摘要:無人機傾斜攝影測量技術(shù)在應(yīng)用過程中，存在模型分辨率不一致、精度不可靠、格式不匹配的問題，但沒有現(xiàn)行的標準對任務(wù)質(zhì)量進行評價，這在一定程度上限制了無人機傾斜攝影測量技術(shù)進一步發(fā)展。本文針對無人機傾斜攝影測量技術(shù)的現(xiàn)狀，對從航攝準備( 硬件) 到數(shù)據(jù)處理應(yīng)用( 軟件) 整個作業(yè)流程的技術(shù)標準進行了論述，為無人機傾斜攝影測量技術(shù)的從業(yè)人員提供一些參考。

無人機傾斜攝影測量技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，傾斜攝影技術(shù)三維數(shù)據(jù)可真實反映地物的外觀、位置、高度等屬性; 借助無人機，可快速采集影像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全自動化三維建模; 傾斜攝影數(shù)據(jù)是帶有空間位置信息的可量測影像數(shù)據(jù)，能同時輸出 DSM、DOM、TDOM、DLG 等多種成果。目前，無人傾斜攝影測量技術(shù)已被越來越多的行業(yè)認可和應(yīng)用，但針對無人機傾斜攝影的國家技術(shù)標準一直沒有明確，這就給無人機傾斜攝影工作帶來一定困擾。

本文結(jié)合實際工作和學(xué)習(xí)經(jīng)驗，對無人機傾斜攝影測量技術(shù)標準進行初步的探討。

11 無人機傾斜攝影系統(tǒng)介紹

傳統(tǒng)航空攝影只能從垂直角度拍攝地物，傾斜攝影則通過在同一平臺搭載多臺傳感器，同時從垂直、側(cè)視等不同的角度采集影像，有效彌補了傳統(tǒng)航空攝影的局限。那么，無人機傾斜攝影系統(tǒng)可以定義為: 以無人機為飛行平臺，以傾斜攝影相機為任務(wù)設(shè)備的航空影像獲取系統(tǒng)。

1．1 飛行平臺的性能要求

目前，市場上無人機的種類繁多，按照動力系統(tǒng)可以區(qū)分為內(nèi)燃機動力和電池動力; 從飛行實現(xiàn)方式上可以區(qū)分為固定翼和旋翼( 單旋翼、多旋翼) 。由于飛行平臺自身的振動問題，在成像質(zhì)量上電池動力優(yōu)于內(nèi)燃機動力; 在作業(yè)效率和續(xù)航時間上，固定翼優(yōu)于旋翼; 在飛行穩(wěn)定性上，旋翼優(yōu)于固定翼。由于無人機用途不同，其性能標準也不一樣。測繪型無人機對飛行標準要求更高，可以在載重、巡航速度、實用升限、續(xù)航時間、安全性和抗風(fēng)等級等方面做出限定。

例如：

①無人機最低載重 2 kg;

②多旋翼巡航速度大于 6 m / s，固定翼無人機巡航速度大于10 m / s;

③電池動力續(xù)航時間大于 25 min，內(nèi)燃機動力續(xù)航時間大于 1 h;

④抗風(fēng)性要求不低于 4 級風(fēng)速;

⑤無人機實用升限能達到 1000 m 以上，海拔高度不低于 3000 m。

1．2 傾斜相機的性能要求

在《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》( CH /Z 3005—2010) 中，對測繪航空攝影也就是垂直攝影的相片傾角有著 如 下 規(guī) 定: 傾 角 不 大 于 5°，最大不超過12°。現(xiàn)有的航測軟件處理能力已經(jīng)有了很大提升，可以在這個標準的基礎(chǔ)上，把傾角 15°以上的都劃歸到傾斜攝影的范疇。傾斜攝影發(fā)展到今天，傾斜相機不再限定相機鏡頭的數(shù)量。傾斜相機的關(guān)鍵技術(shù)指標是獲取不同角度影像的能力和單架次作業(yè)的廣度和深度。這包括五鏡頭、三鏡頭、雙鏡頭等多鏡頭相機及可以調(diào)整相機拍攝角度的單相機系統(tǒng)。在無人機航測標準中，要求航測相機像素不低于 3500萬，在傾斜攝影中可以不對單一相機的像素進行限定，而對一次曝光獲取的影像像素進行控制。傾斜相機的性能要求可以從獲取影像能力、作業(yè)時間、曝光功能、續(xù)航時間、POS 記錄功能等方面做出限定。例如: ①傾斜攝影一次曝光采集的像素越高越好，但要根據(jù)設(shè)備成本考量，單個鏡頭不低于2000 萬像素，一次曝光不低于 1 億像素; ②作業(yè)時間至少能滿足 90 min，最好具備全天候的作業(yè)能力;③有定點曝光功能，確保影像重疊度滿足要求。

22 飛行航線的設(shè)計

2．1 航攝高度的確定

無人機傾斜攝影的飛行高度是航線設(shè)計的基礎(chǔ)。航攝高度需要根據(jù)任務(wù)要求選擇合適的地面分辨率，然后結(jié)合傾斜相機的性能，按照式( 1) 計算H= f×GSD/α ( 1)式中，H 為航攝高度，單位為 m; f 為鏡頭焦距，單位為 mm; α 為像元尺寸，單位為 mm; GSD 為地面分辨率，單位為 m。

2．2 航攝重疊度的設(shè)置

低空數(shù)字航空攝影規(guī)范規(guī)定“航向重疊度一般應(yīng)為 60% ～ 80%，最小不小于 53%; 旁向重疊度一般應(yīng)為 15% ～ 60%，最小不小于 8%”。在無人機傾斜攝影時，旁向重疊度是明顯不夠的。不論航向重疊度還是旁向重疊度，按照算法理論建議值是 66．7%?？梢詤^(qū)分為建筑稀少區(qū)域和建筑密集區(qū)域兩種情況來進行介紹。

2．2．1 建筑稀少區(qū)域考慮到無人機航攝時的俯仰、側(cè)傾影響，無人機傾斜攝影測量作業(yè)時在無高層建筑、地形地物高差比較小的測區(qū)，航向、旁向重疊度建議最低不小于70%。要獲得某區(qū)域完整的影像信息，無人機必須從該區(qū)域上空飛過。以兩棟建筑之間的區(qū)域為例，如果這兩棟建筑由于高度對這個區(qū)域能形成完全遮擋，而飛機沒有飛到該區(qū)域上空，那么無論增加多少相機都不可能拍到被遮區(qū)域，從而造成建筑模型幾何結(jié)構(gòu)的粘連。

2．2．2 建筑密集區(qū)域建筑密集區(qū)域的建筑遮擋問題非常嚴重。航線重疊度設(shè)計不足、航攝時沒有從相關(guān)建筑上空飛過，都會造成建筑模型幾何結(jié)構(gòu)的粘連。為提高建筑密集區(qū)域影像采集質(zhì)量，影像重疊度最多可設(shè)計為80% ～ 90%。當高層建筑的高度大于航攝高度的1 /4 時，可以采取增加影像重疊度和交叉飛行增加冗余觀測的方法進行解決。如著名的上海陸家嘴區(qū)域傾斜攝影，就是采用了超過 90%的重疊度進行影像采集以杜絕建筑物互相遮擋的問題。影像重疊度與影像數(shù)據(jù)量密切相關(guān)。影像重疊度越高，相同區(qū)域數(shù)據(jù)量就越大，數(shù)據(jù)處理的效率就越低。所以在進行航線設(shè)計時還要兼顧二者之間的平衡。

2．3 區(qū)域覆蓋設(shè)計

“航向覆蓋超出攝區(qū)邊界線應(yīng)不少于兩條基線。旁向覆蓋超出攝區(qū)邊界線一般不少于像幅的50%”，這是原規(guī)范在航攝區(qū)域邊界覆蓋上的保證，但在無人機傾斜攝影時是明顯不夠的。理論上，需要目標區(qū)域邊緣地物能出現(xiàn)在像片的任何位置，與測區(qū)中心地區(qū)的特征點觀測量一樣。考慮到測區(qū)的高差等情況，可以按照式( 2) 來計算航線外擴的寬度L =H1×tan θ+ H2－H3 +L1 ( 2)式中，L 為外擴距離; H1 為相對航高; θ 為相機傾斜角; H2 為攝影基準面高度; H3 為測區(qū)邊緣最低點高度; L1 為半個像幅對應(yīng)的水平距離。

3 控制測量

控制測量是為了保證空三的精度、確定地物目標在空間中的絕對位置。在常規(guī)的低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范中，對控制點的布設(shè)方法有詳細的規(guī)定，是確保大比例尺成圖精度的基礎(chǔ)。傾斜攝影技術(shù)相對于傳統(tǒng)攝影技術(shù)在影像重疊度上要求更高，現(xiàn)在的規(guī)范關(guān)于像控點布設(shè)要求不適合應(yīng)用于高分辨率無人機傾斜攝影測量技術(shù)。無人機通常采用 GPS 定位模式，自身帶有 POS 數(shù)據(jù)，對確定影像間的相對位置作用明顯，可以提高空三計算的準確度。

3．1 常規(guī)三維建模

基于 Smart3D 算法，從最終空三特征點點云的角度可 以 提 供 一 個 控 制 間 隔，建議值是按每隔20000 ～ 40000 個像素布設(shè)一個控制點，其中有差分POS 數(shù)據(jù)( 相對較精確的初始值) 的可 以 放 寬 到40000個像素，沒有差分 POS 數(shù)據(jù)的至少 20 000 個像素布設(shè)一個控制點。同時也要根據(jù)每個任務(wù)的實際地形地物條件靈活應(yīng)用，如地形起伏異常較大的、大面積植被及面狀水域特征點非常少的，需要酌情增加控制點?？刂泣c測量采取附合導(dǎo)線測量方式，獲取高精度位置信息。

3．2 應(yīng)急測繪保障

發(fā)生地震、山體滑坡、泥石流等自然災(zāi)害后，為及時獲取災(zāi)區(qū)可量測三維數(shù)據(jù)，不能按照傳統(tǒng)的作業(yè)方式進行控制測量，可通過在 Google 地圖讀取坐標、手持 GPS 測量、RTK 測量等方式快速獲取災(zāi)區(qū)少量控制點，生成災(zāi)區(qū)真三維模型，為災(zāi)后救援提供幫助。

3．3 點位選擇要求

影像控制點的目標影像應(yīng)清晰，選擇在易于識別的細小現(xiàn)狀地物交點、明顯地物拐角點等位置固定且便于量測的地方。條件具備時，可以先制作外業(yè)控制點的標志點，一般選擇白色( 或者紅色) 油漆畫十字形標志，并在航攝飛行之前試飛幾張影像，確保十字標志能在傾斜影像上正確辨識?？刂泣c測量完成后，要及時制作控制點點位分布略圖、控制點點位信息表，準確描述每個控制點的方位和位置信息，便于內(nèi)業(yè)刺點使用。

特別說明① 像點標志

在整個像控布設(shè)環(huán)節(jié)，像控標志類型、尺寸大小及和布設(shè)位置至關(guān)重要。

① 標志的類型首先，從用途來說，像控點是模型成果坐標轉(zhuǎn)換的依據(jù)。其反映在技術(shù)流程上，外業(yè)中，需要實測標志點平面坐標和高程；內(nèi)業(yè)中，在空中三角測量環(huán)節(jié)，用于像片刺點。因此，像控標志的識別度、反射光的程度、與周邊地物色差大小都是需考慮的。除了道路已有交通標志線角點和明顯清晰線性地物交點，下圖是三類親測好用的標志類型：

② 標志尺寸以無人機的空中視角來說，地面標志相當小，不同分辨率的照片對地面標志的大小要求不同，經(jīng)實踐測試，地面分辨率2-3公分時，地面標志宜在60cmX60cm以上的尺寸，在無人機拍攝的像片上才能清晰可見。

③ 位置選擇以五鏡頭相機為例，其傾斜角度一般為45度，傾斜視線很容易被遮擋，除了大樹、高樓和途徑車輛，還會被高莖雜草、電力線所遮蓋，當高空拍攝像片時，以像素為單位進行處理，因此，在選擇點位時，需避開上述遮擋物。另外，為防止人為破壞，布設(shè)可移動標志時還需考慮盡量遠離人為活動頻繁區(qū)域。

特別說明② 布設(shè)流程

① 像控預(yù)布設(shè)在項目準備階段，需要對測區(qū)概況有所了解。通常借助衛(wèi)星圖進行像控點位的預(yù)布設(shè)，秉持“角點布設(shè)，中間加密，均勻布設(shè)”的原則，設(shè)計像控點位。外業(yè)中，可通過手機定位實現(xiàn)預(yù)設(shè)點位“放樣”。

② 像控實地測設(shè)將預(yù)先布設(shè)的點位，放樣至實地，并于電子地圖標記位置、拍攝照片作為點之記，以便后續(xù)查找、對照和檢查。坐標采集多采用RTK獲取。

③ 點位補測在工程實際中，像控標志被人為毀壞或遮蓋的情況屢見不鮮，因此需要做好事后點補測工作，保證該處有點，以便構(gòu)建區(qū)域網(wǎng)，達到控制誤差累積的效果。

④ 像控數(shù)據(jù)檢查其一、檢查本地坐標點位是否與已有地形圖坐標系一致，相對位置關(guān)系是否正確。像控坐標成果好壞至關(guān)重要，需及時檢查，以免坐標系不符合要求或點位、點號錯誤。 其二、檢查像片上是否清晰可見像控標志。如像控標志被遮蓋或毀壞的問題，可通過查看對應(yīng)位置像片，及時檢查出來，進而提出外業(yè)補救方案

⑤ 內(nèi)業(yè)刺點刺點，即在多視角、多幅像片上精確標記出同名控制點的位置。后續(xù)通過空中三角測量解算，將整體坐標糾正至本地坐標系或其它平面坐標系。刺點原則可概括為，“虛實結(jié)合像素點、不刺過曝像片、不刺像片邊緣”，盡量多鏡頭像片皆刺點。

44 空中三角測量

以 Smart3D Capture 自動建模系統(tǒng)為例，講解空中三角測量的相關(guān)要求。

4．1 像片刺點

將野外測量的控制點信息，按照實際位置刺到自動建模系統(tǒng)中，這個工作叫做像片刺點。刺點位置一般是十字交叉的中心、直線的左右角點或直角的內(nèi)角點，如斑馬線的左右角點，根據(jù)影像分辨率和斑馬線的寬度，估算角點所占的像素，把影像縮放到合適的大小完成刺點。

4．2 空三計算

該系統(tǒng)中空三計算是自動完成，采用光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差方法進行。即以一張像片組成的一束光線作為一個平差單元，以中心投影的共線方程作為平差單元的基礎(chǔ)方程，通過各光線束在空間的旋轉(zhuǎn)和平移，使模型之間的公共光線實現(xiàn)最佳交會，將整體區(qū)域最佳地嵌入到控制點坐標系中，從而恢復(fù)地物間的空間位置關(guān)系。

4．3 空三精度

在《數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范》中，對相對定向中像片連接點數(shù)量和誤差有明確的規(guī)定，但在無人機傾斜攝影空三中沒有相對定向的信息，單個連接點的精度指標也未體現(xiàn)，不能完全照傳統(tǒng)空三那樣去挑粗差點，可以從像方和物方兩個方面來綜合評價空三的精度。物方的精度評定比較常用，就是對比加密點與檢查點( 多余像片控制點，不參與平差) 的坐標差; 像方的精度評定，通過影像匹配點的反投影中誤差來進行控制?？杖Ｒ?guī)的精度指標只能表現(xiàn)整體的精度范圍，卻不能看到局部的精度問題，通過外方位元素標準偏差更能全面的表現(xiàn)。通俗來講，空三運算的質(zhì)量指標包括: 是否丟片，丟的是否合理; 連接點是否正確，是否存在分層、斷層、錯位; 檢查點誤差、像控點殘差、連接點誤差是否在限差以內(nèi)。

5 三維模型質(zhì)量

無人機傾斜攝影測量技術(shù)能夠提供三維點云、三維模 型、真 正 射 影 像 ( TDOM) 、數(shù) 字 表 面 模 型( DSM) 等多種成果形式，其中三維模型具備真實、細致、具體的特點，通常稱為真三維模型?？梢詫⑦@種實景三維模型當做一種新的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)來進行精度評定，包括位置精度、幾何精度和紋理精度 3 個方面。

5．1 位置精度

三維模型的位置精度評定跟空三的物方精度評定有類似之處，通過比對加密點和檢查點的精度進行衡量。在控制點周邊比較平坦的區(qū)域，精度比對容易進行; 在房角、墻線、陡坎等幾何特征變化大的地方，模型上的采點誤差比較大，精度衡量可靠性降低，可以聯(lián)合影像作業(yè)，得到最終的成果矢量或模型數(shù)據(jù)再進行比對。

5．2 幾何精度

傳統(tǒng)手工建?？梢宰杂稍O(shè)計地物的幾何形狀，而真三維自動化建模，影像重疊度越大的地方地物要素信息越全，三維模型的幾何特征就越完整。反之，影像重疊度不夠可能出現(xiàn)破面、漏面、漏縫、懸空、樓底和房檐拉花等情況，影響地物幾何信息的完整表達。這種屬于原理性問題，無法完全避免，可以按照下面的方法進行評定。在三維模型瀏覽軟件中參照航拍角度固定瀏覽視角，同時拉伸到與實際分辨率相符的高度去查看模型，看不出明顯的變形、拉花即可判定為合格，反之為不合格。

5．3 紋理精度

真三維建模完全依靠計算機來自動匹配地物的紋理信息，由于原始影像質(zhì)量不同，導(dǎo)致匹配結(jié)果可能存在色彩不一致、明暗度不一致、紋理不清晰等情況。要提高紋理精度就必須提高參加匹配的影像質(zhì)量，剔除存在云霧遮擋覆蓋、鏡頭反光、地物陰影、大面積相似紋理、分辨率變化異常等問題像片，提高匹配計算的準確度。

6 結(jié) 語

隨著我國科技和經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，無人機傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用也更加廣泛。討論和制定無人機傾斜攝影測量的技術(shù)標準將極大促進這項技術(shù)的規(guī)范應(yīng)用，更好地為國家建設(shè)服務(wù)。目前，文中僅提出了一些想法，還需在今后的工作中繼續(xù)學(xué)習(xí)、實踐、改進。