摘要：随着无人机技术、倾斜摄影测量技术和三维自动建模技术的快速发展，基于无人机倾斜影像的快速三维建模已成为测绘领域的一项高新技术，与传统测绘作业方式不同，不仅能够真实地反映地物情况、高精度的获取地物方位纹理信息，还可以通过先进的定位、融合、建模等技术，生成真实的三维模型。本文对无人机倾斜摄影技术技术原理、技术优势、数据采集、生产过程进行介绍，结合不动产测量项目进行生产试验和精度检查，说明该项技术在实际应用中的可行性。
关键词：倾斜摄影；工作原理；数据采集；不动产测量；精度检测
1 引言
倾斜摄影技术改变了以往正射影像只能从垂直角度拍摄地物的局限性，通过在同一飞行平台搭载多台传感器，同时从垂直和四个倾斜共五个不同角度采集影像，将用户引入了符合人眼视觉的真实世界。无人机具有响应速度快、处理效率高、运行成本低等多种优势，两者完美结合颠覆了传统测绘的作业方式，通过无人机多镜头摄影获取高清晰立体影像数据，自动生成三维地理信息模型，快速实现地理信息的获取，具有效率高、成本低、数据精确、操作灵活、信息丰富等特点，能够满足测绘行业的不同需求。
2 技术原理
倾斜摄影技术是通过在同一飞行平台上搭载多台传感器（目前常用的是五镜头相机，也有使用可以摆动的双镜头相机），同时从垂直、倾斜等不同角度采集影像，获取地面物体较为完整准确的信息，同时记录航高、航速、航向重叠、旁向重叠、旋偏角、坐标等重要参数。无人机倾斜摄影采集到的影像包含垂直摄影影像和倾斜摄影影像，垂直地面角度拍摄获取的影像称为正片（一组影像），镜头朝向与地面成一定夹角拍摄的影像称为斜片（四组影像）。在一个时段，飞机连续拍摄几组重叠的影像照片，同一地物能够在多张相片上同时被找到，这样同一地物具有多视角的影像以及更多的侧面信息，将这些影像通过区域网联合平差、多视影像匹配、DSM 生成、正射纠正、三维建模等流程，极大地拓展了影像的应用范围。
倾斜摄影测量技术以高分辨率、高精度的方式全面感知复杂场景，通过高效的数据采集设备和专业的数据处理流程，生成的数据成果能够直观反映地物的外观、形态、位置、高度等属性，为真实效果和测绘精度提供有力保证。
3 优势和功能
（1）倾斜摄影测量技术可以真实反映地物的真实面貌，与正射影像相比，倾斜影像能够让用户从多个角度观察地物，更直观的体现了地物的外观、结构、位置以及高度等属性，更加真实地反映地物的实际情况，极大的弥补了基于传统正射影像应用的不足，使倾斜摄影测量技术应用更为广泛。
（2）倾斜摄影能够实现单张影像量测通过配套软件的应用，能够直接基于成果影像进行包括长度、宽度、面积、高度、角度、坡度等的量测，扩展了倾斜摄影技术在行业中的应用。
（3）倾斜摄影测量全方位获取地面的复杂场景，能够快速、有效地获取地物垂直影像及侧面纹理，建筑物侧面纹理可满足各种三维数字城市应用，且数据带有空间位置信息和各种影像数据，可借助具有高性能协同并行处理能力的数据处理系统，快速实现基于倾斜摄影技术的三维模型建立，还可以输出DSM、DOM、DLG等的数据成果。这种方式可以有效地降低城市三维模型构建成本，提高我国数字城市建设的基础数据获取效率，缩短城市三维建模工作周期。
（4）相对于三维GIS技术应用庞大的三维数据，应用倾斜摄影技术获取的影像的数据量要小得多，其影像的数据格式可采用成熟的技术快速进行网络发布，实现共享应用。
4 应用实例
临泉县农村宅基地及集体建设用地确权登记发证项目，工作任务是对测区内约10万宗宅基地及集体建设用地进行确权登记发证，工期12个月，时间紧、任务重，为更快、更好的完成测量任务，保证地籍测量精度，计划采用倾斜摄影测量方式获取DLG。
临泉县地处安徽省西北边界，属于淮北冲积平原西南部，海拔高度31～40米，地势平坦。非常适于开展倾斜摄影测量工作。
技术流程：首先进行航线布设和像控点选取、测量，像控点测量完成后进行无人机倾斜摄影数据采集，在外业航飞结束后，进行内业数据处理，无人机倾斜摄影数据内业处理主要包括数据预处理、空中三角测量和生成三维模型。
4.1 航线布设
为满足不动产测量一类界址点精度不小于5cm的要求，本项目倾斜摄影地面分辨率要求优于1.5cm。
在规划航摄任务时，在航飞任务周边方向上的覆盖均应超出摄区边界线，同时保证覆盖到相邻航摄分区公共区域的像控点，以保证倾斜方向上的航片数量。
航向重叠度应满足75%-85%；旁向重叠度应满足70%-80%；空地多，建筑少的区域可适当放宽重叠度。
同一航线上相邻像片的航高差不应大于1米，最大航高与最小航高之差不应大于3米，实际航高与设计航高之差不应大于5米。
4.2 像控点布设及测量
根据飞行计划、飞行高度，并结合现场情况确定像控点的数量及分布，摄区采用飞前布设像控点的方式。
为保障数据成果精度，从而对控制点的要求相对提高，使每平方公里内不少于50个控制点。房屋顶部应相应的增加控制点，从而使数据的精度有进一步的提高。
像控点一般选择布设在影像的六度重叠区域，至少为五度重叠。在交通便利、地势相对平坦的区域，上方无障碍物和遮挡物（天顶距不小于45°角）、点位易于布设像控点标志。像控点测量采用AHCORS网络RTK技术，按GNSS RTK图根点的精度测定像控点的点位坐标。固定解状态下测量，对每个像控点测量2次，每次观测历元数不少于20个，数据采集间隔不少于2秒，当点位平面和高程较差均小于3cm时取其平均值作为最终成果。
4.3 无人机倾斜影像数据采集
使用低空无人机倾斜摄影测量系统进行影像采集，影像要求清晰、层次丰富、反差适中、色调柔和、同时尽量避免大面积云、烟、反光、污点等缺陷。因此尽量选择微风晴朗的天气，航摄时间一般选择在9：00至16：00之间为满足影像分辨率，飞行高度控制在100-150m之间，为保证无人机安全，每架次飞行时间控制在30min左右，作业范围约0.1km²。
本项目采用大疆六旋翼无人机系统，主要包括六旋翼无人机飞行平台、地面监控系统、地面监控系统、睿铂DG3五镜头倾斜摄影相机、遥控器等设备。其中传感器尺寸为23.5*15.6mm，总像素大于等于120MP，最小曝光间隔小于等于0.8s。
4.4 数据预处理
倾斜摄影数据采集完成后，首先需要检查POS数据与影像是否能够一一对应，并将无人机POS数据（WGS84坐标）按要求进行坐标系转换；其次检查影像是否清晰，有无大范围的模糊遮挡现象，像控点是否清晰、可辩、无遮挡；最后为提高三维建模的精度和效果需对影像进行匀光匀色处理等。
4.5 空中三角测量
为更好的解决倾斜摄影的匹配问题，一般采用基于多视角倾斜影像的密集匹配技术，以倾斜影像瞬间POS系统的观测值作为多角度倾斜影像的初始方位元素，根据成像模型，计算出每个像元的物方坐标，利用基于物方的多基线、多特征匹配技术可生成倾斜影像之间大量的连接点，并结合少量的外业像控点通过区域网平差，实现多视角联合空中三角测量，最终生成空中三角测量成果。
首先采用Smart3D Capture对倾斜摄影影像进行同名像点自动匹配，对获取的特征进行多视影像密集匹配技术匹配同名点，进行粗差点检测，构建自由网，然后刺点并输入像控点坐标，进行光束法区域网平差。根据平差结果进行反复调整，包括参数设置、像控点刺点点位等，直至空三结果满足要求，最后输出空三报告。
4.6 三维模型生成
在空三精度满足要求后，可以计算三维模型，设置模型的空间参考系统。多视影像密集匹配能得到高密度数字点云，构建数字表面模型（DSM）。倾斜影像联合空三解算出各影像的外方位元素，选择最佳影像匹配单元进行特征匹配和逐像素级匹配。经过密集匹配获得的高密度点云数量较大，需要进行切割分块。可根据计算机性能以及设置的优先级别对切块的点云数据进行不规则三角网构建。通过对三角网的优化，将三角网的尺寸调整至与原始影像相匹配的比例，并通过对连续曲面的分析对平坦地区的三角网进行简化，降低数据冗余，获得不规则三角网TIN模型矢量架构。
Smart3D Capture系统的三维重建过程是基于瓦片技术，基于集群处理系统的并行处理机制将每个瓦片打包建立成为一个任务，自动分配给各计算节点进行模型与纹理影像的配准和纹理贴附，从而生成最终的三维场景。
4.7 DLG数据采集
最后将三维数字表面模型导入清华山维EPS 3D Survey测图系统，进行DLG数据采集，形成1：500大比例地形图。
4.8 DLG精度统计与分析
为了检验倾斜摄影测量不动产的可行性和精度情况，在测区采用GNSS RTK布设图根控制点，并使用全站仪均匀地测量主要地物点，包括房角，墙角等可以快速识别的特征点，将这些实地量测的检查点坐标作为检核点，通过判断检查点点位中误差的大小是否满足不动产测量的规范要求，进行验证基于倾斜摄影测量不动产的可行性和精度情况。
在航摄区随机检测平面点186个，均按高精度检测方法计算，超过2倍中误差的视为粗差，剔除粗差后，计算平面位置中误差为±4.1cm，误差区间符合正态分布，完全能够满足不动产测量对界址点的精度要求。具体精度统计情况见表1。
平面位置精度统计表 表1
5 结束语
本文基于无人机倾斜摄影系统获得影像数据和POS数据，通过Smart3D 软件进行了空中三角测量，生成数字三维模型，并在此基础上制作了大比例尺地形图。将实地量测检查点坐标和基于三维模型生成地形图中的平面坐标进行对比，验证了通过采用倾斜摄影方式生成的地形图在数学精度上可以满足1：500不动产测量界址点的要求，技术路线可行，可应用于农村土地确权、不动产测绘等领域。
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作者简介：潘安，1981年4月，男，工程师，正元地理信息集团股份有限公司山东分公司 主要从事工程测量工作。
论文作者:潘安
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/7/26
标签：影像论文; 测量论文; 无人机论文; 地物论文; 精度论文; 数据论文; 技术论文; 《基层建设》2019年第14期论文;