毛 燁

（江蘇南京地質(zhì)工程勘查院，江蘇 南京 210041）

0 引言

攝影測(cè)量的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段［1-3］，從最早的模擬攝影測(cè)量階段到解析攝影測(cè)量階段，再到數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量階段。目前，常用的攝影測(cè)量技術(shù)是數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量。

無(wú)人機(jī)攝影具有成本低、易于獲取影像、獲取影像的方式靈活等優(yōu)點(diǎn)，且獲取的影像信息完整。無(wú)人機(jī)的飛行高度在1 000 m 以下，可忽略云層對(duì)其造成的影響，當(dāng)其與被攝物體的距離非常近時(shí)，能最大程度地獲取物體的高分辨率影像［4］。無(wú)人機(jī)既可獲取正射影像圖，也可獲取傾斜影像圖?；趦A斜影像建立的三維模型具有豐富的紋理及空間信息。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是無(wú)人機(jī)技術(shù)最完美的詮釋?zhuān)?］，其能夠多角度、多方面地處理場(chǎng)景中的細(xì)節(jié)，且獲取的影像清晰度和精度高，能直接反映地物特征和地物的空間信息。無(wú)人機(jī)設(shè)備的成本低［6］、工作方式簡(jiǎn)單、對(duì)地形氣候的要求低、能實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，且無(wú)人機(jī)能進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行工作，從而大大降低工作人員作業(yè)的危險(xiǎn)程度。因此，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用范圍也在逐漸擴(kuò)大，從傳統(tǒng)的測(cè)繪行業(yè)向其他行業(yè)擴(kuò)展，如地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、農(nóng)作物監(jiān)測(cè)管理、城市規(guī)劃、土地利用調(diào)查等。隨著無(wú)人機(jī)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)和三維建模已成為研究重點(diǎn)。如何實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)快速產(chǎn)業(yè)化，并提高三維建模的效率，使其精度水平達(dá)到要求，是無(wú)人機(jī)建模的目標(biāo)［7］。

為了強(qiáng)化建設(shè)區(qū)域的防火防震以及布設(shè)安全設(shè)施，本研究采用無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)對(duì)某科技創(chuàng)業(yè)園進(jìn)行三維建模，使用GPS-RTK 對(duì)像控點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，將無(wú)人機(jī)拍攝的相片導(dǎo)入ContextCapture 軟件中，在完成內(nèi)業(yè)空三加密后，進(jìn)行三維模型重建，再對(duì)模型上的坐標(biāo)和實(shí)地檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行比較，檢測(cè)模型質(zhì)量。

1 無(wú)人機(jī)航攝

根據(jù)任務(wù)要求來(lái)確定無(wú)人機(jī)的作業(yè)區(qū)域，收集該區(qū)域內(nèi)的地形圖等資料，并對(duì)資料進(jìn)行詳細(xì)分析，從而確定設(shè)備和作業(yè)區(qū)域的空域條件是否滿(mǎn)足作業(yè)要求，再根據(jù)具體情況來(lái)制定詳細(xì)的測(cè)繪實(shí)施計(jì)劃。

航線(xiàn)規(guī)劃是針對(duì)任務(wù)性質(zhì)和任務(wù)范圍（面積），并在綜合考慮天氣、地形等因素的基礎(chǔ)上，規(guī)劃如何實(shí)現(xiàn)任務(wù)要求的技術(shù)指標(biāo)，在保證飛行安全的前提下，實(shí)現(xiàn)任務(wù)范圍的最大覆蓋及重點(diǎn)目標(biāo)的密集覆蓋［8-9］。結(jié)合某科創(chuàng)園的地理位置，此次飛行航線(xiàn)的示意圖如圖1所示。

圖1 航線(xiàn)示意圖

2 外業(yè)控制測(cè)量

在攝影測(cè)量過(guò)程中，要保證每張相片中的影像重疊區(qū)域都有一定數(shù)量的控制點(diǎn)和像控點(diǎn)，用于矯正相片中的偏差，并把模型糾正到地面坐標(biāo)系中去［10］。

由于無(wú)人機(jī)采用低空航拍的方式，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)地面像控點(diǎn)布設(shè)與傳統(tǒng)低空攝影測(cè)量存在不同，主要有以下2 點(diǎn)：①相片框幅小、像片數(shù)量多，造成外業(yè)像控點(diǎn)的點(diǎn)位數(shù)量多，外業(yè)布設(shè)工作量增大；②無(wú)人機(jī)體積小、質(zhì)量輕，其姿態(tài)在航拍過(guò)程中變化大，航拍照片的航向傾斜與旁向旋轉(zhuǎn)角度擺動(dòng)大，外業(yè)像控點(diǎn)的布設(shè)位置、分布會(huì)影響空三解算的整體精度及航拍工作任務(wù)完成情況。

本研究測(cè)區(qū)范圍為圖2 中的實(shí)線(xiàn)框區(qū)域，面積約為170 000 m2，航攝和三維建模的范圍就是該區(qū)域。測(cè)區(qū)屬溫帶季風(fēng)性氣候，年均氣溫為14.1 ℃，年降水量為892.3 mm，年日照總時(shí)數(shù)為2 315 h，可常年作業(yè)。

圖2 測(cè)區(qū)范圍

2.1 控制點(diǎn)資料

本研究收集到11 個(gè)控制點(diǎn)，為E 級(jí)GPS 點(diǎn)、國(guó)家四等水準(zhǔn)點(diǎn)。平面坐標(biāo)和高程坐標(biāo)均為地方坐標(biāo)系，其高斯平面坐標(biāo)和水準(zhǔn)高程見(jiàn)表1。

表1 已知點(diǎn)成果表

經(jīng)過(guò)實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)踏勘，控制點(diǎn)的標(biāo)石保存完好，均勻分布在測(cè)區(qū)內(nèi)，可以利用。

2.2 其他資料

測(cè)區(qū)內(nèi)1∶500 比例尺的建筑圖可用于本研究的精度評(píng)定。像控點(diǎn)可通過(guò)外業(yè)全部測(cè)定，高精度的像控點(diǎn)在增加外業(yè)工作量的同時(shí)，還限制了像控點(diǎn)的位置。因此，可通過(guò)外業(yè)來(lái)測(cè)定少量的控制點(diǎn)，通過(guò)內(nèi)業(yè)空三加密的方式來(lái)獲取大量控制點(diǎn)。檢查像控點(diǎn)時(shí)要結(jié)合內(nèi)業(yè)和外業(yè)，在野外可進(jìn)行抽樣檢測(cè)，在進(jìn)行空三加密時(shí)，可進(jìn)行最后的精密檢查。若出現(xiàn)不合格的像控點(diǎn)，要返回外業(yè)重新測(cè)量。像控點(diǎn)的具體坐標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 像控點(diǎn)坐標(biāo)

3 三維建模

三維建模分為數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查與預(yù)處理、數(shù)據(jù)處理與產(chǎn)品制作兩步。采用目標(biāo)定位、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量、序列圖像快速拼接、影像三維重建等技術(shù)，對(duì)通過(guò)無(wú)人機(jī)獲取得到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并按照相應(yīng)規(guī)范來(lái)制作出二維或三維測(cè)繪產(chǎn)品。

3.1 三維建模關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 空中三角測(cè)量。根據(jù)航片上兩側(cè)的像點(diǎn)坐標(biāo)和極少量的地面控制點(diǎn)從而求出地面加密點(diǎn)的五方空間坐標(biāo)，即為空中三角測(cè)量，也稱(chēng)為攝影測(cè)量加密。該技術(shù)可為產(chǎn)品提供定向控制點(diǎn)和相片定向參數(shù)。

3.1.2 影像匹配。在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量過(guò)程中，由計(jì)算機(jī)來(lái)代替人工觀(guān)測(cè)，將同名的像點(diǎn)自動(dòng)確定在一起，此過(guò)程被稱(chēng)為影像匹配。隨著相機(jī)傳感器的發(fā)展，以及不同鏡頭的影像灰度不同，普通匹配算法的穩(wěn)定性不夠會(huì)導(dǎo)致圖像變形嚴(yán)重。因此，需要一種全新的、兼容性好的匹配算法，而尺度不變特征變換算法（Scale Invariant Feature Transform，SIFT）能很好地解決此問(wèn)題，該算法是基于圖像尺寸理論，對(duì)各種影響因素的抗性好，不易產(chǎn)生較大的偏移。影像特征點(diǎn)提取步驟見(jiàn)圖3。

圖3 特征點(diǎn)提取步驟

3.2 數(shù)據(jù)整理

對(duì)航攝影像進(jìn)行分類(lèi)整理，首先檢查影像數(shù)據(jù)的完整性，保證數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的可靠性。其次檢查影像的拷貝時(shí)間，保證時(shí)間的連續(xù)性，從而確保影像連續(xù)真實(shí)。最后刪除錯(cuò)誤的影像，對(duì)檢查不過(guò)關(guān)的相片進(jìn)行相關(guān)區(qū)域補(bǔ)攝。

3.3 影像處理

本研究建模采用的是ContextCapture 全自動(dòng)三維建模系統(tǒng)。該系統(tǒng)在完成空三解算后，顯示新區(qū)塊，點(diǎn)擊提交即可重建。此時(shí)，每張照片外方位元素和內(nèi)方位元素都已存在。在生成的重建中，點(diǎn)擊空間框架，可在該選項(xiàng)下設(shè)置空間區(qū)域來(lái)限制重建范圍。在瓦片選項(xiàng)中，將模式設(shè)為默認(rèn)設(shè)置，最好能將模式設(shè)置為合適的瓦片大小，從而確定合適的輸出瓦片大小?？杖晒鐖D4所示。

圖4 空三成果

3.4 模型修補(bǔ)

3.4.1 水面約束。由于水面的特征點(diǎn)幾乎完全相同或特征不明顯，軟件匹配算法不能很好地兼容水面的匹配度，導(dǎo)致水面模型出現(xiàn)空洞或水面不平整。在處理水面時(shí)，軟件中有一個(gè)特殊的約束工具，需要用戶(hù)手動(dòng)給水平面添加水面約束，從而保證輸出模型的水面平整。

3.4.2 壓平部分區(qū)域。為了得到地形數(shù)據(jù)，要對(duì)模型進(jìn)行壓平操作，尤其是森林區(qū)域。利用Reality Modeling-Extract 工具組中的Quick Ground Extraction工具對(duì)其進(jìn)行壓平操作。在頂視圖中（該工具必須在頂視圖中使用）選擇實(shí)景模型，然后在指定區(qū)域中繪制矩形或多邊形，根據(jù)區(qū)域的選擇方式來(lái)進(jìn)行壓平。

3.4.3 模型反轉(zhuǎn)問(wèn)題。對(duì)缺少坐標(biāo)信息的照片，在完成空三解算后，模型將會(huì)倒置或歪斜，可通過(guò)添加連接點(diǎn)，然后在下一次進(jìn)行空三解算前進(jìn)行Z軸約束，從而使模型正常。

4 質(zhì)量檢查

4.1 步驟檢查

4.1.1 無(wú)人機(jī)航攝。按照無(wú)人機(jī)操作手冊(cè)對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，保證其能夠安全起飛和降落，并按照預(yù)定航線(xiàn)來(lái)完成航拍任務(wù)。在后續(xù)建模檢查中發(fā)現(xiàn)，建筑物墻角等區(qū)域因遮擋而導(dǎo)致紋理陰暗不清，要重新設(shè)計(jì)飛行區(qū)域，并進(jìn)行2次小范圍的補(bǔ)攝。

4.1.2 像控點(diǎn)測(cè)量。選取地物點(diǎn)并做好標(biāo)注，使用GPS-RTK 來(lái)測(cè)量像控點(diǎn)坐標(biāo)，記錄并檢查，保證檢查點(diǎn)的坐標(biāo)在誤差范圍內(nèi)、像控點(diǎn)的精度滿(mǎn)足要求。

4.1.3 空中三角測(cè)量。導(dǎo)入控制點(diǎn)坐標(biāo)，編輯連接點(diǎn)。出現(xiàn)一次模型傾斜問(wèn)題，確定是連接點(diǎn)坐標(biāo)輸入錯(cuò)誤，經(jīng)改正后重新進(jìn)行空三加密，得到正確的模型位置關(guān)系，可進(jìn)行下一步操作。

4.1.4 三維建模。在上述步驟無(wú)誤的前提下，重建三維模型結(jié)構(gòu)，得到的三維模型與實(shí)際相符，則確認(rèn)操作正確無(wú)誤。

4.2 精度分析

4.2.1 像控點(diǎn)坐標(biāo)。見(jiàn)表3。

表3 像控點(diǎn)坐標(biāo)

4.2.2 檢查點(diǎn)圖上坐標(biāo)。見(jiàn)表4。

表4 圖上點(diǎn)坐標(biāo)

4.2.3 檢查點(diǎn)實(shí)測(cè)坐標(biāo)。見(jiàn)表5。

表5 實(shí)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)

4.2.4 精度分析。根據(jù)1∶500 的航攝規(guī)定，dx≤5 cm、dy≤5 cm、di≤5 cm。因此，精度達(dá)到預(yù)定要求，本次試驗(yàn)的精度評(píng)定為合格。

表6 精度分析

5 結(jié)語(yǔ)

作為一項(xiàng)新興技術(shù)，無(wú)人機(jī)在大比例成圖方面，與衛(wèi)星、有人機(jī)測(cè)繪相比，無(wú)人機(jī)具有巨大優(yōu)勢(shì)。無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作靈活、作業(yè)準(zhǔn)備時(shí)間短、對(duì)起降場(chǎng)地的要求不高、可在云下飛行，且無(wú)人機(jī)在具有密集建筑的城市區(qū)域、山區(qū)地形起伏大或人員不容易測(cè)量區(qū)域、多云區(qū)域、不適合大型有人機(jī)測(cè)繪區(qū)域都能發(fā)揮最好。無(wú)人機(jī)測(cè)繪的時(shí)效性好，不受重訪(fǎng)周期的限制，可根據(jù)任務(wù)需求隨時(shí)起降。另外，無(wú)人機(jī)測(cè)繪的針對(duì)性強(qiáng)，可對(duì)重點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)。

由于載荷重量的限制，測(cè)繪無(wú)人機(jī)搭載的導(dǎo)航定位與姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)（POS）一般精度較低。在無(wú)人機(jī)飛行前，一般會(huì)設(shè)計(jì)規(guī)劃飛行航線(xiàn)（包括任務(wù)航線(xiàn)），但實(shí)際的飛行軌跡受風(fēng)力、導(dǎo)航系統(tǒng)精度等因素的影響，一般會(huì)出現(xiàn)一定程度的偏差。同時(shí)，無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中不能保證姿態(tài)穩(wěn)定，傾斜角較大，對(duì)后期數(shù)據(jù)處理提出更高要求。在無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理方面，存在著數(shù)據(jù)量過(guò)大、對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求高、處理時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。連續(xù)相片的重疊度不規(guī)則、姿態(tài)信息不精準(zhǔn)也會(huì)使處理過(guò)程出現(xiàn)錯(cuò)誤。

綜上所述，在大比例成圖方面，無(wú)人機(jī)測(cè)繪與衛(wèi)星、有人機(jī)測(cè)繪相比，具有巨大的成本優(yōu)勢(shì)；在安全方面，無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)明顯，在特定危險(xiǎn)作業(yè)區(qū)域（如火山爆發(fā)地區(qū)、地震等地質(zhì)災(zāi)害地區(qū)）能快速準(zhǔn)確地獲取影像信息，避免作業(yè)人員因進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域作業(yè)而出現(xiàn)傷亡。在設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，能將損失降低到最小，且無(wú)人員傷亡。無(wú)人機(jī)測(cè)繪符合未來(lái)發(fā)展需求，具有廣闊的市場(chǎng)前景。