大疆消费级无人机快速倾斜摄影测量实践（基于P４PRO+CC+EPS）

摘要：分别用 RTK两种测量模式测定像控点，用大疆消费级无人机 Phantom４PRO 开展倾斜摄影测量，最后进行成果检验。结果表明：RTK 电台模式（不做坐标校正，精度低）、RTK－CORS 网络模式测定像控点都能建立倾斜三维成果；像控点相对坐标差较小，但实测坐标差、图面坐标差较大。RTK－CORS测量像控点的航测成果平面精度为０．０３６ｍ，高程精度为０．１３５ｍ；４种明显地物实测距离偏差都在２cm 内。低精度像控点能辅助快速建立倾斜摄影测量三维成果；若需关注精确坐标，采用 RTK－CORS网络模式测定像 控点辅助大疆 Phantom４PRO 无人机小范围快速倾斜摄影测量是可行的。

关键词：无人机；倾斜摄影测量；实践

引言

无人机倾斜摄影测量以无人机为飞行平台，搭载一个或多个倾斜摄影系统（数码相机）获取多角度、多重叠度的地面多视影像，通过后期处理，建立地表三维模型与相关数字产品。相比于垂直摄影测量，倾斜摄影测量更具优势。 近年来，由于无人机技术与数码成 像 技 术 的 成 熟、基于计算机的图像高速匹配运算的实现、各行业对新６Ｄ测绘产品（３ＤＭ、ＤＳＭ、ＴＤＯＭ、ＤＯＢ、ＤＥＭ、ＤＬＧ）的需求等因素使得倾斜摄影测量快速发展。有人机搭载多镜头倾斜相机（如莱卡ＲＣＤ－３０５镜头）或无人机搭载超轻型多镜头倾斜相机，航测效果较好。如徐思奇使用的双镜头倾斜相机 航 测 试 验 达 到了１∶５００ 地图制图精度。专业无人机倾斜摄影测量一般搭载５镜头固定式或双镜头摆动式倾斜摄影测量系统，搭载RTK 还可实现地面免像控点测量，但价格昂贵。无人机倾斜摄影测量研究集中在倾斜相机试验、三维建模、地形图测绘与精度分析、行业应用等领域。小型消费级无人机通过单镜头特定航线获取的倾斜影像同样能被主流的三维建模软件ContextCapture、Pix4DMapper等识别，三维建模完成后，亦可使用EPS、ＤＰ－Ｍｏｄｅｌｅｒ等软件进行后期精细化建模及矢量提取。小型消费级无人机航测研究中，以大疆无人机开展垂直摄影测量的研究较多。 如张纯斌等基 于 大疆精灵３PRO 进行了５０ ｍ－１００ｍ间６种航高的垂 直摄影测量实践，精度达到厘米级。倾斜摄影测量实践，如孔振等［１４］基于大疆Phantom２（搭载ＤＪＩ２＋镜头）、Phantom３（搭载 ＤＪＩ３）倾斜测量数据进行郊区空三精度、ＤＥＭ、ＤＯＭ 精度评价，结果优于１∶５００航测精度，该研究航测线路为依据测区的自定义航线，大范围推广效果有待进一步验证。

大疆 Phantom 系列无人机倾斜摄影测量经济适用、对起飞场地要求低、操控灵活，但是动力有限、没有搭载高精度 RTK、不具备大范围测图的能力。城区建筑高、地物多样，倾斜摄影测量难度大；寻找大地控制点、RTK 架设电台、坐标采集校正、重复航线及其带来的大量数据、无人机动力等因素降低了航测效率。 选择适宜的飞控软件、适宜航线、RTK 获取相控点等都关乎倾斜摄影测量的精度与效率。 

本研究基于大疆Phantom４PRO 无人机（飞控软件为Pix4DCapture）在楚雄市城区某高校开展倾斜摄影测量，使用南方测绘银河１RTK 两种测量模式（精密模式与粗略模式）获取像控点三维坐标，基于 ContextCapture完成三维建模，基于EPS进行后期处理。根据 RTK 测量的检查点与地面明显地物钢尺量距数据检验成果精度，以期探索简单、高效、快速的消费级无人机小区域倾斜摄影测量方法，为行业运用服务.

1倾斜摄影测量的过程、研究区与研究流程

大疆无人机进 行倾斜摄影测量的主要过程为：

①在测区布设像控点，测定像控点三维坐标；

②通过飞控软件操纵，无人机按照飞控软件设计航线飞行，获取倾斜多视影像。

③ 将多视影像进行匀光、校正等预处理后，进行多视影像连接点自动匹配，匹配粗差检查、构建自由网。

④ 根据地面像控点、ＰＯＳ数据，平 台校验参数等进行区域网平差，解算多视影像外方位元素和加密点地面坐标，形成高密度点云数据。

⑤ 经过三角网构建和纹理映射，生成数字表面模型，并在此基础上进行三维建模、正射纠正、矢量提取、地物精细建模等形成新测绘６Ｄ 产品。

研究区为云南省楚雄市内某高校新校区，地势较平坦，主要建筑都为６层，校内包括教学楼、学生宿舍、食堂、学生会堂、运动场、道路、绿化等，总面积约为22hm²。

油漆喷涂地面控制点后，使用 RTK 获取 ２种测量模式的２组像控点，使用无人机通过倾斜摄影获取测区多视影像，通过 ContextCapture完成空三测量与三维建模，然后将建模结果导入EPS，进行后期处理；最后对比２种RTK测量模式获取的 控制点对建模结果造成的差异；通 过RTK 实测检查点、钢尺实测数据检验倾斜摄影测量测图精度。

图１ 技术路线

2倾斜摄影测量实施

２．１ 外业测量

综合考虑到现有条件与实践经验，本研究采用的软硬件列表见表１。

 飞控软件选择 Pix4DCapture，设计航高为６０ｍ，航线采用双网格任务模式（ＤｏｕｂｌｅＧｒｉｄＭｉｓｓｉｏｎ），航向、旁向重叠均为８０％，倾角７０°。

图２ 是本研究的航线设计示意图

使用大疆 Phantom４PRO 无人机通过四个架次飞行获取研究区图片共2282张，数据量为18.2G。

RTK 控制点／检查点测量。表２是本研究采用的 RTK 测量模式。 楚雄州 CORS 站于 ２０１４年１０月通过验收，满足 ＧＢ／Ｔ２８５８８－２０１２、ＣＨ／Ｔ２００８－２００５、ＧＢ／Ｔ１８３１４－２００９、ＧＢ／Ｔ２４３５６－２００９技术标准。试验区距最近的楚雄市西山顶 CORS站直线距离１．５ｋｍ，CORS 信 号 稳 定，RTK－CORS网络模式施测时间选择在下午３点－６点间。使用模式１和模式２分别测定像控点各４个。使用 RTK测量模式２测定检查点２５个。使用钢尺量距，测量典型地物长度数据４０个。

２．２ 内业处理

使用ACESEE查看图片，寻找并记录地面喷涂点所在像片编号；使用 ContextCapture导入多视影像后，逐一确定４个控制点在相邻像对图片上的位置及其对应的 RTK 实 测 像 控 点 坐 标，完成空三测量；设置输出坐标参数，进行分块设置，输出倾斜模型成果为 ＯＳＧＢ 格式（RTK 测量模式一、模式二分别得倾斜模型成果 ），输出ＤＯＭ 为 ＴＩＦ 格式。使用 ArcGIS将所有DOM文件拼接为大图。将倾斜模型成果和 ＤＯＭ 导入到 EPS，进行地物矢量提取、建筑白模生成、高程数据提取。最后进行倾斜模 型 的 产 品 对 比 和 精度验证。

3结果与分析

３．１ 数据处理结果

图３是 研 究 区 倾斜摄影测量 成 果 局 部 图。其中，图３（ａ）是研究区点云数据局部图，图３（ｂ）是研究区真三维模型局部图，图３（ｃ）是研究区数字表面模型局部图，图３（ｄ）是研究区正射影像局部图。

图４是EPS软件下基于 ＤＯＭ（左）和倾斜模型（右）的屋顶提取与白模生成（使用五点房绘制法）

图３ 倾斜摄影测量成果（局部）

图４ EPS软件下基于 DOM（左）和倾斜模型（右）的屋顶提取与白模生成

３．２ 图像分辨率

图像分辨率 Ｒ 计算公式为：Ｒ＝Ｈ＊Ｐ／ｆ （１）其中，Ｈ 代表航高，本研究设定为６０ｍ；Ｐ为单位像素大小，大疆Phantom４PRO 携带的相机为DJI6310，１英寸相底，单个像素面积为２．４μｍ＊２．４μｍ，故 Ｐ为２．４μｍ；ｆ为相机焦距，倾斜成像时，相机ｆ为８．８ｍｍ。则可计算得到图像分辨率Ｒ 为１．６４cm。

３．３ 不同精度像控点辅助空三测量精度对比

在野外测量中，无大地控制点导致 RTK 测量精度降低。分别采用模式１（电台模式，不使用控制点进行坐标校正的低精度、快速模式）和模式２（RTK－CORS网络高精度模式）获取像控点三维坐标。分别完成三维建模后，进行像控点的实测坐标和图面坐标的比较。用均方根误差 ＲＭＳＥ与平均值来进行精度验证，其中，ＲＭＳＥ计算公式为：

公式中，Ｘｉ、Ｙｉ代表同一位置的实测／图面坐标。通过模式１、模式２测定像控点，都能通过空三测量和三维建模。两种模式的三维建模成果图面颜色、纹理、对比度 无显著差异。 表３是模式１、２像控点的相对坐标差对比。模式１像控点实测坐标与图面坐标平面位置差均值（ΔＤ珚）、高差均值（ΔＨ珡）分别为０．０２６ｍ、－０．００７ｍ；ＲＭＳＥ 分别为０．０２７和０．０２９；模式２实测坐标与图面坐标差ΔＤ珚、ΔＨ珡 分别为０．０１６ｍ、－０．０１０ｍ；ＲＭＳＥ分别为０．０２０和０．０２４。表４是模式１、２像控点的绝对坐标差对比。模式１、２像控点绝对坐标差异较大，像控点图面平面位置差均值（ΔＤ珚）、高差均值（ΔＨ珡）分别为２．４１６ｍ、０．６０５ｍ；像控点实测的 ΔＤ珚、ΔＨ珡 分别为２．４１５ｍ、０．６０８ｍ。通过对比可发现：采用模式１、模式２测定像控点都能够建立倾斜三维成果，且模式１、２像控点的相对坐标差比较小，但是图面的绝对坐标差别较大。这是由于模式１不使用大地控制点进行坐标校正而直接进行测量造成的。若只注重局部三维效果，可直接使用模式１快速测定像控点；若在建立三维成果的基础上，还需关注精确坐标，则必须精确测定像控点。

３．４ 三维成果精度分析

使用 RTK－CORS网络模式（模式２）在“固定解”状态，按照表２的方法，测得检查点２５个。从三维成果图面采集三维坐标，分别与实测检查点对照，计算 ＲＭＳＥ，并与ＣＨ／Ｔ９００８．１－２０１０标准对照。表５为研究区检查点误差对比。

本研究的平面精度达到０．０３６ｍ，高程精度达到０．１３５ｍ，尤其是平面精度较高，总体精度优于１∶５００航测精度要求。选择４种明显地物，使用钢尺测定实际距离，在 ＤＯＭ 上对应４种地物每种测定１０个样本距离，计算图面平均值后与实际距离比较。表６是研究区４种典型地物尺寸对比。实测距离与图面距离偏差都在２cm 之内。说明 RTK－CORS网络辅助进行像控点测量是切实可行的。

4结论与展望

使用 RTK 两种测量模式获取像控点；采用飞控 软 件 Pix4DCapture，使用大疆 Phantom４PRO 无人机进行倾斜摄影测量实验；进行了不同精度像控点辅助空三测量产品对比和精度验证。研究获取了空间分辨率为１．６４cm 的影像。采用模式１（RTK 电台模式，不进行坐标校正，精度低）、模式２（RTK－CORS 网络测量模式）测定像控点都能够建立倾斜三维成果，模式１、２像控点的相对坐标差比较小。但模式１、２ 像控点绝对坐 标 差 较 大，像 控 点 图 面 平 面 坐 标 差 均 值（ΔＤ珡）、高差均值（ΔＨ珨）分别为２．４１６ｍ、０．６０５ｍ；像控点实测的 ΔＤ珚、ΔＨ珡 分别为２．４１５ｍ、０．６０８ｍ。

这是由于模式１ 不使用大地控制点进行坐标校正而直接进行测量造成的。 若 只 注 重 局 部 三 维效果，可直接使用模式１ 快速测定像控点；若在建立三维成果的基础上，还需关注精确坐标，则必须精确测定像控点。本研 究 的 平 面 精 度 达 到０．０３６ｍ，高程精度达到０．１３５ｍ，尤其是平面精度较高，总体精度优于1：500航测精度要求。选择４种明显地物（校内车位线、水泥路伸缩缝、地砖组合图案、井盖），实测距离与图面距离偏差都在２cm 之内。说明采用 Pix4DCapture双网格任务模式设计航线，采用 RTK－CORS 网络模式进行快速像控点测量是切实可行的。本研 究 使 用 RTK 电 台 模 式 （不 做 坐 标 校正）、RTK－CORS 网络模 式 测 定 像 控 点，进 行 了倾斜摄影测量与精度验证，取得了成功。此次实验中，相机７０°倾角导致６ 层及 以 上 建 筑 窗 子 有少部分“拉花”现象；因电池续航原因，整个测区４个架次航测时间过长，导致三维建模产生建筑阴影。另 外，RTK－CORS 网 络 测 量 本 身 受 制 于CORS信号，像控点 必 须 选 择 在 开 阔 地 面。２０１８年８月，价格更贵的行业级精灵 ４RTK 无人机（４Ｇ 网络版）上市，其产品精度值得继续研究。

文章来源《北京测绘》2019年3月

作者：杨云源  吉健  石洪  赵波

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