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

關(guān)鍵詞：飛馬F300無人機、傾斜攝影測量、實景三維模型

0、引言

飛馬F300無人機一經(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。同時其還提供載荷的多種選擇，不但可以選擇正射相機，還可以選擇多鏡頭傾斜相機，這在輕型固定翼無人機中是首創(chuàng)。本文要討論的應用，正是基于飛馬F300飛行平臺，搭載傾斜相機進行傾斜攝影測量^[1]外業(yè)航飛，并對獲取的影像進行處理，經(jīng)過空三計算和模型重建來生產(chǎn)城市真實景三維模型^[2]。本項目采用布設(shè)稀少像控點的方案進行工程的施測。

1、工程項目概述

1.1、項目基本情況

為推進長嶺縣基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，促進長嶺縣城市及經(jīng)濟發(fā)展，我司受甲方委托，對長嶺縣城區(qū)進行地理信息數(shù)據(jù)的采集。項目要求采用傾斜攝影測量技術(shù)^[1]，并生產(chǎn)城市實景三維模型。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氣候，年平均氣溫4.9℃；測區(qū)內(nèi)常年有風，項目施測季節(jié)最大風力可達8級，對無人機飛行有很不利影響。項目飛行空域已由甲方申請并通過批準。

圖1測區(qū)范圍示意圖

根據(jù)項目需求，要求真實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。測量基準采用國家2000坐標系統(tǒng)，1985國家高程基準，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項目執(zhí)飛無人機情況

參與項目航測飛行的飛行平臺是深圳飛馬機器人公司生產(chǎn)的F300智能航測遙感系統(tǒng)。該無人機機長1.07米，翼展1.8米，支持RTK/PPK差分模式，續(xù)航時間最長可達90分鐘，巡航速度60KM/H，能在5級風的情況下正常作業(yè)，且無遙控器，手拋起飛，自動滑降或者傘降的降落方式，對飛手要求低，EP0加碳纖復合材料易修復。無人機這些特點，讓此款無人機能經(jīng)得住測繪工程項目繁忙的飛行需求，且在輕微損壞的情況下能夠快速修復而繼續(xù)飛行，不會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

飛馬F300掛載的傾斜相機如上圖右上角，是兩鏡頭傾斜相機。此傾斜相機的單個鏡頭采用APS-C(23.2×15.4mm)畫幅，2010萬像素，索尼QX1相機和索尼20mm焦距鏡頭。兩個鏡頭布置方式是一個鏡頭向左傾斜，一個鏡頭向后傾斜，有效像素為5456×3632。此傾斜相機，需無人機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、工程項目的施測

2.1、項目生產(chǎn)工藝流程

無人機傾斜攝影測量技術(shù)是新興航測技術(shù)方法，各種具體的執(zhí)行標準尚不完善，為了更好的完成工程項目，根據(jù)技術(shù)設(shè)計文件以及相關(guān)資料，制定了項目工程生產(chǎn)工藝流程，項目的執(zhí)行嚴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、項目外業(yè)實施

2.2.1、像控點布設(shè)及測量

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

圖4 像控點設(shè)計分布圖

圖5 像控點布設(shè)與測量

2.2.2、外業(yè)航飛的實施

外業(yè)航飛對后期數(shù)據(jù)處理來說，是很關(guān)鍵的一環(huán)。好的航線設(shè)計，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，導入測區(qū)kml格式范圍線，進行飛行航線的規(guī)劃和飛行參數(shù)的設(shè)置。

項目航線主要設(shè)計參數(shù)如下：

相機型號：ILCE-QX1

地面分辨率：5.0cm

航向/旁向重疊度：80%

航線角度：80度

相對航高、航線間隔、拍照間隔等數(shù)據(jù)，智航線軟件會自動給計算出來。這也是飛馬無人機管家軟件設(shè)計比較人性化的表現(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，項目無人機作業(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)飛無人機是飛馬F300智能航測系統(tǒng)掛載兩鏡頭傾斜相機，采用往返飛的方式飛行。由于天氣原因，外業(yè)實際用時4天，共計飛行14架次，獲得外業(yè)原始影像27972張，相應的靜態(tài)數(shù)據(jù)文件和觀測記錄表格，飛機日志數(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)的預處理

航飛數(shù)據(jù)的預處理是完成高精度POS數(shù)據(jù)的融合解算。在飛馬無人機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值用來評定此次解算結(jié)果的精度，一般要求在98以上^[3]。然后對照片和POS數(shù)據(jù)進行整理，并按計算機處理能力，對測區(qū)進行處理分區(qū)的劃分。

圖8 GPS數(shù)據(jù)融合解算

3、數(shù)據(jù)處理及實景三維模型生產(chǎn)

3.1、影像數(shù)據(jù)空三計算

本項目采用的建模軟件是Context Capture軟件，此軟件自動化程度高，操作步驟較少，能支持集群運算，是業(yè)內(nèi)知名的自動化三維建模軟件。在軟件里新建工程，添加照片和POS數(shù)據(jù)，按默認參數(shù)提交空三計算，軟件會自動完成空三計算。如果結(jié)果不合格，就在計算結(jié)果基礎(chǔ)上修改空三計算參數(shù)并再次提交空三，直到空三合格為止?？杖嬎阃ㄟ^后，加入像控點坐標數(shù)據(jù)，并進行相片刺點，這時候軟件能預計出像控點在相片上的位置了，且準確度很高，能提高刺點的速度。刺點完成后，再次提交空三計算，完成后檢查空三報告質(zhì)量，如果合格，就可以進行模型重建生產(chǎn)了。在控制點編輯器里有三個參數(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。

圖9 像控點三維精度水平計算結(jié)果

圖10 帶像控點的空三成果3D視圖

3.2、三維模型的重建

空三成果合格后，下一步就進入模型重建生產(chǎn)了。選擇項目需要的坐標系，并從KML文件導入重建范圍（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)是比較耗時間的，重建速度主要取決于計算機的整體計算速度。此項目采用5臺電腦，耗時將近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目的核心目標，實景三維模型成果已經(jīng)生產(chǎn)完畢，對成果精度的檢核就是必須的要做的事情。我們聯(lián)合甲方一起對模型進行了一個精度的檢查，用RTK設(shè)備在測區(qū)測量了400個檢查點，最終選擇了399個平面檢查點和375個高程檢查點，對模型精度進行了檢查。檢查結(jié)果統(tǒng)計情況如下表所示：

表1 模型精度檢查統(tǒng)計表

由上表統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，該工程項目的成果精度完全達到了項目設(shè)計要求，甚至比設(shè)計的精度還高出一點。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。最終采用的檢查點分布情況如下圖所示：

圖14 模型精度檢查點位置分布略圖

4、總結(jié)和展望

此工程項目的外業(yè)投入人員是踏勘2人一天，像控點2人一天，外業(yè)飛行2人4天，內(nèi)業(yè)處理共計1人7天，其中人工操作約1天，其它時間是計算機自動完成計算。計算下來，采用飛馬F300搭載傾斜相機的方案，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)人員的勞動強度，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，相當于把現(xiàn)實城市搬回了家。這些優(yōu)勢都是傳統(tǒng)的人工測繪所不具備的。在實景三維模型上進行線劃圖的采集和建庫，也是傾斜攝影測量數(shù)據(jù)成果的一個主要應用方向。業(yè)主方已經(jīng)在此項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)的逐漸應用和普及，使實景三維模型數(shù)據(jù)的在線瀏覽和應用成為可能，就能為普通大眾提供更好地圖服務，比街景數(shù)據(jù)更加真實，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景的基礎(chǔ)平臺應用，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水平上一個臺階。

總之，飛馬F300智能航測遙感系統(tǒng)，經(jīng)受住了此項目的實際檢驗，能滿足大比例尺實景三維模型數(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：

[1]:張祖勛，《數(shù)字攝影測量學》，武漢測繪科技大學出版社，1997。

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

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