無人機傾斜攝影技術(shù)的標準

　　摘要

　　無人機傾斜攝影測量技術(shù)在應(yīng)用過程中，存在模型分辨率不一致、精度不可靠、格式不匹配的問題，但沒有現(xiàn)行的標準對任務(wù)質(zhì)量進行評價，這在一定程度上限制了無人機傾斜攝影測量技術(shù)進一步發(fā)展。本文針對無人機傾斜攝影測量技術(shù)的現(xiàn)狀，對從航攝準備（硬件）到數(shù)據(jù)處理應(yīng)用（軟件）整個作業(yè)流程的技術(shù)標準進行了論述，為無人機傾斜攝影測量技術(shù)的從業(yè)人員提供一些參考。

　　無人機傾斜攝影測量技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，傾斜攝影技術(shù)三維數(shù)據(jù)可真實反映地物的外觀、位置、高度等屬性;借助無人機，可快速采集影像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全自動化三維建模;傾斜攝影數(shù)據(jù)是帶有空間位置信息的可量測影像數(shù)據(jù)，能同時輸出DSM、DOM、TDOM、DLG等多種成果。目前，無人傾斜攝影測量技術(shù)已被越來越多的行業(yè)認可和應(yīng)用，但針對無人機傾斜攝影的國家技術(shù)標準一直沒有明確，這就給無人機傾斜攝影工作帶來一定困擾。本文結(jié)合實際工作和學(xué)習(xí)經(jīng)驗，對無人機傾斜攝影測量技術(shù)標準進行初步的探討。

　　1無人機傾斜攝影系統(tǒng)介紹

　　傳統(tǒng)航空攝影只能從垂直角度拍攝地物，傾斜攝影則通過在同一平臺搭載多臺傳感器，同時從垂直、側(cè)視等不同的角度采集影像，有效彌補了傳統(tǒng)航空攝影的局限。那么，無人機傾斜攝影系統(tǒng)可以定義為：以無人機為飛行平臺，以傾斜攝影相機為任務(wù)設(shè)備的航空影像獲取系統(tǒng)。

　　1.1飛行平臺的性能要求

　　目前，市場上無人機的種類繁多，按照動力系統(tǒng)可以區(qū)分為內(nèi)燃機動力和電池動力;從飛行實現(xiàn)方式上可以區(qū)分為固定翼和旋翼（單旋翼、多旋翼）。由于飛行平臺自身的振動問題，在成像質(zhì)量上電池動力優(yōu)于內(nèi)燃機動力;在作業(yè)效率和續(xù)航時間上，固定翼優(yōu)于旋翼;在飛行穩(wěn)定性上，旋翼優(yōu)于固定翼。由于無人機用途不同，其性能標準也不一樣。測繪型無人機對飛行標準要求更高，可以在載重、巡航速度、實用升限、續(xù)航時間、安全性和抗風(fēng)等級等方面做出限定。

　　例如：

　?、贌o人機最低載重2kg;

　　②多旋翼巡航速度大于6m/s，固定翼無人機巡航速度大于10m/s;

　?、垭姵貏恿m(xù)航時間大于25min，內(nèi)燃機動力續(xù)航時間大于1h;

　?、芸癸L(fēng)性要求不低于4級風(fēng)速;

　　⑤無人機實用升限能達到1000m以上，海拔高度不低于3000m。

　　1.2傾斜相機的性能要求

　　在《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》（CH/Z3005—2010）中，對測繪航空攝影也就是垂直攝影的相片傾角有著如下規(guī)定：傾角不大于5°，最大不超過12°?，F(xiàn)有的航測軟件處理能力已經(jīng)有了很大提升，可以在這個標準的基礎(chǔ)上，把傾角15°以上的都劃歸到傾斜攝影的范疇。傾斜攝影發(fā)展到今天，傾斜相機不再限定相機鏡頭的數(shù)量。傾斜相機的關(guān)鍵技術(shù)指標是獲取不同角度影像的能力和單架次作業(yè)的廣度和深度。這包括五鏡頭、三鏡頭、雙鏡頭等多鏡頭相機及可以調(diào)整相機拍攝角度的單相機系統(tǒng)。在無人機航測標準中，要求航測相機像素不低于3500萬，在傾斜攝影中可以不對單一相機的像素進行限定，而對一次曝光獲取的影像像素進行控制。傾斜相機的性能要求可以從獲取影像能力、作業(yè)時間、曝光功能、續(xù)航時間、POS記錄功能等方面做出限定。

　　例如：

　?、賰A斜攝影一次曝光采集的像素越高越好，但要根據(jù)設(shè)備成本考量，單個鏡頭不低于2000萬像素，一次曝光不低于1億像素;

　?、谧鳂I(yè)時間至少能滿足90min，最好具備全天候的作業(yè)能力;

　?、塾卸c曝光功能，確保影像重疊度滿足要求。

　　2飛行航線的設(shè)計

　　2.1航攝高度的確定

　　無人機傾斜攝影的飛行高度是航線設(shè)計的基礎(chǔ)。航攝高度需要根據(jù)任務(wù)要求選擇合適的地面分辨率，然后結(jié)合傾斜相機的性能，按照式（1）計算H=f×GSD/α（1）式中，H為航攝高度，單位為m;f為鏡頭焦距，單位為mm;α為像元尺寸，單位為mm;GSD為地面分辨率，單位為m。

　　2.2航攝重疊度的設(shè)置

　　低空數(shù)字航空攝影規(guī)范規(guī)定“航向重疊度一般應(yīng)為60%～80%，最小不小于53%;旁向重疊度一般應(yīng)為15%～60%，最小不小于8%”。在無人機傾斜攝影時，旁向重疊度是明顯不夠的。不論航向重疊度還是旁向重疊度，按照算法理論建議值是66.7%?？梢詤^(qū)分為建筑稀少區(qū)域和建筑密集區(qū)域兩種情況來進行介紹。

　　2.2.1建筑稀少區(qū)域

　　考慮到無人機航攝時的俯仰、側(cè)傾影響，無人機傾斜攝影測量作業(yè)時在無高層建筑、地形地物高差比較小的測區(qū)，航向、旁向重疊度建議最低不小于70%。要獲得某區(qū)域完整的影像信息，無人機必須從該區(qū)域上空飛過。以兩棟建筑之間的區(qū)域為例，如果這兩棟建筑由于高度對這個區(qū)域能形成完全遮擋，而飛機沒有飛到該區(qū)域上空，那么無論增加多少相機都不可能拍到被遮區(qū)域，從而造成建筑模型幾何結(jié)構(gòu)的粘連。

　　2.2.2建筑密集區(qū)域

　　建筑密集區(qū)域的建筑遮擋問題非常嚴重。航線重疊度設(shè)計不足、航攝時沒有從相關(guān)建筑上空飛過，都會造成建筑模型幾何結(jié)構(gòu)的粘連。為提高建筑密集區(qū)域影像采集質(zhì)量，影像重疊度最多可設(shè)計為80%～90%。當高層建筑的高度大于航攝高度的1/4時，可以采取增加影像重疊度和交叉飛行增加冗余觀測的方法進行解決。如著名的上海陸家嘴區(qū)域傾斜攝影，就是采用了超過90%的重疊度進行影像采集以杜絕建筑物互相遮擋的問題。影像重疊度與影像數(shù)據(jù)量密切相關(guān)。影像重疊度越高，相同區(qū)域數(shù)據(jù)量就越大，數(shù)據(jù)處理的效率就越低。所以在進行航線設(shè)計時還要兼顧二者之間的平衡。

　　2.3區(qū)域覆蓋設(shè)計

　　“航向覆蓋超出攝區(qū)邊界線應(yīng)不少于兩條基線。旁向覆蓋超出攝區(qū)邊界線一般不少于像幅的50%”，這是原規(guī)范在航攝區(qū)域邊界覆蓋上的保證，但在無人機傾斜攝影時是明顯不夠的。理論上，需要目標區(qū)域邊緣地物能出現(xiàn)在像片的任何位置，與測區(qū)中心地區(qū)的特征點觀測量一樣。考慮到測區(qū)的高差等情況，可以按照式（2）來計算航線外擴的寬度L=H1×tanθ+H2-H3（）+L1（2）式中，L為外擴距離;H1為相對航高;θ為相機傾斜角;H2為攝影基準面高度;H3為測區(qū)邊緣最低點高度;L1為半個像幅對應(yīng)的水平距離。

　　3控制測量

　　控制測量是為了保證空三的精度、確定地物目標在空間中的絕對位置。在常規(guī)的低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范中，對控制點的布設(shè)方法有詳細的規(guī)定，是確保大比例尺成圖精度的基礎(chǔ)。傾斜攝影技術(shù)相對于傳統(tǒng)攝影技術(shù)在影像重疊度上要求更高，現(xiàn)在的規(guī)范關(guān)于像控點布設(shè)要求不適合應(yīng)用于高分辨率無人機傾斜攝影測量技術(shù)。無人機通常采用GPS定位模式，自身帶有POS數(shù)據(jù)，對確定影像間的相對位置作用明顯，可以提高空三計算的準確度。

　　3.1常規(guī)三維建模

　　基于Smart3D算法，從最終空三特征點點云的角度可以提供一個控制間隔，建議值是按每隔20000～40000個像素布設(shè)一個控制點，其中有差分POS數(shù)據(jù)（相對較精確的初始值）的可以放寬到40000個像素，沒有差分POS數(shù)據(jù)的至少20000個像素布設(shè)一個控制點。同時也要根據(jù)每個任務(wù)的實際地形地物條件靈活應(yīng)用，如地形起伏異常較大的、大面積植被及面狀水域特征點非常少的，需要酌情增加控制點?？刂泣c測量采取附合導(dǎo)線測量方式，獲取高精度位置信息。

　　3.2應(yīng)急測繪保障

　　發(fā)生地震、山體滑坡、泥石流等自然災(zāi)害后，為及時獲取災(zāi)區(qū)可量測三維數(shù)據(jù)，不能按照傳統(tǒng)的作業(yè)方式進行控制測量，可通過在Google地圖讀取坐標、手持GPS測量、RTK測量等方式快速獲取災(zāi)區(qū)少量控制點，生成災(zāi)區(qū)真三維模型，為災(zāi)后救援提供幫助。

　　3.3點位選擇要求

　　影像控制點的目標影像應(yīng)清晰，選擇在易于識別的細小現(xiàn)狀地物交點、明顯地物拐角點等位置固定且便于量測的地方。條件具備時，可以先制作外業(yè)控制點的標志點，一般選擇白色（或者紅色）油漆畫十字形標志，并在航攝飛行之前試飛幾張影像，確保十字標志能在傾斜影像上正確辨識。控制點測量完成后，要及時制作控制點點位分布略圖、控制點點位信息表，準確描述每個控制點的方位和位置信息，便于內(nèi)業(yè)刺點使用。

　　4空中三角測量

　　以Smart3DCapture自動建模系統(tǒng)為例，講解空中三角測量的相關(guān)要求。

　　4.1像片刺點

　　將野外測量的控制點信息，按照實際位置刺到自動建模系統(tǒng)中，這個工作叫做像片刺點。刺點位置一般是十字交叉的中心、直線的左右角點或直角的內(nèi)角點，如斑馬線的左右角點，根據(jù)影像分辨率和斑馬線的寬度，估算角點所占的像素，把影像縮放到合適的大小完成刺點。

　　4.2空三計算

　　該系統(tǒng)中空三計算是自動完成，采用光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差方法進行。即以一張像片組成的一束光線作為一個平差單元，以中心投影的共線方程作為平差單元的基礎(chǔ)方程，通過各光線束在空間的旋轉(zhuǎn)和平移，使模型之間的公共光線實現(xiàn)最佳交會，將整體區(qū)域最佳地嵌入到控制點坐標系中，從而恢復(fù)地物間的空間位置關(guān)系。

　　4.3空三精度

　　在《數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范》中，對相對定向中像片連接點數(shù)量和誤差有明確的規(guī)定，但在無人機傾斜攝影空三中沒有相對定向的信息，單個連接點的精度指標也未體現(xiàn)，不能完全照傳統(tǒng)空三那樣去挑粗差點，可以從像方和物方兩個方面來綜合評價空三的精度。物方的精度評定比較常用，就是對比加密點與檢查點（多余像片控制點，不參與平差）的坐標差;像方的精度評定，通過影像匹配點的反投影中誤差來進行控制?？杖Ｒ?guī)的精度指標只能表現(xiàn)整體的精度范圍，卻不能看到局部的精度問題，通過外方位元素標準偏差更能全面的表現(xiàn)。通俗來講，空三運算的質(zhì)量指標包括：是否丟片，丟的是否合理;連接點是否正確，是否存在分層、斷層、錯位;檢查點誤差、像控點殘差、連接點誤差是否在限差以內(nèi)。

　　5三維模型質(zhì)量

　　無人機傾斜攝影測量技術(shù)能夠提供三維點云、三維模型、真正射影像（TDOM）、數(shù)字表面模型（DSM）等多種成果形式，其中三維模型具備真實、細致、具體的特點，通常稱為真三維模型?？梢詫⑦@種實景三維模型當做一種新的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)來進行精度評定，包括位置精度、幾何精度和紋理精度3個方面。

　　5.1位置精度

　　三維模型的位置精度評定跟空三的物方精度評定有類似之處，通過比對加密點和檢查點的精度進行衡量。在控制點周邊比較平坦的區(qū)域，精度比對容易進行;在房角、墻線、陡坎等幾何特征變化大的地方，模型上的采點誤差比較大，精度衡量可靠性降低，可以聯(lián)合影像作業(yè)，得到最終的成果矢量或模型數(shù)據(jù)再進行比對。

　　5.2幾何精度

　　傳統(tǒng)手工建?？梢宰杂稍O(shè)計地物的幾何形狀，而真三維自動化建模，影像重疊度越大的地方地物要素信息越全，三維模型的幾何特征就越完整。反之，影像重疊度不夠可能出現(xiàn)破面、漏面、漏縫、懸空、樓底和房檐拉花等情況，影響地物幾何信息的完整表達。這種屬于原理性問題，無法完全避免，可以按照下面的方法進行評定。在三維模型瀏覽軟件中參照航拍角度固定瀏覽視角，同時拉伸到與實際分辨率相符的高度去查看模型，看不出明顯的變形、拉花即可判定為合格，反之為不合格。

　　5.3紋理精度

　　真三維建模完全依靠計算機來自動匹配地物的紋理信息，由于原始影像質(zhì)量不同，導(dǎo)致匹配結(jié)果可能存在色彩不一致、明暗度不一致、紋理不清晰等情況。要提高紋理精度就必須提高參加匹配的影像質(zhì)量，剔除存在云霧遮擋覆蓋、鏡頭反光、地物陰影、大面積相似紋理、分辨率變化異常等問題像片，提高匹配計算的準確度。

　　6結(jié)語

　　隨著我國科技和經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，無人機傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用也更加廣泛。討論和制定無人機傾斜攝影測量的技術(shù)標準將極大促進這項技術(shù)的規(guī)范應(yīng)用，更好地為國家建設(shè)服務(wù)。目前，文中僅提出了一些想法，還需在今后的工作中繼續(xù)學(xué)習(xí)、實踐、改進。