陈玲 丁亚杰 贾娟
（常州市测绘院 江苏 常州 213002）
摘 要:无人机倾斜摄影技术可以获得多方位、多角度高分辨率影像，可生成数字三维实景模型，在数字城市建设、城市管理中得到广泛的应用。本文提出了一种基于无人机倾斜摄影获取三维实景模型进行大比例尺城市竣工地形测绘的方法，探讨了倾斜摄影数据处理的关键技术，以实例阐述了基于无人机倾斜摄影生成三维实景模型测绘城市竣工地形图的作业方法和流程，并将倾斜摄影与传统单相机摄影测图进行精度对比，在实际生产中有一定的指导意义。
关键词: 无人机倾斜摄影；实景三维；竣工测绘。
Application and practice of UAV oblique photography in Surveying and Mapping of urban completion
Chen Ling, Ding Ya Jie
（Changzhou Serveying and Mapping Institute，Changzhou - Jiangsu 2130002）
Abstract: UAV tilt photography technology can obtain multi-directional and multi-angle high-resolution images, and generate digital three-dimensional real model, which has been widely used in digital city construction and city management. This paper proposes a model based on unmanned aerial vehicle (uav) oblique photography for three-dimensional imaging method for large scale urban completed topographic surveying and mapping, discusses the key technology of oblique photography data processing, with examples this paper expounds the drone oblique photography based 3 d model of real urban topographic map of homework completion method and process of surveying and mapping, and tilt photography mapping accuracy compared with the traditional single camera photography, has certain guiding significance in the practical production.
Keywords：UAV tilt photography; Reality 3D; Completion of surveying and mapping.
1.引言
随着无人机技术的发展，多镜头倾斜摄影技术得到了广泛的应用。与无人机单镜头垂直摄影相比，多镜头倾斜摄影技术可以获得多角度高分率影像，通过对倾斜影像数据处理并整合其他地理信息，输出正射影像、地形图、三维模型等产品，在高精度测绘、三维信息提取及三维城市模型构建等方面得到了广泛的应用。经过数据处理得到的数字实景三维模型是可量测的，可直接在三维模型上进行地形图要素采集。与传统垂直摄影技术相比，避免了戴立体观测眼镜进行测图的要求，可进行裸眼观测，采集更加便利快捷，且精度较高，具有一定的实际应用价值和意义。
近年来，无人机航测遥感技术在测绘行业有了很大的推广应用，本文从单位实际生产实例出发，以目前最先进的无人机倾斜摄影技术为主线，探讨和论证了无人机倾斜摄影测量系统应用于城市竣工1:500比例尺地形测绘的可行性，并对成图的精度进行统计分析，为无人机航空摄影测量技术在大比例尺地形图测绘方面的应用积累经验。
2.倾斜摄影原理
无人机倾斜摄影技术是通过在无人机飞行平台上搭载多镜头数码相机，飞行过程中从垂直和倾斜多个不同的角度采集高分辨率影像，一般常用五镜头倾斜摄影系统，结合无人飞行平台搭载的GPS/IMU系统获取的POS数据和像控点数据，通过相关软件处理获取数字表面模型、数字正摄影像和三维模型的摄影测量技术。
3.无人机倾斜摄影测量关键技术
3．1多视影像联合平差
当前大部分的倾斜摄影系统都是多相机系统，并配备一个POS系统获取姿态。无人机倾斜摄影采集到的影像包含垂直摄影影像和倾斜摄影影像。针对倾斜摄影测量，目前倾斜影像区域网平差方法主要分为： 1无约束区域网平差、2附加约束的区域网平差、3倾斜影像的直接定向。方法1是相对较为通用的方法，但计算量极大，方法2模型相对严格，方法3最简单但精度也最差。实际平差过程中常采用的是一种组合方法，即在剔除较大粗差时使用方法2，在最终的计算时采用方法1，从而获得较高的平差精度。
3．2多视影像密集匹配
与传统的垂直摄影影像相比，倾斜影像具有地物几何变形大、分辨率差异、影像旋转等问题。基于多视角倾斜影像的密集匹配技术可有效的解决倾斜摄影的匹配问题，通过倾斜影像的密集匹配，可以得到高精度和高密度的点云数据，是建立精细三维建模的关键流程。目前，常用的密集匹配算法主要有3种：共线条件约束的多片最小二乘影像匹配算法、多基元多影像匹配算法、基于物方的多视立体匹配算法。
3．3三维实景模型生产
倾斜摄影获取的影像经过预处理后，便可进行三维模型的生产。基于倾斜摄影所得影像数据的利用方式，可以将所得到的三维模型分为单独利用倾斜像片作为纹理生产的三维模型和完全基于倾斜摄影所得数据并利用相关软件获得的三维模型两种方式，前一种方法适用于较精细的建模需求，需一定的人工干预工作，优点是模型数据量小，便于单体化操作；后一种方法自动化程度高，但数据量较大。
3．4基于倾斜摄影生成三维模型测绘地形图
基于无人机倾斜摄影生成三维模型测绘地形图主要流程包括:外业航飞数据采集、像控点布设与量测、内业空中三角测量、生成三维模型和生产制作地形图几个部分，具体技术流程见下图所示。
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图1 倾斜摄影生成三维模型测绘地形图流程图
4.基于三维实景模型测绘地形图应用实例
4．1测区概况
刘国钧职校测区位于常州经济开发区，富民路以北，东城路以西，韩区河以南，华丰路以东，为平原地区，地势平坦，平均海拔5米，测区面积约0.2平方公里。
4．2航摄资料情况
本项目采用大疆M600六旋翼无人机搭载睿铂DG3倾斜摄影系统进行航摄，使用A3飞控进行导航和控制，相机型号为索尼ILCE-5100。
航高：135m；地面分辨率： 0.02m。
像片重叠度：航向80%，旁向70%左右。
像片旋偏角：小于7o； 倾斜角：小于2o ； 航线弯曲度：小于3%。
影像质量：色彩均匀清晰，颜色饱和无云影，层次丰富反差适中。
共计获取影像数量：961(张)x5(镜头)=4805张，航摄像主点展点图如下图所示：
图2 测区像主点与像控点点位图
4．3像控点布设与量测
根据作业范围均匀布设了12个像控点位，外业利用RTK进行了施测，共采集像控点和备用点合计24个。
4．4数据处理
在外业航飞结束后，进行内业数据处理，无人机倾斜摄影数据内业处理主要包括数据预处理、空中三角测量和生成三维实景模型。
1. 数据预处理
航摄完成后，首先应检查影像和POS是否相对应，然后检查影像是否清晰，有无漏片及大范围的模糊遮挡等现象。其次是对所摄影像进行匀光匀色处理，由于倾斜摄影相机在摄影的过程中，5 个相机由一个镜头垂直朝下，另四个分别向四个方向组成，因此拍摄的角度不一致，会出现光线反差、强度等的差异，将会影响到三维建模的精度和效果，所以需要对影像进行匀光匀色处理。最后，所获得的POS数据一般是WGS84 坐标系，需要根据项目实际需求，进行坐标系的转换工作。
2.空中三角测量
采用Smart3D软件进行测区空中三角测量。首先对测区的影像进行连接点自动匹配，对获取的特征点采用多像密集匹配技术自动匹配同名点，然后进行粗点检测，构建自由网。接着输入像控点坐标，本测区使用12个像控点和2个像控检查点，进行刺点后进行光束法区域网平差，空三结果满足1:500精度要求，最后输出空三结果报告。
3.三维实景模型生成
在空三精度达到所满足的精度和查看空三关系模型无明显错误后，同样，在Smart3D软件中就可进行制作三维实景模型， Smart3D系统的三维重建过程是基于瓦片技术，根据数据的大小进行分瓦，一般选择规则平面方格分瓦，分瓦大小要保证最大瓦片的纹理不超过100M pixls。制作生成的三维模型可选择3mx、s3c 、osgh等格式。
（1）匹配生成密集点云
模型生成过程中可运算生成基于多视影像密集匹配得到高密度数字点云，通过优化构网算法算法构建数字表面模型（DSM）用于后期模型构建及正射影像生成。
（2）构建三角网模型
经过密集匹配获得的高密度点云数据量很大，一般需进行切割分块后进行不规则三角网构建。构网时首先对同一地物不同角度的影像信息，采用参考影像不固定的匹配方法逐像素匹配；其次是基于多视匹配的冗余信息，引入并行算法快速准确地获取多视影像上同名点坐标，从而获取地物高密度三维点云数据；最后是基于点云构建不同层次细节度下的三角网（TIN）模型。
（3）自动纹理关联
自动纹理映射主要基于瓦片技术，即将整个建模区域分割成若干个一定大小的子区域（瓦片），基于集群处理系统的并行处理机制将每个瓦片打包建立成为一个任务，自动分配给各计算节点进行模型与纹理影像的配准和纹理帖附，同时为附带纹理的模型建立多细节、多层次的LOD，便于优化相应的文件组织结构，提高模型分层次浏览的效率，生成最终的三维场景。
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图3 三维实景模型
（4）建模过程中的问题及解决方法
采用Smart3D软件进行三维建模，其自动化程度较高，但由于遮挡及特征点较少等情况导致生成的三维模型也会存在缺陷，如部分模型边缘细节表现不够准确，个别地面、水面及建筑物侧面纹理缺失等。针对这些情况，需对有问题的模型进行修正，可通过Smart3D的模型修正功能进行修正，也可以将模型导入第三方建模软年中进行修补处理或进行单体化精细重建模。
5基于实景三维的线划图量测
基于实景三维的线划采集是基于裸眼观察的采集模式，降低了传统立体影像环境对作业员的要求。
利用实景三维模型进行全要素采集房屋、道路、植被等地形图基本要素。
（1）模型载入
将三维实景模型载入矢量绘制平台，三维实景模型数据量较大，对于较大的区域一般采用分块加载方式，便于后期模型浏览及编辑，采集界面如下图所示。
图4 地形图采集界面
（2）地形图要素采集
通过矢量绘图环境对倾斜模型三维浏览，结合模型真实场景信息，能够直观反映出地物的外观、位置、高程等信息，通过实景三维能够有效识别出各类地物的类型及相关属性特征，实现对居民地、道路、花圃、斜坡、陵坎等的平面位置、高程及属性的采集。
（3）外业调绘、补绘
外业调绘的内容主要有：地物遮挡造成实景三维缺漏、变形等的部位；部分线状悬空的地物如电力线等，需实地辨别其走向及连接关系；地物的属性信息，如检修井属性，路名、单位名称等注记。
（4）地形图编辑生成
通过编图软件平台将内业采集数据与外业调绘及补绘进行综合及编辑，最终生成测区1:500比例尺地形图成果。
6基于实景三维模型的成图精度分析
为检验基于三维实景模型量测地形图的精度，我们将内业模型测图数据与外业RTK全站仪实测数据叠加，进行平面精度检测。在外业实地采用RTK 技术均匀量测一些特征点，包括房角、道路拐角、墙角、井盖等可以快速识别的特征点，以这些实地量测的检查点坐标作为已测地形图的检核点，见下图所示。通过判断检查点点位中误差和高程中误差的大小是否满足测绘大比例尺地形图的规范要求，从而验证基于三维实景模型量测地形图的精度。
（1）地形图平面精度检查
为了检验测区内地形图的平面精度，一共实地测量平面点位37个， 检测点平面精度情况见下表。测区内地形图的平面精度统计可知，平面中误差为0.068m，最小值为0.007m，最大值为0.162m。根据《工程测量规范》要求，平面精度满足1:500比例尺的精度要求。
表1 平面精度统计表
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（2）地形图高程精度检查
为了验证试验区内地形图检查点的高程精度，本次在实验区均匀实测75 个高程检查点， 检测点高程精度情况见下表。测区内地形图的平面精度统计可知，高程中误差为0.029m，最小值为-0.001m，最大值为-0.100m，依据《工程测量规范》要求，高程精度满足1:500高程精度要求。
表2 高程精度统计表
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7倾斜摄影测量与传统单相机垂直摄影测量的精度对比
为进行倾斜摄影测量与传统单相机垂直摄影测量的精度对比，我们用无人机对测区分别进行了倾斜摄影与传统单相机垂直摄影。倾斜摄影相关参数4.2。传统单相机垂直摄影采用大疆M600六旋翼无人机搭载佳能EOS 5D MarkⅡ高分辨率数码相机进行航摄，航高：204m，航向70%～85%，旁向55%左右。
将两套航摄数据采用相同的控制点分别进行了空三加密。分别在实景三维测图与传统立体航测环境下，选取相同的位置特征点位进行采集测图，特征点位分布情况如下图所示。
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图5 检查点分布图
将两套数据与外业实测数据分别进行比对，检测精度情况如下图所示。
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图6倾斜摄影、传统垂直摄影测图与实测平面精度对比图
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图7倾斜摄影、传统垂直摄影测图与实测高程精度对比图
通过精度对比统计得出，倾斜实景测图平面中误差为0.068m，最大值为0.162 m；高程中误差为0.029m，最大值为-0.100 m。传统垂直摄影测图平面中误差为0.122m，最大值为0.385 m；高程中误差为0.114m，最大值为0.223 m。
通过数据对比我们可以看出，倾斜实景测图精度优于传统垂直摄影测图，特别是高程方面，倾斜实景测图优势更加明显，解决了长期以来航测高程精度薄弱的问题。
8结束语
本方阐述了基于无人机倾斜摄影系统获得影像数据和POS数据，通过Smart3D 软件进行了空中三角测量，生成实景三维模型，利用其采集制作地形图。并将外业实测数据与实景三维模型测图数据、传统单相机垂直摄影测图数据进行对比，证实了基于无人机倾斜摄影的实景测图在平面和高程方面均可以满足1:500地形图的要求，并且精度明显优于传统垂直摄影航测，为城市竣工测量提供了一种新的方法。
利用无人机倾斜摄影技术进行城市大比例尺竣工测绘具有响应速度快，作业效率高，数据采集直观、全面，数据精度高等特点。但该作业模式也存在局限性，如遮挡区域实景三维模型难以表达、对高层建筑区域航高规划及飞行操作等仍需要不断研究和总结。
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作者简介：
陈玲（1979-），女，高级工程师，现从事航空摄影测量、三维数字城市建设等相关技术工作。
邮编：213003