新时代美丽乡村建设无人机倾斜摄影测量技术应用研究＊

2021-09-03周美川张宝鹏赵玉霞

甘肃科技 2021年14期

周美川，张宝鹏，赵玉霞

（甘肃建筑职业技术学院，甘肃兰州 730050）

1 概述

美丽乡村建设是乡村振兴战略的重要内容之一，美丽乡村建设的重点是乡村规划、乡村建设、生态保护和经济发展。利用倾斜摄影测量技术建立乡村实景三维模型，可快速、精准、可量测和直观的服务于乡村规划与建设、村容村貌建设、环境保护和产业发展，推动美丽乡村建设。

2 倾斜摄影测量技术

倾斜摄影测量技术是在无人或载人飞行器上搭载相机和GNSS，相机通过机载平台从一个垂直（俯视）视角、多个倾斜（30°～50°）视角拍摄照片，并在拍照的同时利用机载GNSS 采集相机的空中位置。飞行作业结束后，下载照片和照片对应POS 数据,然后将下载的数据导入航空摄影测量软件进行数据处理，得到实景三维模型。倾斜摄影测量按照平台可分为载人机倾斜摄影测量和无人机倾斜摄影测量。载人机倾斜摄影测量作业时间长、效率高、精度高，适合大区域作业，缺点是对成本、空域要求、人员和设备都要求较高。无人机倾斜摄影测量作业时间短、成本低、对设备和人员要求低，适合小区域作业、安全性高，缺点是相机有畸变、飞行姿态受风等因素影响较大、作业效率相对较低。

3 无人机倾斜摄影测量系统的选择

无人机的类型很多，目前我国倾斜摄影测量无人机系统发展的很快，硬件和软件都得到了长足的发展，多旋翼无人机在航时和性能方面有较大的发展，具有操作简单、安全性高、携带便捷和性价比高的优势，例如大疆经纬M300RTK 无人机，空机重仅3.6kg，最大航时达到55min、最大负载2.7kg，具备自动避障；飞马E2000，整机重仅2.8kg，最大航时达到60min；南方测绘公司整机重仅5kg（含标准倾斜挂载），最大航时达到60min 以上；类似高性能长航时国产多旋翼无人机品牌还很多。固定翼无人机在航时和性能方面也有较大的发展，特别是垂直起降技术的采用，降低了起降操控难度，降低了固定翼无人机对起降场地的要求，增强了飞行的安全性。

任务载荷也是无人机倾斜摄影测量系统的重要组成部分，无人机倾斜摄影测量主要的任务载荷为光学相机，相机可分为量测相机和非量测相机，量测相机畸变小、内方位已知，测量精度高，但价格昂贵。非量测相机即民用普通相机，有畸变、内方位未知，但价格低廉，常见的有单反相机和微单相机，常见的品牌有索尼、佳能和尼康。无人机倾斜摄影测量通常采用多镜头集合的倾斜航空摄影相机采集影像，目前国内外有很多厂家都推出多镜头集合的倾斜航空摄影相机产品，如三镜头、五镜头倾斜摄影相机。无人机倾斜摄影测量也可采用单相机，通过改变相机角度，多架次采集影像。

测区范围较大时宜选择固定翼无人机搭载多镜头倾斜摄影相机，测区较小时宜采用多旋翼无人机搭载多镜头倾斜摄影相机；当任务测区小于1km2时，可采用单相机无人机多架次，多角度采集影像。

4 无人机倾斜摄影测量在甘肃某行政村实践

以甘肃某行政村的居住区成果地面分辨率为0.02m。

4.1 测区概况

某行政村位于甘肃，总土地面积10km2，属于典型的山区贫困村，自然条件极差，有耕地6300 余亩，其中山地5800 亩，川地500 亩，研究实践以该村居住区为测区，测区中心坐标为东经107°17′16″，北纬35°47′16″，平均海拔1410m，测区范围约为0.1km2。

4.2 航摄参数

考虑到测区较小，采用多旋翼DJI 大疆精灵Phantom4Pro 无人机，安全便捷。大疆精灵Phantom4Pro 无人机机身尺寸330×225mm×405mm，重量4.710Kg，最大航行时间25～30min，相机配备1 英寸2000 万像素CMOS 传感器，焦距8.8mm；飞行相对地面高度110m，地面精度0.03m，航向重叠度设置为80%，旁向重叠度设置为60%,其他参数详见表1～3。共获取855 张照片，照片清晰度良好，色彩和亮度均匀、适中。测区布设像控点5 个，点位均匀分布测区四周4 个，测区中间1 个，均匀分布；另外在测区均匀布置检查点8 个。采用“南方测绘银河1”GNSS 千寻网络RTK 采集像控点和检查点地理位置信息。

表1 相机参数

表2 正射参数计算

表3 倾斜参数计算

4.3 三维模型构建

通过contextcapture 软件进行三维模型构建，第一步数据准备，整理好照片、pos 信息和控制点信息；第二步空三测量，得出相片外方位元素和加密控制点坐标；第三步，空三检查，通过查看典型地物是否有分层等异常情况，并检查像控点误差，分析空三测量的成果质量；第四步刺相控点，在相片中找到像控点刺点，刺完后检查刺点的精度；第五步三维模型重建，合理选择瓦块大小，软件自动化进行三维模型重建；第六步产品生产，根据格式和质量要求完成三维模型产品生产。

4.4 三维模型精度分析

为客观评价三维模型精度，根据《低空数字航空摄影测量内业规范》CH/Z 3003-2010，对于1:500比例尺模型，地物点平面位置中误差平原不超过0.6m，山地不超过0.8m；地物点高程中误差，平原注记点不超过0.5m，山地不超过0.7m。对控制点C1至C5，检查点J1 至J8 采用公式（1）计算平面位置误差，采用公式（2）计算平面位置中误差，从表4 结果可知，其测量精度符合《低空数字航空摄影测量内业规范》CH/Z 3003-2010 数字正射影像图的地物点对附近野外控制点的平面位置中误差要求。

表4 平面位置中误差

5 三维实景模型在美丽乡村建设中的应用

基于倾斜摄影测量的三维实景模型在美丽乡村建设中用途广泛，可以展示乡村样貌、展示乡村设计方案、展示乡村环境状态等，助力产业发展，推动乡村管理高效化、精准化和直观化。

5.1 基于倾斜摄影测量的三维实景模型在乡村规划中的应用

乡村规划可依据三维实景模型利用软件如北京山维科技股份有限公司EPS 等，快速高效绘制地形图。同时三维实景模型中丰富的数据支撑，可进行乡村空间分析、乡村风貌规划、环境规划和产业规划，有效解决美丽乡村规划中资料少、数据缺乏的现象。

5.2 基于倾斜摄影测量的三维实景模型在乡村环境保护中的应用

传统乡村环境保护时，往往派人到村里全域巡查，耗时费力，效率低、时效性差。基于倾斜摄影测量的三维实景模型可快速高效判读污染源和垃圾点，并标注其坐标位置、体积或面积，省时省力。在乡村管理中利用无人机倾斜摄影测量，可实现三边一部区域环境检视，落实户内五净一规范行动，着力改善农村人居环境。

5.3 基于倾斜摄影测量的三维实景模型的农村房地一体测量应用

农村房地一体测量要求的精度较高，传统农村房地一体测量主要是依靠全站仪和RTK 单点测量，逐点测量，速度慢，有时房屋业主不在进不了院子无法测量，工作效率低，成本高。基于倾斜摄影测量的三维实景模型的农村房地一体测量依据三维实景模型可准确地采集房屋、围墙等位置信息和层数、结构形式等房屋属性信息，减少内外业的工作量，提高工作效率，降低成本。