基于消费级无人机倾斜影像的三维测图技术探讨

吴献文，张 鹏，曾 琳

(1. 广东工贸职业技术学院，广东 广州 510510； 2. 中测科技(广州)有限公司，广东 广州 510700)

倾斜摄影技术是目前测绘遥感领域新兴发展的一项高新技术，融合了传统的航空摄影、近景摄影测量、计算机视觉技术[1]，突破了正射影像成果不得不从航空垂直地面的角度摄影获取的限制[2]，可以在飞行平台同时搭载多台传感器，同时从垂直、前视、后视、左视、右视共5个角度采集影像[3]，获取地形地貌完整与精确信息。

但是，目前采集倾斜影像的设备主要为五镜头合成相机，飞行平台是体积相对较大的无人机机型，不但价格昂贵，而且操控复杂、飞行风险较大，难以普及应用。消费级无人机的出现与普及，为倾斜影像采集与三维模型构建，并应用于大比例尺三维测图带来良好的契机。

1 实景三维测图技术流程

利用倾斜影像进行三维测图技术主要包括数据采集(影像采集、像控点测量)、空中三角测量、多视影像密集点匹配、数字表面模型数据生成、纹理贴合、实景三维建模、三维测图及外业调绘与补测等步骤[4]。其中，最关键步骤是通过空中三角测量解算出像片的外方位元素[5]，在此基础上，通过多视影像密集匹配算法获得点云，并纹理贴合生成三维模型，最后进行三维测图[6]。三维测图技术流程如图1所示。

2 实例分析

本文试验实例为广东某糖厂计划拆迁的厂区1∶500地形图测量，范围约500 m×400 m，面积约0.2 km2。

2.1 消费级无人机倾斜影像采集系统

目前用于测绘的无人机种类众多，有固定翼无人机、旋翼无人机和复合翼无人机等多种机型，具有不同特点及其适用领域[7]。多旋翼无人机起降、飞行速度与高度可操控性高，且可低空飞行，适合用于倾斜摄影数据获取。本文试验选用四旋翼无人机DJI Phantom 4pro。

DJI Phantom 4pro无人机由飞行器、云台相机、遥控器及安装飞控软件的平板电脑(或智能手机)组成[8]，其主要技术参数见表1。

表1 DJI Phantom 4pro主要技术参数

2.2 数据采集

2.2.1 地面像控点布设

航空摄影之前，在试验区域进行像控点布设与测量，用于内业空中三角测量解算及三维模型精度检验。在试验区域内选择道路边线或中线交叉点、道路标记线等作为像控点，采用GNSS RTK测量方法测出其坐标，为了满足试验要求，测量精度须达到厘米级。本次试验共测量15个像控点，其中10个像控点成果用于空中三角测量解算，另外5个像控点成果用于三维模型精度验证，如图2所示。

2.2.2 航线设计与无人机影像采集

试验采用研究团队基于DJI-SDK自主开发的无人机地面控制软件进行航线设计。飞行前在飞行控制软件上规划航拍区域，设定飞行高度、优化计算与否、相机倾角及影像重叠度等参数[9]，根据优化算法软件自动生成1次正射和2次倾斜摄影的优化飞行规划航线，并自动预估航时，根据需要智能续飞(如图3所示)。本次试验航飞相对高度100 m，地面分辨率2.99 cm，旁向重叠度75%，航向重叠度80%，共采集1533张影像。

DJI Phantom 4pro无人机只有一个镜头，为了实现跟专业五镜头相似的效果，需要由软件控制调动镜头角度，垂直、前、后、左、右分别对建筑物航拍5遍，实现倾斜摄影数据采集。以厂房所在的烟囱为中心示意，垂直向下镜头采集影像与倾斜角度采集影像数据对比如图4所示。

2.3 全自动快速三维模型构建

倾斜摄影测量技术通常包括影像预处理、空中三角测量、多视影像匹配、DSM生成、真正射纠正和三维建模等关键内容[10-11]。本次试验三维模型构建采用ContextCapture软件，将获取到的符合建模要求重叠度的航空影像进行预处理，并导入ContextCapture软件，均匀挑选出一定数量的野外控制点，软件则自动匹配运算，进行三维模型生产。

2.3.1 空中三角测量

在ContextCapture自动建模系统中加载测区影像，人工给定一定数量的控制点，软件空中三角测量中的平差方法采用光束法区域网平差，其原理是以一张像片的一束光线作为平差单元，以中心投影共线方程作为基础方程，通过计算各光束在空间中转换参数[12]，实现各模型间公共光线的最佳交会，把整体区域纳入地面坐标系中，恢复地物空间位置关系[13]。空中三角测量结果如图5所示。

2.3.2 影像密集匹配

软件采用高精度密集匹配技术，对所有影像中同名点进行自动匹配。为了更加精确表达地形地物细节，提取更多特征点构成密集点云。地形地物越复杂、越密集的地方，点密度越高；反之，则相对稀疏。

2.3.3 纹理映射

通过空中三角测量解算和影像密集匹配后，所有影像之间的点云可计算构成三角格网TIN，再由三角格网TIN构成白模型，软件从影像中提取相对应纹理，并将纹理自动映射到对应的白模型上，形成实景三维模型，如图6所示。

2.4 三维测图

本文试验采用SV360智能三维测图系统进行地形图测量。SV360操作简便，建立工程项目，导入三维模型后，设置相应的参数，由作业员在三维模型基础上进行点、线、面采集，按要求设定图层并赋属性信息，如图7所示。内业采集编辑完成后，还需对未能确认的属性与遮挡部分等内容进行外业调绘与补测。

2.5 精度分析

成果完成后，主要采用人机交互检查方式对试验区域的测图成果进行质量检查，本文试验主要对平面精度进行检查。

(1) 实景三维模型精度验证。实景三维模型生产完毕后，将未参与空中三角测量的像控点作为模型检核点，检查三维模型精度[14]，最终检查结果为：X方向平均误差为0.006 9 m，Y方向平均误差为0.004 5 m，达到试验精度要求。

(2) 测图成果精度验证。选取建(构)筑、道路、附属设施等地物要素，采用GNSS RTK测量方法实地采集检查点坐标，与测图成果进行比较，经符合要求的粗差剔除后，最终检查结果为：平面中误差为±0.065 4 m，成果满足《CH/T 9008.1—2010基础地理信息数字成果1∶500、1∶1000、1∶2000数字线划图》中1∶500地形图精度要求。

3 结 语

本文试验采用消费级无人机倾斜摄影测量技术，充分利用了倾斜摄影技术的自动化空中三角测量与快速建模优势[15]，短时间内生产出高质量、高精度三维模型，并以此为基础进行了1∶500地形图测量工作，技术路线可行，产品精度符合相关标准规范要求。此方法改变了以往测图技术方法，将全野外工作转变为主要内业加部分外业调绘，大大减少野外工作量，数据采集更自主、更高效。实景三维测图技术整体效率预期优于传统测绘方式，特别是采用价格低廉、操控简便的消费无人机作为影像数据采集平台，具有推广普及意义。