无人机倾斜摄影测量技术及其应用

彭海涛

摘要：无人机倾斜摄影作为一种先进的影像获取手段，正在应用于各个行业及领域之中。其中无人机倾斜摄影测量技术的要求最为复杂，无论是在地面分辨率、航摄参数设置、镜头相机参数的要求上，还是获取影像后的模型建立与数据采编上，都应遵循一定的规则。

关键词：无人机;倾斜摄影;测量技术;应用

1 无人机倾斜摄影技术

无人机倾斜摄影技术是指通过利用多角度相机，来采集地面物体不同角度及不同高度的影像，凭借其高分辨率的航测影像技术，将具有丰富的地理信息数据，通过三维建模的方式来呈现真实场景的技术。

其技术路线是利用倾斜摄影系统，结合无人机的快速便捷的采集能力，将采集的数据快速生成三维模型。其中倾斜摄影系统共分为三大部分：一是飞行平台，包括小型飞机或无人机;二是航飞操作人员;三是仪器部分，包括传感器（相机、GPS定位装置）和姿态定位系统。本文将对此技术路线的无人机硬件、飞行控制软件、数据处理系统进行详述。

2 无人机低空摄影

2.1 试验数据介绍

试验区为灵武市上元名城小区，范围大约为1000m2，有高层建筑，地势总体较为平坦，拍摄当天天气晴朗，植被遮挡较少，适宜拍照。

根据测区实际情况，相对航高设计为160m，地面采样间隔0.09m，航向和旁向重叠度均为70%。在完成地面站设置工作后，完成起飞工作，驾驶员操纵操作杆控制飞机起飞，地面站同时监视飞机的姿态、飞速、航高、以及坐标位置，拍摄得到不同角度的影像。

2.2 像控点布设

控制点布设均匀地覆盖在整个测区，标志清晰可见，方便像片刺点。试验布设12个像控点，所有像控点皆为平高点。采用GPS静态进行测量。试验坐标系统采用西安独立坐标系统。

2.3 数据处理关键技术方法

通过ContextCapture软件对倾斜影像进行了处理，ContextCapture具有较高的自动化程度，无需过多的人工干预，且运行过程稳定。

数据处理关键技术流程如下：

2.3.1 多视影像匹配

影像匹配主要通过SIFI特征匹配算法建立不同像片之间的联系，获取大量同名点用于后续的空中三角测量。SIFI特征匹配算法具有运算速度快、抗噪能力强等优点，其可分为3个步骤：①检测图像;②生成SIFI特征描述符;③SIFI特征向量匹配。

2.3.2 空中三角测量

空中三角测量是倾斜摄影测量的核心步骤，通过前方交会和后方交会，利用区域内均匀分布的少量的控制点坐标，求解未知点坐标和影像的外方位元素，得到加密点的高程和平面位置，用于模型的绝对定向和后续产品的生成。目前无人机倾斜摄影测量内业数据处理多采用光束法区域网联合平差，其利用2种不同观测手段得到的数据进行平差，将GPS/IMU的初始信息，即像片的POS姿态数据作为外方位元素的初始值和控制点坐标数据联合进行平差。

光束法区域网平差是以一张拍摄像片的一束光线作为平差基本单元，平差过程以共线方程作为平差的数学模型，以相邻像片公共点对相交且坐标相等、外业测量控制点与内业像片标定控制点坐标相等为平差条件，列出已知控制点和待定加密点的误差方程，进行平差计算，求解出每张像片的外方位元素，然后前方交会求出加密点地面坐标。具体流程是将倾斜影像带有的POS数据作为初始外方位元素，然后通过自动选点、自动相对定向、构建自由航带网等技术实现相对空中三角测量，之后通过控制点的半自动量测，加入控制点。通过光束法区域网联合平差实现绝对空中三角测量，并将整个模型纳入到指定的坐标系统中。

2.3.3 多视影像密集匹配技术

密集匹配是倾斜摄影测量三维建模的关键技术之一，其目的是生成密集点云数据，在航带重建完成之后，根据空中三角测量解算的外方位元素构建立体相对，使用多视影像匹配技术生产密集点云。相比传统单一视角的立体匹配，多视影像匹配有2个优势：①多角度拍摄会产生大量的冗余信息，可用于矫正错误匹配信息，进而得到高精度的点云数据;②多视角拍摄能够减少拍摄盲区，尽可能实现全方位的模型特征重建。

2.3.4 构建不规则三角网

在生成密集点云的基础上，通过构建不规则三角网实现每一个地物模型的重建，是实景三维建模的关键步骤之一。像片的重叠度和地物的复杂程度影响着三角网的构建密度，像片重叠度越高，三角网的构建越是密集;地物越复杂，就需要更加复杂和密集的三角网去反映地物的特征信息。

2.3.5 纹理映射

完成模型的初步重建之后，需要进行模型的贴图工作，实现二维空间和三维物体表面之间一一对应的关系，得到符合真实色彩的三维模型。倾斜摄影测量能够获取地物多个角度的影像，在众多影像中选取最优的目标影像是纹理映射技术的关键，可通过计算每一个不规则三角网和对应影像区域的几何关系实现三角网和目标影像的配准，之后将配准好的纹理贴图到不规则三角网上，完成纹理映射。

2.3.6 核线重采样

根据空三解算的外方位元素获得核线影像，核线影像不仅能够达到立体视觉效果，而且能够增加同名像点搜索的速度。核线重采样就是找到核线影像原始影像的坐标变换关系，此时原始影像坐标可能在几个像元之间，就需要对原始影像进行重采样得到核线影像的灰度值。常用的重采样方法有双线性内插法、最邻近像元、立方卷积等方法。

3 应用实例

测区位于灵武市生态纺织园产业工人保障房，测区占地面积为30万m2。依据作业需求，需要建立测区三维实景模型，并绘制符合精度要求的1∶500数字线划地图。作业采用中海达D6无人机搭载中海达miniQ5倾斜相机进行航摄工作，飞行高度设为100m。采用宾得R422NM全站仪进行平面精度检验，采用天宝DiNi03型水准仪进行高程精度检验。

测区共计布设像控点8个，精度检查点20个，单体建筑空间精度检查点10组。利用ContextCapture进行影像匹配及模型建立工作。利用清华山维EPS进行数字线划图的制作。（1）模型中检查点平面误差最大值达到0.110m，平均值为0.072m，检查点的平面中误差为0.074m，小于GB/T23236-2009《数字航空摄影测量空中三角测量规范》对于平地环境下1：500测图比例尺平面检查点最大限值应小于0.175m的要求。（2）模型中检查点高程误差最大值达到0.265m，平均值0.079m，检查点高程中误差为0.095m，小于GB/T23236-2009《数字航空摄影测量空中三角测量规范》对于平地环境下1：500测图比例尺高程检查点最大限值应小于0.15m的要求。（3）测区模型精度已达到测绘级精度，可以在测绘领域中应用。

4 结语

文中通过完整的技术流程及检验流程，将无人机倾斜摄影测量的基本要求及航摄方法进行了研究，得出以下结论：（1）无人机倾斜摄影测量技术在一定领域可以替代传统测绘方法，在保证精度的同时，提高了作业效率，降低了人力资源的投入与项目成本的投入，使测绘成果可视化、数字化。（2）随着无人机技术的发展，搭载更为高级的传感器进行飞行作业可以获取更为丰富的数据信息，将会进一步拓展无人机测量技术的应用领域。（3）无人机倾斜攝影测量技术在完善的航摄方案的支持下，可以对地物的表面纹理信息进行全面的采集，通过重叠影像特征点匹配法建立的模型满足1：500数字线划地图制作的基本要求。

参考文献：

[1]张志强.基于测绘发展现状的工程测绘技术应用分析[J].科技创新与应用，2018（33）：287-287.

[2]王宗华.浅析无人机在城市规划测量中的运用[J].中华民居（下旬刊），2018（10）：259-260.