貴州GPS測量儀器淺談無人機傾斜攝影測量技術标準

無人機傾斜攝影測量技術是近年來發展起來的一項高新技術
，傾斜攝影技術三維數據可真實反映地物的外觀、位置、高度等屬性; 借助無人機，可快速採(cǎi)集影像數據，實現全自動化三維建模; 傾斜攝影數據是帶有空間位置信息的可量測影像數據，能同時輸出DSM、DOM、TDOM、DLG 等多種成果。目前，無人機傾斜攝影測量技術已被越來越多的行業認可和應用，但針對無人機傾斜攝影的國家技術标準一直沒有明確(què)，這就給無人機傾斜攝影工作帶來一定困擾。本文結合實際工作和學習經驗，對無人機傾斜攝影測量技術标準進行初步的探讨　

1、無人機(jī)傾(qīng)斜攝影系統介紹

傳統航空攝影隻能從垂直角度拍攝地物，傾斜攝影則通過在同一平台搭載多台傳感器，同時從垂直、側視等不同的角度採(cǎi)集影像，有效彌補瞭(le)傳統航空攝影的局限。那麽，無人機傾斜攝影系統可以定義爲: 以無人機爲飛行平台，以傾斜攝影相機爲任務設備的航空影像獲取系統。　

1.1 飛(fēi)行平台的性能要求

目前，市場上無人機的種類繁多，按照動力系統可以區分爲内燃機動力和電池動力; 從飛行實現方式上可以區分爲固定翼和旋翼( 單旋翼、多旋翼) 。由於(yú)飛行平台自身的振動問題，在成像質量上電池動力優於(yú)内燃機動力; 在作業效率和續航時間上，固定翼優於(yú)旋翼; 在飛行穩定性上，旋翼優於(yú)固定翼。由於(yú)無人機用途不同，其性能标準也不一樣。測(cè)繪型無人機對飛行标準要求更高，可以在載重、巡航速度、實用升限、續航時間、安全性和抗風等級等方面做出限定。例如: ①無人機最低載重2 kg; ②多旋翼巡航速度大於(yú)6 m/s，固定翼無人機巡航速度大於(yú)10 m/s; ③電池動力續航時間大於(yú)25 min，内燃機動力續航時間大於(yú)1 h; ④抗風性要求不低於(yú)4 級風速; ⑤無人機實用升限能達到1000 m 以上，海拔高度不低於(yú)3000 m。　　

1.2 傾(qīng)斜相機(jī)的性能要求

在《低空數字航空攝影規範》( CH/Z 3005—2010) 中，對測繪航空攝影也就是垂直攝影的相片傾角有著(zhe)如下規定: 傾角不大於5°，最大不超過12°。現有的航測軟件處理能力已經有瞭(le)很大提升，可以在這個标準的基礎上，把傾角15°以上的都劃歸到傾斜攝影的範疇。傾斜攝影發展到今天，傾斜相機不再限定相機鏡頭的數量。傾斜相機的關鍵技術指标是獲取不同角度影像的能力和單架次作業的廣度和深度。這包括五鏡頭、三鏡頭、雙鏡頭等多鏡頭相機及可以調整相機拍攝角度的單相機系統。在無人機航測标準中，要求航測相機像素不低於3500萬，在傾斜攝影中可以不對單一相機的像素進行限定
，而對一次曝光獲取的影像像素進行控制。

傾斜相機的性能要求可以從獲取影像能力、作業時間、曝光功能、續航時間、POS 記錄功能等方面做出限定。例如: ①傾斜攝影一次曝光採集的像素越高越好，但要根據設備成本考量，單個鏡頭不低於(yú)2000 萬像素，一次曝光不低於(yú)1 億像素; ②作業時間至少能滿足90 min，最好具備全天候的作業能力;③有定點曝光功能，確(què)保影像重疊度滿足要求。

2 、飛行航線的設計　

2.1 航攝高度的確定

無人機傾斜攝影的飛(fēi)行高度是航線設計的基礎(chǔ)。航攝高度需要根據任務要求選擇合适的地面分辨率，然後結合傾斜相機的性能，按照式( 1) 計算

式中，H 爲航攝高度，單(dān)位爲m; f 爲鏡(jìng)頭焦距，單(dān)位爲mm; α 爲像元尺寸，單(dān)位爲mm; GSD 爲地面分辨率
，單(dān)位爲m。

2.2 航攝重疊度的設置

低空數字航空攝影規範規定“航向重疊(dié)度一般應爲60%～80%，最小不小於(yú)53%; 旁向重疊(dié)度一般應爲15%～60%，最小不小於(yú)8%”。在無人機傾斜攝影時，旁向重疊(dié)度是明顯不夠的
。不論航向重疊(dié)度還是旁向重疊(dié)度，按照算法理論建議值是66.7%。可以區分爲建築稀少區域和建築密集區域兩種情況來進行介紹。

2.2.1 建築稀少區域

考慮到無人機航攝時的俯仰、側(cè)傾影響，無人機傾斜攝影測量作業時在無高層建築、地形地物高差比較小的測區，航向、旁向重疊度建議最低不小於(yú)70%。要獲得某區域完整的影像信息，無人機必須從該區域上空飛過。以兩棟建築之間的區域爲例，如果這兩棟建築由於(yú)高度對這個區域能形成完全遮擋，而飛機沒有飛到該區域上空，那麽無論增加多少相機都不可能拍到被遮區域，從而造成建築模型幾何結構的粘連。　　

2.2.2 建築(zhù)密集區(qū)域　　

影像重疊(dié)度與影像數據量密切相關。影像重疊(dié)度越高，相同區域數據量就越大，數據處(chù)理的效率就越低。所以在進行航線設計時還要兼顧二者之間的平衡。

2.3 區域覆蓋設計

“航向覆蓋超出攝區邊界線應不少於兩條基線。旁向覆蓋超出攝區邊界線一般不少於像幅的50%”，這是原規範在航攝區域邊界覆蓋上的保證，但在無人機傾斜攝影時是明顯不夠的。理論上，需要目标區域邊緣地物能出現在像片的任何位置，與測區中心地區的特征點觀測量一樣。考慮到測區的高差等情況，可以按照式( 2) 來計算航線外擴的寬度式中
，L 爲外擴距離; H1爲相對航高; θ 爲相機傾斜角; H2爲攝影基準面高度; H3爲測(cè)區邊(biān)緣最低點高度; L1爲半個像幅對應的水平距離。貴州GPS測(cè)量儀器

3 、控制測量

控制測量是爲瞭(le)保證空三的精度、確定地物目标在空間中的絕對位置。在常規的低空數字航空攝影測量外業規範中，對控制點的布設方法有詳細的規定，是確保大比例尺成圖精度的基礎。傾斜攝影技術相對於(yú)傳統攝影技術在影像重疊度上要求更高，現在的規範關於(yú)像控點布設要求不适合應用於(yú)高分辨率無人機傾斜攝影測量技術。無人機通常採用GPS 定位模式
，自身帶有POS 數據，對確定影像間的相對位置作用明顯，可以提高空三計算的準確度。　

3.1 常規三維建模

基於(yú)Smart3D 算法，從最終空三特征點點雲的角度可以提供一個控制間隔，建議值是按每隔20 000～40 000 個像素布設一個控制點，其中有差分POS 數據( 相對較精確(què)的初始值) 的可以放寬到40 000個像素，沒有差分POS 數據的至少20 000 個像素布設一個控制點。同時也要根據每個任務的實際地形地物條件靈活應用，如地形起伏異常較大的、大面積植被及面狀水域特征點非常少的，需要酌情增加控制點。控制點測量採取附合導線測量方式，獲取高精度位置信息。　

3.2 應急測繪保障

發生地震、山體滑坡、泥石流等自然災害後，爲及時獲取災區可量測(cè)三維數據，不能按照傳統的作業方式進行控制測(cè)量，可通過在Google 地圖讀取坐标、手持GPS 測(cè)量、RTK 測(cè)量等方式快速獲取災區少量控制點，生成災區真三維模型，爲災後救援提供幫(bāng)助。　　

4、空中三角測量　

以Smart3D Capture 自動(dòng)建模系統爲例，講解空中三角測(cè)量的相關要求。

4.1 像片刺點

将野外測(cè)量的控制點(diǎn)信息，按照實際位置刺到自動建模系統中，這個工作叫做像片刺點(diǎn)。刺點(diǎn)位置一般是十字交叉的中心、直線的左右角點(diǎn)或直角的内角點(diǎn)，如斑馬線的左右角點(diǎn)，根據影像分辨率和斑馬線的寬度，估算角點(diǎn)所占的像素，把影像縮放到合适的大小完成刺點(diǎn)。

4.2 空三計算

該系統中空三計算是自動完成，採(cǎi)用光束法區域網整體平差方法進行。即以一張像片組成的一束光線作爲一個平差單元，以中心投影的共線方程作爲平差單元的基礎(chǔ)方程，通過各光線束在空間的旋轉和平移，使模型之間的公共光線實現最佳交會，将整體區域最佳地嵌入到控制點坐标系中，從而恢複地物間的空間位置關系。

5、 三維模型質量

無人機傾斜攝影測(cè)量技術能夠提供三維點雲、三維模型、真正射影像( TDOM) 、數字表面模型( DSM) 等多種成果形式，其中三維模型具備(bèi)真實、細緻
、具體的特點，通常稱爲真三維模型。可以将這種實景三維模型當做一種新的基礎地理數據來進行精度評定，包括位置精度、幾何精度和紋理精度3 個方面。　

5.1 位置精度

三維模型的位置精度評定跟空三的物方精度評定有類似之處，通過比對加密點和檢查點的精度進行衡量。在控制點周邊(biān)比較平坦的區域，精度比對容易進行; 在房角、牆線、陡坎等幾何特征變化大的地方，模型上的採(cǎi)點誤差比較大，精度衡量可靠性降低，可以聯合影像作業，得到最終的成果矢量或模型數據再進行比對。　

6 、結語

随著(zhe)我國科技和經濟的迅猛發展，無人機傾斜攝影測量技術的應用也更加廣泛。讨論和制定無人機傾斜攝影測量的技術标準将極大促進這項技術的規範應用，更好地爲國家建設服務。目前，文中僅提出瞭(le)一些想法，貴州GPS測量儀器還需在今後的工作中繼續學習、實踐、改進。

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