無人機傾斜攝影測量技術下的地形數(shù)據(jù)建模和應用研究

翟麗

（阜新市生態(tài)空間勘測設計院有限公司 遼寧省阜新市 123000）

隨著科學技術地不斷進步，礦山測量的方法也不斷在增多，獲取的數(shù)據(jù)精度也越來越精密，不僅獲取方式快捷、效率也越來越高。全站儀和GPSRTK 動態(tài)測量技術是目前礦山測繪中應用最廣泛的技術手段。該技術不僅具有集成化、自動化程度高的特點，而且在一定程度上提高了礦山數(shù)據(jù)獲取的準確性和效率。但也存在一些問題，對于礦區(qū)一些陡坡區(qū)和一些危險地段，測繪人員往往無法到達，存在著測量安全隱患。傳統(tǒng)的人工單點測繪方法不僅增加了勞動強度，而且降低了工作效率。然而，隨著無人機技術的廣泛應用和無人機傾斜攝影測量技術的不斷完善，一方面縮短了工人進入礦區(qū)的工作時間，另一方面安全無需擔心，保證礦區(qū)三維數(shù)據(jù)信息的完整性，并且還滿足工程要求的高精度這一要求。露天礦地形復雜，采用傳統(tǒng)的測繪手段根本無法獲得高精度的地理信息數(shù)據(jù)。針對這一現(xiàn)狀，我們提出了利用無人機傾斜攝影測量技術進行露天礦地形測繪的技術方案。通過低空輕小型無人機遙感系統(tǒng)來完成攝影測量工作，具有操作簡單，機動性強的特點，不受地形和天氣的影響，可以高效率地完成規(guī)定的測區(qū)任務。此外，無人機航空攝影測量技術在測量過程中，不僅使我們所獲取的數(shù)據(jù)精度高，而且還能降低我們人工的計算難度，直接通過對應的軟件得到我們所需要的數(shù)據(jù)。

1 基本原理

1.1 傾斜攝影測量原理

傾斜航空攝影是利用傾斜航空相機獲取地物信息的一種新型航空攝影方式。和傳統(tǒng)的豎直航空攝影方式還是有些區(qū)別，傾斜相機通常采用五個方位進行數(shù)據(jù)采集，分為正攝、前視、后視、左視、右視，配合慣導系統(tǒng)獲取高精度的位置和姿態(tài)信息，通過對應的軟件將數(shù)據(jù)進行處理，所有的影像都納入到統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)當中，有利于后期的數(shù)據(jù)處理。

傾斜攝影測量技術可以應用到無人機上，無人機傾斜攝影技術通過超低空傾斜攝影，多角度采集信息?；谟跋駭?shù)據(jù)可對任意點線面進行量測，獲取厘米級的測量精度并自動生成三維地理信息模型，具有低成本、高效率、數(shù)據(jù)精度高、操作方便等優(yōu)點，極大優(yōu)化測繪內、外業(yè)的并行工作，較為圓滿地解決了天氣或人工等外因造成的作業(yè)延誤。

1.2 傾斜攝影測量技術特點

1.2.1 傾斜攝影技術過程

傾斜攝影技術不僅在攝影方式上區(qū)別于傳統(tǒng)的垂直航空攝影，其后期數(shù)據(jù)處理及成果也大不相同。傾斜攝影技術的主要目的是獲取地物多個方位（尤其是側面）的信息并可供用戶實時量測、多維瀏覽，并且方便獲取多方面的信息。

1.2.2 傾斜攝影測量技術的特點

1.2.2.1 能反映出地物真實情景

與正攝圖像不同，傾斜圖像可以讓用戶從不同的角度觀察建筑物，更準確地反映事物的真實情況，這在很大程度上彌補了正攝照片的缺陷。

1.2.2.2 傾斜攝影可單影像量測

使用一些軟件可以進行基于圖像的測量，包括地球物體的特征數(shù)據(jù)，并擴大傾斜攝影技術的應用。

1.2.2.3 建筑物側面紋理可采集

將三維“數(shù)字城市”應用于大規(guī)模航拍、坡度信息提取和紋理映射、數(shù)據(jù)采集，三維建?？梢源蟠筇岣咝?，降低成本?？梢远啻问占喞赃x擇相同位置的最佳紋理。

1.2.2.4 數(shù)據(jù)量小，適于網(wǎng)絡發(fā)布

使用傾斜攝影技術制作的真實3D 模型可以快速發(fā)布在互聯(lián)網(wǎng)上，發(fā)布后將實現(xiàn)包括PC 端和手機端的共享應用。

1.3 空中三角測量

無人機傾斜攝影測量技術的核心步驟為空中三角測量，其主要原理是共線方程與空間后方交會。

計算圖像的方向參數(shù)，外部方向元件，相機鏡頭的失真系數(shù)和接地控制點是處理空中三角測量數(shù)據(jù)所必需的最重要的步驟。

如圖1 所示，無人機通常具有五個鏡頭，在飛行采集數(shù)據(jù)時，通過四個傾斜角度和一個垂直角度的攝像機鏡頭對所要采集的地區(qū)進行數(shù)據(jù)采集。這樣子，同一個地物會得到各種不同角度的信息采集。在無人機飛行過程中，還可以記錄每張照片的經(jīng)緯度、高度、飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)等，在無人機外業(yè)數(shù)據(jù)采集完畢后，通過空中三角測量解算技術得到地物的三維模型，并用貼圖的方式進行紋理構建，這樣便可以建立具有精細數(shù)據(jù)的三維真實場景。這整個階段極少有人工的干預，因此具有十分高效的建模效率。

圖1： 五個鏡頭對地面實體拍攝

拍攝影像時，無人機會記錄航高、曝光時間、大地高度以及經(jīng)緯度坐標和飛行姿態(tài)等信息，這些信息將會在無人機三維實景建模中得到分析與管理。

1.4 傾斜航空影像拼接技術

近幾年來航空攝影測量得到了我們越來越多人的關注，由于技術的不斷完善，乘搭的相機的像素越來越高，獲取的數(shù)據(jù)的準確性不斷變高，傾斜航空攝影測量逐步應用到各種測量當中例如距離、高度、面積等。但慢慢我們應用中往往需要一大幅的影像數(shù)據(jù)，當時由于我們無人機的電量有限和眾多限制的影像，往往需要很多架次，而且不同位置的影像，所以我們需要把影像進行拼接處理，利用拼接技術不僅能剔除圖像序列間的冗余信息，更能有效地表示信息，總體技術流程：

（1）獲取各視角的傾斜影像；

（2）建立虛擬影像；

（3）選取視野范圍內的傾斜影像；

（4）將選擇的傾斜影像像素反投影至虛擬影像；

（5）減少高出地面豎直物體的重影效應。

2 矸石山的數(shù)據(jù)獲取及處理

航拍總技術流程圖如圖2 所示。

圖2： 航拍總技術流程圖

2.1 制定飛行計劃

此次測區(qū)范圍為392m x 390m，平均高程約為197m。使用Altizure 航線規(guī)劃軟件iOS 版，此版本還具有導入kml功能，將測區(qū)的kml 導入APP，能夠更合理的規(guī)劃航線，節(jié)省電量等。航線規(guī)劃圖如圖3 所示。

圖3： 范圍線

2.2 現(xiàn)場踏勘及航線規(guī)劃

構架航線又叫作控制航線，主要是指在測區(qū)內與測圖路由大致垂直的幾條航線。其主要功能是起到基本路線兩端控制點的作用，減少測區(qū)地面場像控制點布設的工作量，增強區(qū)域網(wǎng)模型之間的連續(xù)性，提高加密平差的精度。

（1）注意測區(qū)是否屬于禁飛區(qū)，測區(qū)內是否有高層建筑、信號塔和高壓線，從而確定合理的飛行高度。起飛點選擇地勢平坦、開闊、位置較高的地方（如小山丘、平房屋頂），起飛點應考慮最遠路線的信號傳輸問題。合法飛行，申請空域！

（2）起飛前，先用DJIGO4 連接無人機，檢查飛行器狀態(tài)，刷新返航點（重要）。飛行中，應該走到空曠的無遮擋的地方將遙控器天線對準飛機的位置，以防止斷開信號，導致無人機中斷任務返航。

（3）規(guī)劃航路時，適當擴大飛行區(qū)域，使測量區(qū)域完全覆蓋，航線重疊不小于85%，側面重疊不小于75%；該位置的控制點應均勻分布，避免出現(xiàn)一條直線?？刂泣c數(shù)量不少于3 個，控制區(qū)域周邊區(qū)域，每平方公里至少1 個。

2.3 像控點采集

一般是在測區(qū)的四個角和中間位置（但不要太靠近邊緣，以免拍不到）。像控點布設位置如圖4 所示。

圖4： 像控點布設

本次實驗我們選取了5 個控制點作為像控點，控制點選用的是2000 國家坐標系，1985 國家高程基準，我們選取的控制點布置在飛行區(qū)四周和中心。

3 矸石山實景模型的應用研究

本研究采用了法國 Acute3D 公司的Smart3D 軟件進行三維建模，它是一款革命性的制作實景影像三維模型的軟件系列，它可以通過簡單的照片生成具有高分辨率的真實三維模型。近乎于沒有任何限制的照片拍攝要求，并且數(shù)據(jù)處理的過程也具有高伸縮性和高效率，整個處理過程不需要人工干預，并且它還支持輸出多種數(shù)據(jù)成果和兼容多種數(shù)據(jù)源，有效解決了不同的GIS 應用平臺的兼容問題。它基于高性能攝影測量、計算機視覺與計算幾何算法，在實用性、穩(wěn)定性、計算性能、互操作性方面，能夠滿足嚴苛的工業(yè)質量要求，其關鍵優(yōu)勢是快速，簡單，全自動。

三維實景建模技術即利用航空拍攝的像片或地面拍攝的像片，利用空中三角測量的方法，獲得所拍攝點的三維位置信息，進而重建其立體模型的技術。三維實景建?？梢詢H僅通過幾百張拍攝的照片便能夠重建真實立體形狀，在國內外各種事件場景中都能得到運用。三維實景建模技術的原理是通過數(shù)學方法，比較同一物體點在不同航拍像片中的位置，進而推求出其在真實世界中的三維位置信息。三維實景建模技術是實景還原技術，因此不僅能夠得到地面實體的空間坐標，還可根據(jù)所拍攝的航片獲得其真實的紋理細節(jié)。在傾斜攝影中，拍攝的航片本身就攜帶有坐標信息，因此能夠通過三角測量得到未知點的三維坐標。

3.1 Smart3D三維建模流程

使用Smart3D 建模，需要做一些準備工作，首先應做的是確定工程所需的硬件設施，由于三維建模是比較耗時、高要求的工作，對計算機硬件有一定的要求。其次，是確定好航拍時所用無人機的焦距、傳感器尺寸、數(shù)據(jù)格式等。另外還需要對地面控制點進行一定的測量工作，地面測量點一般選擇形狀明顯，特征突出的地方。

通過數(shù)據(jù)資料分析和預處理，排除資料先天缺陷，確保用于建模的數(shù)據(jù)和資料完整、格式正確。然后利用Smart3D軟件進行三維實景建模，總體技術路線：

（1）將傾斜影像進行空中三角測量，獲得所有影像的高精度外方位元素；

（2）基于畸變校正后的傾斜影像和高精度的外方位元素通過多視影像密集匹配，獲得高密度三維點云，構建校園3D TIN 模型；

（3）根據(jù)3D TIN 每個三角形面片的法線方程與二維圖像之間的夾角選擇相對應的最佳紋理信息，實現(xiàn)紋理的自動關聯(lián)；

（4）輸出并獲得真三維模型成果。

3.2 實景模型測圖

地面數(shù)字測圖、地圖數(shù)字化和數(shù)字攝影測量等方法是數(shù)字測圖的重要方法，數(shù)字測圖與傳統(tǒng)的測圖方法比較有所差距，從字面意思上不難看出，數(shù)字測圖主要偏重于數(shù)字化，它是以計算機為核心技術的，在連接輸出設備和成圖軟件的支持下，借用我們通過測量手段獲得測區(qū)內的相應數(shù)據(jù)輸出我們所需要的圖形數(shù)據(jù)，它是一個面向圖形的過程，通俗一點的說就是計算機將我們所獲取到的采集數(shù)據(jù)通過處理，輸出數(shù)字地圖的方法。

傳統(tǒng)的數(shù)字測圖已經(jīng)滿足不了現(xiàn)在我們所需要的測圖需求了，原先我們都利用CAD 或者CASS 這兩個平臺軟件處理我們所需要的數(shù)據(jù)，但是隨著我們測量手段不斷地更新變化，航空攝影測量技術走入我們的視野當中，傳統(tǒng)的測圖的缺點也逐漸顯示出來。由于我們航測所獲得的數(shù)據(jù)范圍巨大，如果我們應用CAD 這些軟件的話，需要數(shù)據(jù)加工方能入庫，航測所得的數(shù)據(jù)最少也都好幾個G 以上，處理起來是非常耗費時間的，往往我們會出現(xiàn)沒有數(shù)據(jù)沒法工作的情況，其次CAD 的圖形與屬性是分離的，是分開儲存的，不利于我們整理和利用。

3.3 EPS測圖成果

基于真實三維模型的礦井地形要素采集，采用清華山維EPS 三維繪圖軟件。EPS 基于真實三維模型的DLG 測繪數(shù)據(jù)采集，采用二維和三維一體化的方法，實現(xiàn)了測量野外工作的內部工作。二維與三維符號一致，二維與三維編輯聯(lián)動。這種快速簡單的采集方法與航空測量相當。本測區(qū)礦井主要特征為地形地貌，包括道路、水系、少量簡易建筑物等，因此強調地形要素的采集。真實三維模型的osgb 格式數(shù)據(jù)由EPS 軟件加載，地形元素直接采集在真實三維模型上，具有真實的地理坐標信息，無需佩戴立體眼鏡。測圖成果如圖5所示。

圖5： EPS 測圖最終成果

由于建筑物高度是通過點云數(shù)據(jù)量測得到的，所構建的三維實景模型的空間框架能夠保證其精度。通過對模型進行空間量測，也得出三維實景模型與其實際建筑的空間框架保持一致。

3.4 三維實景模型的應用與研究

（1）地形信息的提取：通過3D 模型我們不難看出新邱露天礦矸石山地形的險惡程度，由于原先是礦山的緣故，人們的不斷開采，大型車的運輸，導致現(xiàn)在矸石山的車轍溝壑變得非常多。主要地形是中部以底坑為主，南部為未開采，形成了一個相對高一些的山部，四周也基本山是以溝壑為主，所以我在用EPS 畫圖的時候基本上畫的都是陡坎，在標高程點的時候，陡坎的上下都需要標注高程點，顯示出陡坎的坡度大小。

（2）獲取地理高程模型：在我們應用EPS 進行測圖時，地物畫完之后，我們可以直接把測區(qū)范圍畫出來，然后導入到CAD 中按15 個距離標上點，再導入到EPS 中直接標上高程點，自動就可以生成地形等高線圖，比我們傳統(tǒng)的人工采集數(shù)據(jù)更加的全面和安全。利用EPS 工作站進行地形圖繪制，運用多窗口聯(lián)動繪圖，地形圖的精度滿足測圖要求、此種方法提高了繪圖精度，并且大大提高了繪圖工作效率。

（3）工程量測：和傳統(tǒng)的測量手段相比，我們可以直接對三維實景模型進行距離量測、面積量測，高度量測等等。

4 結論

本文利用無人機傾斜攝影測量技術和基于Smart3D 的三維實景建模技術，對露天礦矸石山地形做了精細數(shù)據(jù)采集和三維模型的建立工作。實驗表明，三維實景建模技術在地形測量方面具有實踐價值，結合EPS 對三維模型管理，對露天礦地形數(shù)據(jù)的采集具有借鑒意義。

（1）以新邱露天礦3 號矸石山為實驗場地，在我們進行航飛之前進行航線規(guī)劃等。在基礎數(shù)據(jù)設計之后，利用無人機進行航拍來獲取傾斜影像數(shù)據(jù)。

（2）基于傾斜攝影測量技術，利用Smart3D 軟件將所得航飛數(shù)據(jù)進行處理，快速構建真實、直觀的三維實景模型，相比于傳統(tǒng)測量手段，本次實驗大大縮短了作業(yè)周期，并且生產(chǎn)成本也得到降低。

（3）利用EPS 軟件進行測圖，然后用所得結果進行分析與應用，模型精度非?？煽?，得到的影像數(shù)據(jù)滿足應用需求。