無人機傾斜攝影技術在中小河流測量中的應用探索

郭超 韓光 邵艷超

（1.河南省水利勘測設計研究有限公司，河南鄭州 450016；2.河南思拓力測繪科技有限公司，河南鄭州 450000）

隨著3S、虛擬現(xiàn)實等技術的飛速發(fā)展，地理信息技術手段帶來前所未有的變革：利用傾斜攝影技術對影像的平面、高程、結構、色彩、紋理等進行數(shù)字化處理，按照統(tǒng)一坐標無縫拼接，迅速建立測區(qū)實景三維模型，人們可以直觀地從三維模型上判讀山川、河流、房屋、道路等地物[1]。再利用EPS地理信息系統(tǒng)將測區(qū)三維模型矢量化后提供給設計部門進行參考設計，此作業(yè)流程與傳統(tǒng)垂直航測系統(tǒng)相比，突破了雙片立體測圖對人員要求高，長久佩戴立體眼鏡不適等限制，大大提高了生產作業(yè)效率。

中小河流治理項目多為帶狀地形，對測繪面積、局部建筑物地形精度要求較高，大多數(shù)地段要求測繪縱、橫斷面，無人機搭載多鏡頭的傾斜攝影技術較傳統(tǒng)航測技術更能較好地滿足這些要求。量測，每張斜片上的每個像素都對應真實的地理坐標位置[4]。總體的作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 傾斜攝影總體流程圖

1 傾斜攝影技術概述

傾斜攝影測量技術利用一個平臺搭載五臺傳感器，可以從一個垂面、四個傾斜面這五個角度進行拍攝。同時，在拍攝過程中，可以一次性記錄航向、航高、航速以及坐標等多個參數(shù)，通過這種多角度、全方位的拍攝，可以獲得更多的地物結構和紋理特征信息[2]。

傾斜攝影測量生產三維模型的作業(yè)過程：首先，要對獲取的影像進行質量檢查，對不合格的區(qū)域進行補飛，直到獲取的影像質量滿足要求。其次，進行勻光勻色處理，在飛行過程中存在時間和空間上的差異，影像之間會存在色偏，因此需要進行勻光勻色處理[3]。再次，進行幾何校正、同名點匹配、區(qū)域網聯(lián)合平差。最后將平差后的數(shù)據(jù)（三個坐標信息及三個方向角信息）賦予每張傾斜影像，使得它們具有在虛擬三維空間中的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，至此傾斜影像即可進行實時

2 EPS地理信息系統(tǒng)矢量化

實景三維模型的矢量化是傾斜模型的一項重要應用，EPS 3DSurvey 三維測圖系統(tǒng)，是山維科技基于自主版權的GIS數(shù)據(jù)生產平臺EPS地理信息工作站研發(fā)的三維矢量采編產品。它提供了基于正射影像、實景三維模型、傾斜影像、點云數(shù)據(jù)的二三維采集編輯工具，支持大數(shù)據(jù)瀏覽以及高效采編建庫一體化，直接對接基礎測繪、不動產、智慧城市等專業(yè)應用解決方案。

EPS 3DSurvey系統(tǒng)可以直接調用建模軟件生產的三維實景模型，支持Dsm、Osgb等數(shù)據(jù)格式的載入。在數(shù)據(jù)轉換過程中，自動構建八叉樹，保證了大數(shù)據(jù)實景模型的流暢顯示，還能以數(shù)字正射影像、實景表面模型數(shù)據(jù)為基礎，實現(xiàn)數(shù)據(jù)疊加、多窗口、多視角、二三維聯(lián)動等同步顯示和測圖[5]。

3 應用實例

3.1 工程概況

蘭商干渠位于河南省蘭考縣北部，黃河水由三義寨引黃閘進入干渠，自西向東自流進商丘境內。干渠蘭考段全長38.2公里，測區(qū)地勢平坦，沿途植被稀疏。綜合測區(qū)情況和測量內容，項目最終采用固定翼無人機和多旋翼無人機組合建模方法實施，測區(qū)內重點建筑物采用多旋翼五鏡頭進行小范圍拍攝，河道和非重點建筑物采用固定翼無人機以縱橫構架航線的形式進行大范圍拍攝，獲取的數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)進行處理，并實測地面像控點加以控制。

3.2 模型處理

目前，在國內市場上主流的模型生產軟件有Bentely公司的Context Capture，Skyline公司的PhotoMesh,Agisoft公司的PhotoScan等，綜合考慮上述軟件的精度、建模速度、紋理的精細度等方面，本項目最終采用Context Capture進行處理。

Context Capture處理流程為：新建工程項目→導入影像數(shù)據(jù)→輸入pos→轉刺像控點→空三加密處理→重建模型?？杖用芴幚磉^程中，由于線路狹窄，范圍過大，因此采用先分塊再合并區(qū)塊的空三加密處理方法，使之順利通過空三加密計算。

空三加密計算通過后，開始模型重建。按照項目要求依次設置好相應參數(shù)，模型重建采用分布計算方式，根據(jù)每臺計算機的性能和內存大小，最后將瓦片的大小設置為80米×80米，軟件將自動分配給每臺計算機任務，并將剩余任務進行排隊，等上一個瓦片計算完畢后，自動分配相應的任務。模型重建完成后，查看模型質量。本項目局部模型如圖2所示。

3.3 模型的質量檢驗

實景三維模型的質量應滿足完整性、幾何精度、邏輯一致性的要求。

圖2 項目三維模型局部展示界面

（1）實景三維數(shù)據(jù)產品應完整，數(shù)據(jù)要素不應有遺漏；

（2）實景三維數(shù)據(jù)產品的點位應滿足設計精度要求，模型數(shù)據(jù)各組成部分的相對位置應真實準確；

（3）實景三維數(shù)據(jù)產品的數(shù)據(jù)在遵循的概念模式規(guī)則上應一致，存儲格式應一致，模型數(shù)據(jù)空間位置應具有拓撲一致性；

（4）實景三維數(shù)據(jù)產品應按照技術規(guī)范劃分細節(jié)層次，所有數(shù)據(jù)應在統(tǒng)一的參照系下，模型的坐標位置和高程數(shù)據(jù)應準確。

本項目采用三維模型通用OSGB格式，模型的細節(jié)和紋理展現(xiàn)與現(xiàn)實一致，空間位置具有拓撲一致性，所有數(shù)據(jù)坐標系統(tǒng)均采用項目規(guī)定的1980西安坐標系，高程系統(tǒng)為1985高程系統(tǒng)。

項目航飛外業(yè)布設像控點時，為滿足內業(yè)質量檢查的需要，在滿足模型成圖要求的像控點數(shù)量前提下，又在測區(qū)做了均勻分布的15組檢查點。最后軟件自動計算其檢查點的殘差大小。檢查結果如表1所示。

表1 檢查點殘差計算表

經計算，上表平面位置中誤差為0.049m，高程中誤差為0.056m，15組檢查點的殘差數(shù)據(jù)滿足《1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖航空攝影測量內業(yè)規(guī)范》（GB/T 7930—2008）中對于1∶500地形圖平面和高程中誤差的要求，達到了項目對相對位置和絕對位置的設計精度要求。因此本模型可以用于本項目的生產工作。

3.4 EPS矢量化

EPS總體生產流程：新建EPS工程—數(shù)據(jù)轉換（影像）—數(shù)據(jù)加載（影像）—窗口設置—數(shù)據(jù)采集—數(shù)據(jù)檢查—數(shù)據(jù)修改（合格）。

在數(shù)據(jù)加載前，需將OSGB格式的模型數(shù)據(jù)轉換成軟件自身的DSM格式數(shù)據(jù)，通過格式的轉換，可以建立八叉樹模型，從而實現(xiàn)模型的縮放、平移、選擇功能的順暢操作。實景模型本身具有真實地理位置和高程屬性，因此可以直接采集地物的坐標和高程信息。

軟件內置了各種比例尺的國標符號庫，在模型矢量化過程中直接調用符號庫，從而實現(xiàn)采編一體化。采編界面如圖3所示。

圖3 EPS采編界面

EPS軟件具有輸入輸出線劃圖功能，提供了與CAD轉換的相應腳本文件，可以將圖形和屬性一起輸出，省去了再矢量化的步驟，大大減輕了工作量。

4 總結

通過論證，采用無人機傾斜攝影測制地形圖的方式不僅可行，而且提高了效率，降低了成本。在有足夠的地面控制點參與運算時，其精度可以達到1∶500的測圖精度，這是大比例尺測圖作業(yè)方式的一次巨大飛躍，在諸如水利地形圖測繪、水利移民搬遷測量、水利防洪規(guī)劃等相關測量工作中具有相當大的應用價值。

實景三維測圖實現(xiàn)了真實的裸眼三維測圖，能夠解決困難地區(qū)數(shù)據(jù)采集難的問題，讓測繪人員避免了危險作業(yè)，外業(yè)調繪工作量也大幅度減少。與傳統(tǒng)立體測圖相比更直觀，軟件操作更簡單，從而讓“辦公室測繪”的愿景更近一步。

[1]孫柳,宮輝力,趙文吉.從數(shù)字攝影測量到城市三維景觀模型的建立[J].首都師范大學學報,2005(6).

[2]王偉,黃雯雯,鎮(zhèn)姣.Pictometry傾斜攝影技術及其在三維城市建模中的應用[J].測繪與空間地理信息,2011,34(3):181-183.

[3]孫宏偉.基于傾斜攝影測量技術的三維數(shù)字城市建模[J].現(xiàn)代測繪,2014,37(1):18-21.

[4]王卿,吳曉明,劉力榮等.傾斜影像的量測方法研究[J].測繪與空間地理信息,2013,36(9):54-55.

[5]李安福,吳曉明,路玲玲.傾斜攝影技術及其在國內的應用分析[J].現(xiàn)代測繪,2014,37(6):12-14.