無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

摘要： 無人機(jī)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(biāo)準(zhǔn)對任務(wù)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，這在一定程度上限制了無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。

本文針對無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的現(xiàn)狀，對從航攝準(zhǔn)備（ 硬件） 到數(shù)據(jù)處理應(yīng)用（ 軟件） 整個(gè)作業(yè)流程的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了論述，為無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的從業(yè)人員提供一些參考。

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，傾斜攝影技術(shù)三維數(shù)據(jù)可真實(shí)反映地物的外觀、位置、高度等屬性; 借助無人機(jī)，可快速采集影像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)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(shí)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(rèn)可和應(yīng)用，但針對無人機(jī)傾斜攝影的國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)一直沒有明確，這就給無人機(jī)傾斜攝影工作帶來一定困擾。

本文結(jié)合實(shí)際工作和學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，對無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行初步的探討。

1.無人機(jī)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(tái)搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從垂直、側(cè)視等不同的角度采集影像，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)航空攝影的局限。那么，無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)可以定義為： 以無人機(jī)為飛行平臺(tái)，以傾斜攝影相機(jī)為任務(wù)設(shè)備的航空影像獲取系統(tǒng)。

1．1 飛行平臺(tái)的性能要求

目前，市場上無人機(jī)的種類繁多，按照動(dòng)力系統(tǒng)可以區(qū)分為內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力和電池動(dòng)力; 從飛行實(shí)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(tái)自身的振動(dòng)問題，在成像質(zhì)量上電池動(dòng)力優(yōu)于內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力; 在作業(yè)效率和續(xù)航時(shí)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(jī)用途不同，其性能標(biāo)準(zhǔn)也不一樣。測繪型無人機(jī)對飛行標(biāo)準(zhǔn)要求更高，可以在載重、巡航速度、實(shí)用升限、續(xù)航時(shí)間、安全性和抗風(fēng)等級(jí)等方面做出限定。

例如：

①無人機(jī)最低載重 2 kg;

②多旋翼巡航速度大于 6 m / s，固定翼無人機(jī)巡航速度大于10 m / s;

③電池動(dòng)力續(xù)航時(shí)間大于 25 min，內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力續(xù)航時(shí)間大于 1 h;

④抗風(fēng)性要求不低于 4 級(jí)風(fēng)速;

⑤無人機(jī)實(shí)用升限能達(dá)到 1000 m 以上，海拔高度不低于 3000 m。

1．2 傾斜相機(jī)的性能要求

在《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》（ CH /Z 3005—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(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(jī)不再限定相機(jī)鏡頭的數(shù)量。傾斜相機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)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(jī)及可以調(diào)整相機(jī)拍攝角度的單相機(jī)系統(tǒng)。在無人機(jī)航測標(biāo)準(zhǔn)中，要求航測相機(jī)像素不低于 3500萬，在傾斜攝影中可以不對單一相機(jī)的像素進(jìn)行限定，而對一次曝光獲取的影像像素進(jìn)行控制。傾斜相機(jī)的性能要求可以從獲取影像能力、作業(yè)時(shí)間、曝光功能、續(xù)航時(shí)間、POS 記錄功能等方面做出限定。

例如：

①傾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(gè)鏡頭不低于2000 萬像素，一次曝光不低于 1 億像素;

②作業(yè)時(shí)間至少能滿足 90 min，最好具備全天候的作業(yè)能力;

③有定點(diǎn)曝光功能，確保影像重疊度滿足要求。

2.飛行航線的設(shè)計(jì)

2．1 航攝高度的確定

無人機(jī)傾斜攝影的飛行高度是航線設(shè)計(jì)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(jī)的性能，按照式（ 1） 計(jì)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(jī)傾斜攝影時(shí)，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(jìn)行介紹。

2．2．1 建筑稀少區(qū)域

考慮到無人機(jī)航攝時(shí)的俯仰、側(cè)傾影響，無人機(jī)傾斜攝影測量作業(yè)時(shí)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(jī)必須從該區(qū)域上空飛過。以兩棟建筑之間的區(qū)域?yàn)槔?，如果這兩棟建筑由于高度對這個(gè)區(qū)域能形成完全遮擋，而飛機(jī)沒有飛到該區(qū)域上空，那么無論增加多少相機(jī)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(yán)重。航線重疊度設(shè)計(jì)不足、航攝時(shí)沒有從相關(guān)建筑上空飛過，都會(huì)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(jì)為80% ～ 90%。當(dāng)高層建筑的高度大于航攝高度的1 /4 時(shí)，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(jìn)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(jìn)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(jìn)行航線設(shè)計(jì)時(shí)還要兼顧二者之間的平衡。

2．3 區(qū)域覆蓋設(shè)計(jì)

“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(jī)傾斜攝影時(shí)是明顯不夠的。理論上，需要目標(biāo)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(diǎn)觀測量一樣?？紤]到測區(qū)的高差等情況，可以按照式（ 2） 來計(jì)算航線外擴(kuò)的寬度L =H1×tan θ+ H2－H3 （ ） +L1 （ 2）式中，L 為外擴(kuò)距離; H1 為相對航高; θ 為相機(jī)傾斜角; H2 為攝影基準(zhǔn)面高度; H3 為測區(qū)邊緣最低點(diǎn)高度; L1 為半個(gè)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(biāo)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(diǎn)的布設(shè)方法有詳細(xì)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(diǎn)布設(shè)要求不適合應(yīng)用于高分辨率無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)。無人機(jī)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(jì)算的準(zhǔn)確度。

3．1 常規(guī)三維建模

基于ContextCapture （Smart3D）算法，從最終空三特征點(diǎn)點(diǎn)云的角度可 以 提 供 一 個(gè) 控 制 間 隔，建議值是按每隔20000 ～ 40000 個(gè)像素布設(shè)一個(gè)控制點(diǎn)，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(gè)像素，沒有差分 POS 數(shù)據(jù)的至少 20 000 個(gè)像素布設(shè)一個(gè)控制點(diǎn)。同時(shí)也要根據(jù)每個(gè)任務(wù)的實(shí)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(diǎn)非常少的，需要酌情增加控制點(diǎn)?？刂泣c(diǎn)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(shí)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(jìn)行控制測量，可通過在 Google 地圖讀取坐標(biāo)、手持 GPS 測量、RTK 測量等方式快速獲取災(zāi)區(qū)少量控制點(diǎn)，生成災(zāi)區(qū)真三維模型，為災(zāi)后救援提供幫助。

3．3 點(diǎn)位選擇要求

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

特別說明① 像點(diǎn)標(biāo)志

在整個(gè)像控布設(shè)環(huán)節(jié)，像控標(biāo)志類型、尺寸大小及和布設(shè)位置至關(guān)重要。①標(biāo)志的類型首先，從用途來說，像控點(diǎn)是模型成果坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的依據(jù)。其反映在技術(shù)流程上，外業(yè)中，需要實(shí)測標(biāo)志點(diǎn)平面坐標(biāo)和高程；內(nèi)業(yè)中，在空中三角測量環(huán)節(jié)，用于像片刺點(diǎn)。因此，像控標(biāo)志的識(shí)別度、反射光的程度、與周邊地物色差大小都是需考慮的。除了道路已有交通標(biāo)志線角點(diǎn)和明顯清晰線性地物交點(diǎn)，下圖是三類親測好用的標(biāo)志類型：

②標(biāo)志尺寸以無人機(jī)的空中視角來說，地面標(biāo)志相當(dāng)小，不同分辨率的照片對地面標(biāo)志的大小要求不同，經(jīng)實(shí)踐測試，地面分辨率2-3公分時(shí)，地面標(biāo)志宜在60cmX60cm以上的尺寸，在無人機(jī)拍攝的像片上才能清晰可見。③位置選擇以五鏡頭相機(jī)為例，其傾斜角度一般為45度，傾斜視線很容易被遮擋，除了大樹、高樓和途徑車輛，還會(huì)被高莖雜草、電力線所遮蓋，當(dāng)高空拍攝像片時(shí)，以像素為單位進(jìn)行處理，因此，在選擇點(diǎn)位時(shí)，需避開上述遮擋物。另外，為防止人為破壞，布設(shè)可移動(dòng)標(biāo)志時(shí)還需考慮盡量遠(yuǎn)離人為活動(dòng)頻繁區(qū)域。

特別說明② 布設(shè)流程

①像控預(yù)布設(shè)在項(xiàng)目準(zhǔn)備階段，需要對測區(qū)概況有所了解。通常借助衛(wèi)星圖進(jìn)行像控點(diǎn)位的預(yù)布設(shè)，秉持“角點(diǎn)布設(shè)，中間加密，均勻布設(shè)”的原則，設(shè)計(jì)像控點(diǎn)位。外業(yè)中，可通過手機(jī)定位實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)點(diǎn)位“放樣”。

②像控實(shí)地測設(shè)將預(yù)先布設(shè)的點(diǎn)位，放樣至實(shí)地，并于電子地圖標(biāo)記位置、拍攝照片作為點(diǎn)之記，以便后續(xù)查找、對照和檢查。坐標(biāo)采集多采用RTK獲取。

③點(diǎn)位補(bǔ)測在工程實(shí)際中，像控標(biāo)志被人為毀壞或遮蓋的情況屢見不鮮，因此需要做好事后點(diǎn)補(bǔ)測工作，保證該處有點(diǎn)，以便構(gòu)建區(qū)域網(wǎng)，達(dá)到控制誤差累積的效果。

④像控?cái)?shù)據(jù)檢查其一、檢查本地坐標(biāo)點(diǎn)位是否與已有地形圖坐標(biāo)系一致，相對位置關(guān)系是否正確。像控坐標(biāo)成果好壞至關(guān)重要，需及時(shí)檢查，以免坐標(biāo)系不符合要求或點(diǎn)位、點(diǎn)號(hào)錯(cuò)誤。 其二、檢查像片上是否清晰可見像控標(biāo)志。如像控標(biāo)志被遮蓋或毀壞的問題，可通過查看對應(yīng)位置像片，及時(shí)檢查出來，進(jìn)而提出外業(yè)補(bǔ)救方案。

⑤內(nèi)業(yè)刺點(diǎn)刺點(diǎn)，即在多視角、多幅像片上精確標(biāo)記出同名控制點(diǎn)的位置。后續(xù)通過空中三角測量解算，將整體坐標(biāo)糾正至本地坐標(biāo)系或其它平面坐標(biāo)系。刺點(diǎn)原則可概括為，“虛實(shí)結(jié)合像素點(diǎn)、不刺過曝像片、不刺像片邊緣”，盡量多鏡頭像片皆刺點(diǎn)。

4.空中三角測量

以ContextCapture （Smart3D）自動(dòng)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(diǎn)

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

4．2 空三計(jì)算

該系統(tǒng)中空三計(jì)算是自動(dòng)完成，采用光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差方法進(jìn)行。即以一張像片組成的一束光線作為一個(gè)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(shí)現(xiàn)最佳交會(huì)，將整體區(qū)域最佳地嵌入到控制點(diǎn)坐標(biāo)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(diǎn)數(shù)量和誤差有明確的規(guī)定，但在無人機(jī)傾斜攝影空三中沒有相對定向的信息，單個(gè)連接點(diǎn)的精度指標(biāo)也未體現(xiàn)，不能完全照傳統(tǒng)空三那樣去挑粗差點(diǎn)，可以從像方和物方兩個(gè)方面來綜合評(píng)價(jià)空三的精度。物方的精度評(píng)定比較常用，就是對比加密點(diǎn)與檢查點(diǎn)（ 多余像片控制點(diǎn)，不參與平差） 的坐標(biāo)差; 像方的精度評(píng)定，通過影像匹配點(diǎn)的反投影中誤差來進(jìn)行控制?？杖Ｒ?guī)的精度指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)偏差更能全面的表現(xiàn)。通俗來講，空三運(yùn)算的質(zhì)量指標(biāo)包括： 是否丟片，丟的是否合理; 連接點(diǎn)是否正確，是否存在分層、斷層、錯(cuò)位; 檢查點(diǎn)誤差、像控點(diǎn)殘差、連接點(diǎn)誤差是否在限差以內(nèi)。

5.三維模型質(zhì)量

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)能夠提供三維點(diǎn)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(shí)、細(xì)致、具體的特點(diǎn)，通常稱為真三維模型?？梢詫⑦@種實(shí)景三維模型當(dāng)做一種新的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)來進(jìn)行精度評(píng)定，包括位置精度、幾何精度和紋理精度 3 個(gè)方面。

5．1 位置精度

三維模型的位置精度評(píng)定跟空三的物方精度評(píng)定有類似之處，通過比對加密點(diǎn)和檢查點(diǎn)的精度進(jìn)行衡量。在控制點(diǎn)周邊比較平坦的區(qū)域，精度比對容易進(jìn)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(diǎn)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(jìn)行比對。

5．2 幾何精度

傳統(tǒng)手工建?？梢宰杂稍O(shè)計(jì)地物的幾何形狀，而真三維自動(dòng)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(dá)。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(jìn)行評(píng)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(shí)拉伸到與實(shí)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(jì)算機(jī)來自動(dòng)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(jì)算的準(zhǔn)確度。

6.結(jié) 語

隨著我國科技和經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，無人機(jī)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(jī)傾斜攝影測量的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)將極大促進(jìn)這項(xiàng)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(shí)踐、改進(jìn)。

審核編輯 ：李倩