探讨无人机倾斜摄影测量的关键技术及应用领域

高哲

（中海石油技术检测有限公司，天津300453）

1 无人机倾斜摄影测量基本原理

无人机倾斜摄影技术，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机上搭载多台摄影仪传感器，同时，从下视、前视、后视、左视、右视，配合惯导系统获取高精度的多视影像信息，并通过专业软件对多视影像信息进行自动空三、密集匹配、DSM生成与TDOM纠正或三维建模等，将用户引入符合人眼视觉的真实直观世界[1]。

2 无人机倾斜摄影测量的关键技术

2.1 摄影测量数据获取的关键

2.1.1 相机检校

非量测相机的畸变差一般比较大，在拍摄前应进行较为严格的相机检校，以恢复影像光束的正确形状，即通过检校获取相机的内方位元素和镜头畸变参数。相机检校内容包括：像主点的框标坐标（x，y）的测定、相机主距f和畸变系数k的测定。

2.1.2 航摄技术参数与数据传输设置

依据飞行任务和现行规范的相关规定，首先取得空域审批，然后对航摄技术参数进行设置，具体设置包括：航高、像片重叠度、航线参数等。

飞控系统采用数据传输存储技术进行输送，主要包括2个方面：（1）传输无人机与航摄传感器的飞行参数，以实现无人机飞行高度、方位、距离、航向、航迹、飞行姿态的测量和实时显示，执行地面操控人员的控制指令[2]；（2）传输无人机获取的影像数据并保存备份，以供后期数据处理与分析利用。

2.1.3 飞行质量与影像质量检查

飞行质量和影像质量决定了最终生成测绘产品的精度，因此，对飞行与影像质量检查尤为重要。具体包括：（1）飞行质量检查，包括航向重叠度、旁向重叠度、像片倾角与旋偏角、航线弯曲度、航带航高之差；（2）影像质量检查，包括影像是否清晰、色调是否一致、层次是否鲜明、反差是否适中；影像是否有重影、不清晰和位置偏移等情况；影像是否有阴影、大范围反光、蒙蔽等突出问题；是否影响DSM及4D产品生成。

2.2 摄影测量数据处理的关键

无人机倾斜摄影测量获取的多视影像数据，不仅包括垂直摄影数据，还包括4个方向的倾斜摄影数据。进行无人机倾斜摄影测量数据的处理，需要很好地处理倾斜摄影数据，而传统的空中三角测量软件又无法很好地处理倾斜摄影数据，因此，无人机倾斜摄影测量数据处理需要解决4大关键技术：多视影像的联合平差、多视影像的密集匹配、数字表面模型（DSM）生成和真正射影像（TDOM）纠正。主要技术流程如图1所示。

图1 无人机倾斜摄影测量数据处理技术流程

2.2.1 多视影像联合平差

输入多视影像→影像连接点匹配→匹配粗差检测/构建自由网→输入地面控制数据/区域网平差，关键注意3点：（1）SIFT特征提取算法实现尺度空间的建立与特征点定位匹配；（2）结合POS系统提供的多视影像外方位元素，采取DOG金字塔匹配策略，在每级影像上进行同名点自动匹配、构建自由网；（3）建立连接点和连接线、控制点坐标以及POS数据的多视影像自检校区域网平差的误差方程[3]。

2.2.2 多视影像密集匹配

基于计算机视觉发展起来的多基元、多视影像匹配，充分利用多视影像中的冗余信息，快速准确地获取多视影像上的同名点坐标，进而获取地物的三维信息；以多视影像中不同视角的二维特征为基础，补充盲区的地物特征，通过重构可以转化为三维特征。

2.2.3 数字表面模型（DSM）生成

通过多视影像密集匹配方法，可生成高精度高分辨率的数字表面模型，完整地表现出地形地物的表面特征。

2.2.4真正射影像（TDOM）纠正

同时纠正物方与像方，是多视影像真正射纠正的2个重点内容。其中，物方为连续的数字高程模型DEM、大量离散分布且立度差异很大的地物对象；而像方则为海量的多视影像。

2.2.5 三维建模

在获取高密度DSM数据后，进行滤波处理，并将不同匹配单元进行融合，生产出具有真实景观的超高密度点云DSM数据，再同真正射影像TDOM纠正处理后，把高分辨率的纹理映射到具有真实景观的DSM表面，生成初级的三维模型。初级三维模型经模型软件精细化修改后，就生成了具有真实纹理、效果逼真的真三维实景模型。

3 无人机倾斜摄影测量的几个应用领域

人机倾斜摄影测量的几个应用领域包括：

1）公共安全。快速建立的三维场景模型，给预案和安保部署、警力分配甚至狙击手位置的分析等提供基础。

2）应急救援。通过倾斜快速建模，指挥决策人员迅速得到事故地现场全貌，有助于制定完备的救援计划。

3）智慧城管。通过城市模型的定期更新和无人机航飞定期检查违章建筑情况，辅助城市违建管理工作。

4）智慧旅游。利用倾斜摄影构建的景区实景三维模型，配合VR等设备获得沉浸式体验。

5）城市规划。准确分析城市天际线、日照等指数，辅助决策城市规划工作。快速建立起的三维场景模型，给预案和安保部署、警力分配甚至狙击手位置的分析等提供基础。

6）智慧水利。实现水利设施与地形无缝结合，将各类动态信息、复杂关系及时准确地表达出来。

4 结语

无人机倾斜摄影测量技术能从一个垂直、多个倾斜角度同时采集影像，弥补了正射影像不能反映地表真实三维景观的缺陷，显著提高了快速三维建模的速度。无人机飞行质量、多视影像质量、像片控制点精度、联合平差精度（空三加密精度）等，对改善提高利用无人机倾斜摄影测量技术生成DEM、DOM、DLG、DRG及3D模型的精度至关重要。