摘要：傾斜攝影測量技術(shù)作為一個(gè)新興的測繪技術(shù)方法在三維建模工程中應(yīng)用廣泛，特別是在無人機(jī)技術(shù)逐漸發(fā)展成熟的當(dāng)下。我們基于飛馬F300無人機(jī)平臺(tái)，采用傾斜攝影測量技術(shù)生產(chǎn)大面積實(shí)景三維模型，實(shí)踐了無人機(jī)技術(shù)和實(shí)景三維建模軟件技術(shù)在大比例尺測繪工程中的具體應(yīng)用。用真實(shí)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了飛馬F300無人機(jī)測量系統(tǒng)的高效率和精度的可靠性。

關(guān)鍵詞：飛馬F300無人機(jī)、傾斜攝影測量、實(shí)景三維模型

0、引言

飛馬F300無人機(jī)一經(jīng)推出，就受到了廣大用戶的喜愛。尤其是其免像控技術(shù)的加持，讓航測外業(yè)省去了大量像控點(diǎn)布設(shè)和測量的麻煩，大大提高了航空攝影測量外業(yè)的工作效率。同時(shí)其還提供載荷的多種選擇，不但可以選擇正射相機(jī)，還可以選擇多鏡頭傾斜相機(jī)，這在輕型固定翼無人機(jī)中是首創(chuàng)。本文要討論的應(yīng)用，正是基于飛馬F300飛行平臺(tái)，搭載傾斜相機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測量^[1]外業(yè)航飛，并對(duì)獲取的影像進(jìn)行處理，經(jīng)過空三計(jì)算和模型重建來生產(chǎn)城市真實(shí)景三維模型^[2]。本項(xiàng)目采用布設(shè)稀少像控點(diǎn)的方案進(jìn)行工程的施測。

1、工程項(xiàng)目概述

1.1、項(xiàng)目基本情況

為推進(jìn)長嶺縣基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，促進(jìn)長嶺縣城市及經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我司受甲方委托，對(duì)長嶺縣城區(qū)進(jìn)行地理信息數(shù)據(jù)的采集。項(xiàng)目要求采用傾斜攝影測量技術(shù)^[1]，并生產(chǎn)城市實(shí)景三維模型。此工程測區(qū)面積約11平方公里，位于吉林省西北部，整體地勢平坦，有國道和省道穿過測區(qū)，交通較便利。測區(qū)屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫4.9℃；測區(qū)內(nèi)常年有風(fēng)，項(xiàng)目施測季節(jié)最大風(fēng)力可達(dá)8級(jí)，對(duì)無人機(jī)飛行有很不利影響。項(xiàng)目飛行空域已由甲方申請(qǐng)并通過批準(zhǔn)。

圖1測區(qū)范圍示意圖

根據(jù)項(xiàng)目需求，要求真實(shí)景三維模型成果要能滿足1:1000數(shù)字線劃圖（DLG）生產(chǎn)需要，平面中誤差±0.25m，高程中誤差±0.17m，最大允許誤差不超過2倍中誤差。測量基準(zhǔn)采用國家2000坐標(biāo)系統(tǒng)，1985國家高程基準(zhǔn)，控制測量基礎(chǔ)資料由甲方提供。工程中RTK數(shù)據(jù)采集統(tǒng)一使用吉林省CORS網(wǎng)系統(tǒng)作為差分源。

1.2項(xiàng)目執(zhí)飛無人機(jī)情況

參與項(xiàng)目航測飛行的飛行平臺(tái)是深圳飛馬機(jī)器人公司生產(chǎn)的F300智能航測遙感系統(tǒng)。該無人機(jī)機(jī)長1.07米，翼展1.8米，支持RTK/PPK差分模式，續(xù)航時(shí)間最長可達(dá)90分鐘，巡航速度60KM/H，能在5級(jí)風(fēng)的情況下正常作業(yè)，且無遙控器，手拋起飛，自動(dòng)滑降或者傘降的降落方式，對(duì)飛手要求低，EP0加碳纖復(fù)合材料易修復(fù)。無人機(jī)這些特點(diǎn)，讓此款無人機(jī)能經(jīng)得住測繪工程項(xiàng)目繁忙的飛行需求，且在輕微損壞的情況下能夠快速修復(fù)而繼續(xù)飛行，不會(huì)耽誤緊張的測繪工期。

圖2 飛馬F300智能航測遙感系統(tǒng)及傾斜相機(jī)

飛馬F300掛載的傾斜相機(jī)如上圖右上角，是兩鏡頭傾斜相機(jī)。此傾斜相機(jī)的單個(gè)鏡頭采用APS-C(23.2×15.4mm)畫幅，2010萬像素，索尼QX1相機(jī)和索尼20mm焦距鏡頭。兩個(gè)鏡頭布置方式是一個(gè)鏡頭向左傾斜，一個(gè)鏡頭向后傾斜，有效像素為5456×3632。此傾斜相機(jī)，需無人機(jī)以往返飛的方式來獲取足夠多角度的原始影像數(shù)據(jù)。

2、工程項(xiàng)目的施測

2.1、項(xiàng)目生產(chǎn)工藝流程

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)是新興航測技術(shù)方法，各種具體的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)尚不完善，為了更好的完成工程項(xiàng)目，根據(jù)技術(shù)設(shè)計(jì)文件以及相關(guān)資料，制定了項(xiàng)目工程生產(chǎn)工藝流程，項(xiàng)目的執(zhí)行嚴(yán)格按照工藝流程的要求來施測。工藝流程如下圖所示：

圖3、生產(chǎn)工藝流程圖

2.2、項(xiàng)目外業(yè)實(shí)施

2.2.1、像控點(diǎn)布設(shè)及測量

依據(jù)甲方提供的項(xiàng)目基礎(chǔ)資料和項(xiàng)目要求，并參照奧維互動(dòng)地圖，在室內(nèi)根據(jù)踏勘的信息資料，按照10000到20000像素一個(gè)像控點(diǎn)^[2]，并考慮實(shí)際布點(diǎn)可行性，做像控點(diǎn)位置分布的預(yù)設(shè)。像控點(diǎn)的布置，我們采用L型的圖案，此圖案在實(shí)際工作中最容易噴涂，需要的輔助工具最少，同時(shí)邊上噴上點(diǎn)號(hào)，方便后期處理使用，甚至可以不參考點(diǎn)之記信息就能完成刺點(diǎn)。簡單易行的像控點(diǎn)布置，在能保證像控點(diǎn)質(zhì)量的前提下，可以盡可能的提高外業(yè)工作效率。在測量像控點(diǎn)的同時(shí)，進(jìn)行點(diǎn)之記信息的記錄。像控點(diǎn)的測量采用控制點(diǎn)測量的方式進(jìn)行平滑采集。

圖4 像控點(diǎn)設(shè)計(jì)分布圖

圖5 像控點(diǎn)布設(shè)與測量

2.2.2、外業(yè)航飛的實(shí)施

外業(yè)航飛對(duì)后期數(shù)據(jù)處理來說，是很關(guān)鍵的一環(huán)。好的航線設(shè)計(jì)，是外業(yè)飛行數(shù)據(jù)高質(zhì)量的關(guān)鍵之一。按照相關(guān)技術(shù)資料和要求，在飛馬智航線軟件里，導(dǎo)入測區(qū)kml格式范圍線，進(jìn)行飛行航線的規(guī)劃和飛行參數(shù)的設(shè)置。

項(xiàng)目航線主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

相機(jī)型號(hào)：ILCE-QX1

地面分辨率：5.0cm

航向/旁向重疊度：80%

航線角度：80度

相對(duì)航高、航線間隔、拍照間隔等數(shù)據(jù)，智航線軟件會(huì)自動(dòng)給計(jì)算出來。這也是飛馬無人機(jī)管家軟件設(shè)計(jì)比較人性化的表現(xiàn)之一。

圖6 航線規(guī)劃圖

按此航線規(guī)劃方案，在今年6月初，項(xiàng)目無人機(jī)作業(yè)組完成了長嶺縣城傾斜攝影測量的航攝工作。航測外業(yè)執(zhí)飛無人機(jī)是飛馬F300智能航測系統(tǒng)掛載兩鏡頭傾斜相機(jī)，采用往返飛的方式飛行。由于天氣原因，外業(yè)實(shí)際用時(shí)4天，共計(jì)飛行14架次，獲得外業(yè)原始影像27972張，相應(yīng)的靜態(tài)數(shù)據(jù)文件和觀測記錄表格，飛機(jī)日志數(shù)據(jù)文件，每一架次飛行情況記錄等資料。

圖7 外業(yè)飛行現(xiàn)場

2.2.3、外業(yè)航飛數(shù)據(jù)的預(yù)處理

航飛數(shù)據(jù)的預(yù)處理是完成高精度POS數(shù)據(jù)的融合解算。在飛馬無人機(jī)管家軟件智理圖模塊中，分步驟完成基站靜態(tài)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，機(jī)載GPS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)完整性檢查，GPS數(shù)據(jù)解算。解算完成后輸出txt格式的解算結(jié)果，在解算結(jié)果文件的第一行有Q1值用來評(píng)定此次解算結(jié)果的精度，一般要求在98以上^[3]。然后對(duì)照片和POS數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并按計(jì)算機(jī)處理能力，對(duì)測區(qū)進(jìn)行處理分區(qū)的劃分。

圖8 GPS數(shù)據(jù)融合解算

3、數(shù)據(jù)處理及實(shí)景三維模型生產(chǎn)

3.1、影像數(shù)據(jù)空三計(jì)算

本項(xiàng)目采用的建模軟件是Context Capture軟件，此軟件自動(dòng)化程度高，操作步驟較少，能支持集群運(yùn)算，是業(yè)內(nèi)知名的自動(dòng)化三維建模軟件。在軟件里新建工程，添加照片和POS數(shù)據(jù)，按默認(rèn)參數(shù)提交空三計(jì)算，軟件會(huì)自動(dòng)完成空三計(jì)算。如果結(jié)果不合格，就在計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上修改空三計(jì)算參數(shù)并再次提交空三，直到空三合格為止?？杖?jì)算通過后，加入像控點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相片刺點(diǎn)，這時(shí)候軟件能預(yù)計(jì)出像控點(diǎn)在相片上的位置了，且準(zhǔn)確度很高，能提高刺點(diǎn)的速度。刺點(diǎn)完成后，再次提交空三計(jì)算，完成后檢查空三報(bào)告質(zhì)量，如果合格，就可以進(jìn)行模型重建生產(chǎn)了。在控制點(diǎn)編輯器里有三個(gè)參數(shù)，分別是三維精度、三維水平精度和三維垂直精度，這三個(gè)精度參數(shù)，基本上能體現(xiàn)出最終模型數(shù)據(jù)的精度水平等級(jí)。

圖9 像控點(diǎn)三維精度水平計(jì)算結(jié)果

圖10 帶像控點(diǎn)的空三成果3D視圖

3.2、三維模型的重建

空三成果合格后，下一步就進(jìn)入模型重建生產(chǎn)了。選擇項(xiàng)目需要的坐標(biāo)系，并從KML文件導(dǎo)入重建范圍（即測區(qū)范圍），設(shè)置好切塊方式和瓦片大小，就可以提交模型重建生產(chǎn)，真正開始生產(chǎn)模型。Context Capture軟件模型重建支持的數(shù)據(jù)格式很多，本項(xiàng)目采用OSGB格式。OSGB數(shù)據(jù)格式通用性比較好，支持的軟件也比較多。

圖11 模型重建參數(shù)和瓦片分塊

模型重建生產(chǎn)是比較耗時(shí)間的，重建速度主要取決于計(jì)算機(jī)的整體計(jì)算速度。此項(xiàng)目采用5臺(tái)電腦，耗時(shí)將近5天才把模型全部生產(chǎn)完畢。

圖12 模型成果截圖

圖13 模型成果局部截圖

3.3、模型成果精度檢查

測繪產(chǎn)品精度是測繪工程項(xiàng)目的核心目標(biāo)，實(shí)景三維模型成果已經(jīng)生產(chǎn)完畢，對(duì)成果精度的檢核就是必須的要做的事情。我們聯(lián)合甲方一起對(duì)模型進(jìn)行了一個(gè)精度的檢查，用RTK設(shè)備在測區(qū)測量了400個(gè)檢查點(diǎn)，最終選擇了399個(gè)平面檢查點(diǎn)和375個(gè)高程檢查點(diǎn)，對(duì)模型精度進(jìn)行了檢查。檢查結(jié)果統(tǒng)計(jì)情況如下表所示：

表1 模型精度檢查統(tǒng)計(jì)表

由上表統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，該工程項(xiàng)目的成果精度完全達(dá)到了項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，甚至比設(shè)計(jì)的精度還高出一點(diǎn)。這些數(shù)據(jù)表明，使用飛馬F300智能航測/遙感系統(tǒng)搭載傾斜相機(jī)的方案，采用合理的作業(yè)工藝流程，是完全可以滿足大比例尺測圖精度要求的。最終采用的檢查點(diǎn)分布情況如下圖所示：

圖14 模型精度檢查點(diǎn)位置分布略圖

4、總結(jié)和展望

此工程項(xiàng)目的外業(yè)投入人員是踏勘2人一天，像控點(diǎn)2人一天，外業(yè)飛行2人4天，內(nèi)業(yè)處理共計(jì)1人7天，其中人工操作約1天，其它時(shí)間是計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成計(jì)算。計(jì)算下來，采用飛馬F300搭載傾斜相機(jī)的方案，效率是傳統(tǒng)測繪方式的10倍甚至更高。

傾斜攝影測量近年來發(fā)展迅猛，逐漸成為測量人員很好的測量技術(shù)；在保證精度的前提下還能大大的提高測繪的作業(yè)效率；降低外業(yè)測繪作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，也使外業(yè)測繪人員的人身安全有了更好的保障；傳統(tǒng)測繪不易到達(dá)的地方也能測的到，讓測繪幾乎沒有死角；且提供的測繪成果表現(xiàn)形式更容易讓普通大眾看得懂、理解到位，相當(dāng)于把現(xiàn)實(shí)城市搬回了家。這些優(yōu)勢都是傳統(tǒng)的人工測繪所不具備的。在實(shí)景三維模型上進(jìn)行線劃圖的采集和建庫，也是傾斜攝影測量數(shù)據(jù)成果的一個(gè)主要應(yīng)用方向。業(yè)主方已經(jīng)在此項(xiàng)目成果上采集完成測區(qū)1000比例尺的線劃圖。

圖15 基于模型成果采集的局部線劃圖成果

未來隨著5G通信技術(shù)的逐漸應(yīng)用和普及，使實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)的在線瀏覽和應(yīng)用成為可能，就能為普通大眾提供更好地圖服務(wù)，比街景數(shù)據(jù)更加真實(shí)，而且可以360度的旋轉(zhuǎn)查看；也能為政府相關(guān)管理部門提供基于真實(shí)景的基礎(chǔ)平臺(tái)應(yīng)用，再加上更多的各種物聯(lián)網(wǎng)和傳感器數(shù)據(jù)，讓城市的管理和服務(wù)水平上一個(gè)臺(tái)階。

總之，飛馬F300智能航測遙感系統(tǒng)，經(jīng)受住了此項(xiàng)目的實(shí)際檢驗(yàn)，能滿足大比例尺實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)的采集和生產(chǎn)需要。飛馬F300智能航測遙感系統(tǒng)一定能成為廣大測繪從業(yè)者愛不釋手的測量工具，能為地理信息行業(yè)的興旺發(fā)展提供一定的助力。

參考文獻(xiàn)：

[1]:張祖勛，《數(shù)字?jǐn)z影測量學(xué)》，武漢測繪科技大學(xué)出版社，1997。

[2]:context capture 軟件培訓(xùn)材料，瞰景科技有限公司，2017年。

[3]:飛馬機(jī)器人公司，無人機(jī)管家數(shù)據(jù)處理流程，2018年。