消费级无人机1:500倾斜摄影三维测图的技术流程
摘要: 倾斜摄影测量技术作为一项新兴的测绘新技术，在各领域中得到了较好的应用，但是用于测绘专业的主流航测飞行器价值 昂贵、操控复杂。本文提出了一种利用由消费级无人机获取的倾斜影像制作而成的实景三维模型测绘大比例尺地形图的方法，该方法充分利用了消费无人机价格低廉、操控简便的优点和自动化建模优势，可在短时间内生产出高质量、高精度的实景三维模型和1:500 地形图。实践表明，该方法操作简单，技术路线可行，产品精度符合相关标准规范要求，整体效率优于传统测绘方式，具有推广普及意义。
关键词: 消费级无人机; 倾斜摄影测量; 实景三维; 三维模型测图; 大比例尺地形图
倾斜摄影技术是目前测绘遥感领域新兴发展的一项高新技术，融合了传统的航空摄影、近景摄影测量、计算机视觉技术，突破了正射影像成果不得不从航空垂直地面的角度摄影获取的限制，可以在飞行平台同时搭载多台传感器，同时从垂直、前视、后视、左视、右视共5个角度采集影像，获取地形地貌完整与精确信息。但是，目前采集倾斜影像的设备主要为五镜头合成相机，飞行平台是体积相对较大的无人机机型，不但价格昂贵，而且操控复杂、飞行风险较大，难以普及应用。消费级无人机的出现与普及，为倾斜影像采集与三维模型构建，并应用于大比例尺三维测图带来良好的契机。
利用倾斜影像进行三维测图技术主要包括数据 采集( 影像采集、像控点测量) 、空中三角测量、多视影像密集点匹配、数字表面模型数据生成、纹理贴合、实景三维建模、三维测图及外业调绘与补测等步骤。其中，最关键步骤是通过空中三角测量解算出像片的外方位元素，在此基础上，通过多视影像密集匹配算法获得点云，并纹理贴合生成三维模型，最后进行三维测图。三维测图技术流程如图 1 所示。
图1 实景三维测图技术流
本文试验实例为广东某糖厂计划拆迁的厂区1:500 地形图测量，范围约 500 m×400 m，面积约 0.2 km2。
2．1 消费级无人机倾斜影像采集系统
目前用于测绘的无人机种类众多，有固定翼无人机、旋翼无人机和复合翼无人机等多种机型，具有不同特点及其适用领域。多旋翼无人机起降、飞行速度与高度可操控性高，且可低空飞行，适合用于倾斜摄影数据获取。本文试验选用四旋翼无人机 DJI Phantom 4pro。
DJI Phantom 4pro 无人机由飞行器、云台相机、 遥控器及安装飞控软件的平板电脑( 或智能手机) 组成，其主要技术参数见表1。
表 1 DJI Phantom 4pro 主要技术参数
2．2 数据采集
2．2．1 地面像控点布设
航空摄影之前，在试验区域进行像控点布设与测量，用于内业空中三角测量解算及三维模型精度检验。在试验区域内选择道路边线或中线交叉点、 道路标记线等作为像控点，采用 GNSS ＲTK 测量方 法测出其坐标，为了满足试验要求，测量精度须达到 厘米级。本次试验共测量 15 个像控点，其中10个像控点成果用于空中三角测量解算，另外5个像控 点成果用于三维模型精度验证，如图 2 所示。
图 2 像控点布设
2．2．2 航线设计与无人机影像采集
试验采用研究团队基于 DJI-SDK 自主开发的无 人机地面控制软件进行航线设计。飞行前在飞行控制软件上规划航拍区域，设定飞行高度、优化计算与否、相机倾角及影像重叠度等参数，根据优化算 法软件自动生成 1 次正射和 2 次倾斜摄影的优化飞 行规划航线，并自动预估航时，根据需要智能续飞 ( 如图 3 所示) 。本次试验航飞相对高度 100 m，地面分辨率 2.99 cm，旁向重叠度 75%，航向重叠度80%，共采集1533张影像。DJI Phantom 4pro 无人机只有一个镜头，为了实 现跟专业五镜头相似的效果，需要由软件控制调动 镜头角度，垂直、前、后、左、右分别对建筑物航拍 5 遍，实现倾斜摄影数据采集。以厂房所在的烟囱 为中心示意，垂直向下镜头采集影像与倾斜角度采 集影像数据对比如图 4 所示。
图 3 飞行航线设计
图 4 以烟囱为中心多视影像
2．3 全自动快速三维模型构建
倾斜摄影测量技术通常包括影像预处理、空中三角测量、多视影像匹配、DSM 生成、真正射纠正和三维建模等关键内容。本次试验三维模型构建采用 ContextCapture 软件，将获取到的符合建模要 求重叠度的航空影像进行预处理，并导入 ContextCapture 软件，均匀挑选出一定数量的野外控 制点，软件则自动匹配运算，进行三维模型生产。
2．3．1 空中三角测量
在 ContextCapture 自动建模系统中加载测区影像，人工给定一定数量的控制点，软件空中三角测量 中的平差方法采用光束法区域网平差，其原理是以一张像片的一束光线作为平差单元，以中心投影共 线方程作为基础方程，通过计算各光束在空间中转换参数，实现各模型间公共光线的最佳交会，把整体区域纳入地面坐标系中，恢复地物空间位置关系。空中三角测量结果如图 5 所示。
图 5 空中三角测量结果
2．3．2 影像密集匹配
软件采用高精度密集匹配技术，对所有影像中同 名点进行自动匹配。为了更加精确表达地形地物细节，提取更多特征点构成密集点云。地形地物越复杂、越密集的地方，点密度越高; 反之，则相对稀疏。
2．3．3 纹理映射
通过空中三角测量解算和影像密集匹配后，所有影像之间的点云可计算构成三角格网TIN，再由三角格网 TIN 构成白模型，软件从影像中提取相对应纹理，并将纹理自动映射到对应的白模型上，形成实景三维模型，如图 6 所示。
图 6 实景三维模型
2．4 三维测图
本文试验采用 SV360 智能三维测图系统进行 地形图测量。SV360 操作简便，建立工程项目，导入三维模型后，设置相应的参数，由作业员在三维模型 基础上进行点、线、面采集，按要求设定图层并赋属性信息，如图 7 所示。内业采集编辑完成后，还需对 未能确认的属性与遮挡部分等内容进行外业调绘与补测。
图 7 地形线划采集
2．5 精度分析
成果完成后，主要采用人机交互检查方式对试验区域的测图成果进行质量检查，本文试验主要对 平面精度进行检查。
( 1) 实景三维模型精度验证。实景三维模型生 产完毕后，将未参与空中三角测量的像控点作为模 型检核点，检查三维模型精度，最终检查结果为: X 方向平均误差为 0.0069 m，Y 方向平均误差为 0.0045 m，达到试验精度要求。
( 2) 测图成果精度验证。选取建( 构) 筑、道路、附属设施等地物要素，采用 GNSS ＲTK 测量方法 实地采集检查点坐标，与测图成果进行比较，经符合 要求的粗差剔除后，最终检查结果为: 平面中误差为 ±0．0654 m，成果满足《CH /T 9008．1—2010 基础地理信息数字成果1:500、1:1000、1:2000 数字线 划图》中 1:500 地形图精度要求。
本文试验采用消费级无人机倾斜摄影测量技术，充分利用了倾斜摄影技术的自动化空中三角测量与快速建模优势，短时间内生产出高质量、高精度三维模型，并以此为基础进行了1:500 地形图测量工作，技术路线可行，产品精度符合相关标准规范要求。此方法改变了以往测图技术方法，将全野外工作转变为主要内业加部分外业调绘，大大减少野外工作量，数据采集更自主、更高效。实景三维测图技术整体效率预期优于传统测绘方式，特别是采用价格低廉、操控简便的消费无人机作为影像数据采集平台，具有推广普及意义。
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