測(cè)量成果解譯的目的[1]。它可以實(shí)現(xiàn)快速、高精度和低成本地完成大范圍、大起伏地形的測(cè)量，因此在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、地形圖測(cè)繪、考古等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，將其應(yīng)用于房產(chǎn)一體化測(cè)量具有明顯優(yōu)勢(shì)[2]。

1 基于Harrishe 算子和SIFT 算法的無(wú)人機(jī)傾斜攝影圖像特征提取

Harris 算子是在信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展起來(lái)的數(shù)學(xué)算法，它利用了信號(hào)的自相關(guān)原理進(jìn)行信息提純，可以有效避免信息提取過(guò)程中噪聲信號(hào)的影響[3-5]。無(wú)人機(jī)傾斜攝影圖片可以認(rèn)為是一個(gè)二維的像素信號(hào)，在像素信號(hào)內(nèi)確定一個(gè)特定大?。ǔ叨龋┑男盘?hào)窗口，在窗口內(nèi)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行求水平方向的梯度lx 和豎直方向的梯度ly，形成梯度矩陣M如公式（1）所示

利用高斯卷積模板G 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)矩陣窗口內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行濾波，高斯卷積的計(jì)算方法如公式（2）所示

式中，x 是影像水平方向像素坐標(biāo)，y 是影像垂直方向像素坐標(biāo)，?為卷積符號(hào)，σ 矩形窗口尺度因子。

SHIF 算法是在Harris 算子的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，克服了后者在尺度變換影響特征上具有尺度變化性的缺點(diǎn)[6]。從公式（2）中可以看出，在Harris 算子中的高斯卷積模板含有矩形窗口的尺度因子σ，相應(yīng)地，在SHIF 算法也可以通過(guò)構(gòu)建高斯函數(shù)G（x，y，σ）來(lái)獲取不同尺度空間圖像信息L（x，y，σ），以保證圖像尺度變化的不變性，計(jì)算方法如公式（3）所示

式中，I（x，y）為圖像。

2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影方案及工作處理流程

2.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影方案

在房地一體化測(cè)量中，對(duì)測(cè)量的精度較高，測(cè)量的范圍也較大，對(duì)測(cè)量的工作量要求較大，需要測(cè)量房屋角點(diǎn)的平面坐標(biāo)、獲取地界址點(diǎn)坐標(biāo)以及繪制平面地籍圖等。利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在房地一體化測(cè)量時(shí)，影響測(cè)繪成果精度之一便是像控點(diǎn)的布置方式和數(shù)量確定。本文以湖南省長(zhǎng)沙市某村鎮(zhèn)房地一體化測(cè)量為例，待測(cè)區(qū)域?yàn)?km2，區(qū)域內(nèi)房屋以磚混和鋼混為主，地形整體較為平坦，地表植被分布一般，設(shè)了4 種不同的像控點(diǎn)布設(shè)工況，如圖1 所示。在工況1 條件下，像控點(diǎn)在待測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)均勻布置；在工況2 條件下，像控點(diǎn)在待測(cè)區(qū)域角點(diǎn)進(jìn)行布置，且布置方式為點(diǎn)組，待測(cè)區(qū)域邊界中部和內(nèi)部無(wú)像控點(diǎn)；在工況3 條件下，像控點(diǎn)布置數(shù)量與工況2 相比，有進(jìn)一步的增加，除了在角點(diǎn)位置以點(diǎn)組方式布置像控點(diǎn)外，還在待測(cè)區(qū)域邊界中部沿邊線(xiàn)均勻布置像控點(diǎn)；在工況4 條件下，像控點(diǎn)布置數(shù)量在工況3 條件下進(jìn)一步增加，在待測(cè)區(qū)域內(nèi)部也布置點(diǎn)組像控點(diǎn)。

圖1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量相控布置工況

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量設(shè)備為中海達(dá)多旋翼智能航測(cè)無(wú)人機(jī)，具備旋翼數(shù)量為6 翅，槳葉類(lèi)型為全碳纖折疊槳，起飛和降落方式為垂直起降，能夠?qū)崿F(xiàn)POS 輔助自動(dòng)導(dǎo)航，無(wú)人機(jī)設(shè)備的軸距為1200mm，典型的飛行高度達(dá)到60m～750m，最大飛行高度為4500m，典型的巡航速度不超過(guò)10s-1，典型的地面采用距離為1.6cm～20cm，太陽(yáng)高度角不小于30°，陰影倍數(shù)小于2 倍。

2.2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影工作處理流程

房地一體化測(cè)量的無(wú)人機(jī)傾斜攝影工作流程如圖2所示，首先對(duì)選取合理的像控點(diǎn)布置方案，在測(cè)區(qū)內(nèi)進(jìn)行像控點(diǎn)進(jìn)行布置，其次對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行飛行方案設(shè)計(jì)，確定飛行平臺(tái)和飛行航線(xiàn)，隨后對(duì)采集的無(wú)人機(jī)傾斜攝影圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和解譯，對(duì)圖像的特征進(jìn)行提取以及數(shù)據(jù)濾波等，最后繪制房屋一體地籍圖。在所有的工況中，工況選定20 個(gè)測(cè)點(diǎn)作為檢測(cè)點(diǎn)，以檢測(cè)測(cè)量效果。

圖2 基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的房地一體化測(cè)量流程

在無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理時(shí)，對(duì)圖像的尺度空間進(jìn)行高斯差分空間構(gòu)建，即將尺度空間以高斯金字塔分層的方式，將其劃分為n 個(gè)父層級(jí)，每個(gè)父層級(jí)又包含n 個(gè)子層級(jí)，每個(gè)子層級(jí)進(jìn)一步細(xì)分為σ 層，如圖3 所示。每個(gè)父層級(jí)在尺度空間內(nèi)進(jìn)行高斯濾波，濾波尺度如公式（4）所示，濾波后的圖像進(jìn)行重新采樣形成新的圖像，并再次重復(fù)進(jìn)行高斯濾波，直至滿(mǎn)足要求位為止[7-8]。

式中，o 為圖3a 中圖像尺度空間高斯金字塔的父層級(jí)數(shù)，s 為圖1a 中子層級(jí)的第幾層數(shù)，其余子層級(jí)的高斯濾波尺度如公式（5）～公式（7）所示。

圖3 圖像高斯差分尺度空間分層及高斯濾波

式中，k 為相鄰子層級(jí)的尺度縮放因子，k=21/s。

3 基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影的房地一體化測(cè)量成果分析

圖4 為待測(cè)區(qū)域20 個(gè)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)點(diǎn)的無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量x 坐標(biāo)誤差δx曲線(xiàn)。從圖中可以看出，在同一工況下，不同檢查點(diǎn)的x 坐標(biāo)誤差δx呈現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，且各個(gè)工況的x 坐標(biāo)誤差值δx波動(dòng)互相分離。工況1 的x 坐標(biāo)誤差范圍為0.04～0.05，平均值δx，ave為0.05；工況2 的x 坐標(biāo)誤差范圍為0.05～0.10，平均值δx，ave為0.07；工況3 的x 坐標(biāo)誤差范圍為0.04～0.07，平均值δx，ave為0.06；工況4 的x 坐標(biāo)誤差范圍為0.04～0.06，平均值δx，ave為0.05。由此可知，在工況2 條件下，像控點(diǎn)在待測(cè)區(qū)域角點(diǎn)進(jìn)行布置，且布置方式為點(diǎn)組，待測(cè)區(qū)域邊界中部和內(nèi)部無(wú)像控點(diǎn)，它得到的x 坐標(biāo)誤差最大，工況3 條件下，在待測(cè)區(qū)域邊界中部沿邊線(xiàn)均勻增加布置像控點(diǎn)，其得到的x 坐標(biāo)誤差次之，而工況1 和工況4 條件下，得到的x 坐標(biāo)誤差最小，且兩者相近。在實(shí)際無(wú)人機(jī)傾斜攝影中，工況1 像控點(diǎn)在待測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)均勻布置，布點(diǎn)量大，測(cè)量工作大，因此可以采用工況4 的像控點(diǎn)布置方案，達(dá)到減小布點(diǎn)量且滿(mǎn)足測(cè)繪精度要求。

圖4 待測(cè)區(qū)域無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量檢測(cè)點(diǎn)x 坐標(biāo)誤差

圖5 為待測(cè)區(qū)域20 個(gè)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)點(diǎn)的無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量y 坐標(biāo)誤差δy。從圖中可以看出，在同一工況下，不同檢查點(diǎn)的y 坐標(biāo)誤差呈現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，且各個(gè)工況的y 坐標(biāo)誤差值δy波動(dòng)互相分離。工況1 的y 坐標(biāo)誤差范圍為0.03～0.05，平均值δy，ave為0.05；工況2 的y 坐標(biāo)誤差范圍為0.05～0.09，平均值δy，ave為0.07；工況3 的y 坐標(biāo)誤差范圍為0.04～ 0.07，平均值δy，ave為0.05；工況4 的y 坐標(biāo)誤差范圍為0.04～0.06，平均值δy，ave為0.05。由此可知，4 種不同工況的無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量y坐標(biāo)誤差結(jié)果與x 坐標(biāo)誤差結(jié)果基本一致。

圖5 待測(cè)區(qū)域無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量檢測(cè)點(diǎn)y 坐標(biāo)誤差

圖6 為待測(cè)區(qū)域20 個(gè)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)點(diǎn)的無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量點(diǎn)位置誤差δxy，其誤差計(jì)算方法如（8）所示。從圖中可以看出，在同一工況下，不同檢查點(diǎn)的點(diǎn)位誤差δxy呈現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，且各個(gè)工況的點(diǎn)位誤差δxy值波動(dòng)互相分離。工況1 的點(diǎn)位誤差范圍為0.05～0.07，平均值δxy，ave為0.06；工況2 的點(diǎn)位誤差范圍為0.07～0.12，平均值δxy，ave為0.10；工況3 的點(diǎn)位誤差范圍為0.06～0.09，平均值δxy，ave為0.08；工況4 的點(diǎn)位誤差范圍為0.05～0.08，平均值δxy，ave為0.07。由此可知，在工況2 條件下，像控點(diǎn)在待測(cè)區(qū)域角點(diǎn)進(jìn)行布置，且布置方式為點(diǎn)組，待測(cè)區(qū)域邊界中部和內(nèi)部無(wú)像控點(diǎn)，它得到的點(diǎn)位誤差最大，工況3 條件下，在待測(cè)區(qū)域邊界中部沿邊線(xiàn)均勻增加布置像控點(diǎn)，其得到的點(diǎn)位誤差次之，而工況1 和工況4 條件下，得到的點(diǎn)位誤差最小，且兩者相近。

圖6 待測(cè)區(qū)域無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量檢測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位誤差

4 結(jié)論

以湖南省長(zhǎng)沙市某村鎮(zhèn)房地一體化測(cè)量為例，布置4 種不同的像控點(diǎn)布置方案進(jìn)行測(cè)量，得到以下幾個(gè)結(jié)論：

4.1 x 坐標(biāo)誤差δx、y 坐標(biāo)誤差δy、點(diǎn)位誤差δxy計(jì)算結(jié)果為工況2 條件下得到的誤差最大，工況3 條件下的誤差次之，而工況1 和工況4 條件下，得到的位誤差最小，且兩者相近。

4.2 在實(shí)際無(wú)人機(jī)傾斜攝影中，工況1 像控點(diǎn)在待測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)均勻布置，布點(diǎn)量大，測(cè)量工作大，因此可以采用工況4 的像控點(diǎn)布置方案，達(dá)到減小布點(diǎn)量且滿(mǎn)足測(cè)繪精度要求。