1. 昆明理工大学津桥学院 昆明 650106；
2.云南地质工程勘察设计研究院 昆明 650041
摘要：随着倾斜摄影测量的发展，低空无人机倾斜摄影测量应用于救灾，可以快速得到灾区的三维模型，进而快速评估受灾面积、高差、体积、范围、影响程度。本文主要从三维模型生成方式：有、无像控点，单向、交叉航拍四个对处理速度影响较大的方面对灾区模型进行精度对比分析，得出无像控点、单向多条行航拍模式具有较高效率和模型精度，同时采用沿平行于滑坡方向摄影测量具有更高的精度。
关键词：倾斜摄影；救灾评估；像控测量；空三平差；密集匹配
The Fast Generation and Accuracy Analysis of low-altitude UAV Tilting Photography Emergency Relief Model
Based on the Context Capture
YANG Haibo 1 LUO Jiang 2
（1 Kunming University of Science and Technology，Oxbridge College，Kunming 650106；
2.Yunnan Geological Engineering Survey and Ddesign Institute，Kunming 650041）
Abstract：With the development of the tilt photogrammetry and low altitude UAV photogrammetry applied in disaster relief，can quickly get the 3d model of disaster area and then quickly assess the area、elevation difference、volume、incidence of the disaster area.this article is mainly from the perspective of 3d model generation type to perform precision comparison analysis between images has contral points or has no，and one-way or cross aerial，what four aspects will influence processing speed.that has no control point、One - way multi - line aerial photography pattern has high efficiency and model precision，and Photogrammetric measurement along the direction parallel to landslide has higher precision.
Key words：oblique photography；disaster assessment；Image control measurement；Aerial triangulation；Dense matching
0 引言
我国地域辽阔，气候、地质条件复杂。每年都会有大量的地质灾害发生、如地震、滑坡、泥石流、地表沉陷等。当灾害发生后政府部门启动应急响应、进行应急救灾。救灾的前提是进行灾害的评估，评估对象主要包括，灾害类型、范围面积、体积、受灾区域高差、受灾程度等。对于传统卫星遥感、低空垂直摄影测量，要么只能提供平面影像，无法快速提供灾区三维模型。或者能提供高分辨正射影像和三维模型，但由于是垂直投影方式由于摄影存在相互遮挡等问题，三维模型存在视场死角。近年来随着倾斜摄影测量技术发展和消费级民用无人机的推广，采用低空无人机倾斜摄影技术进行灾区三维模型的建模、评估，很具有应用前景。
1 无人机低空倾斜摄影测量
1.1 无人机低空摄影测量
无人机低空摄影测量是将量测相机或者非量测相机搭载到利用无线电遥控和自动程序控制的无人飞机或飞行器上，包括固定翼、多旋翼、飞艇、直升机 等多个机种。具有机动、快速、灵活、低成本、分辨率高的优势[1]。在快速获取国土资源、自然环境、应急救灾现势数据及测绘领域有着突出的效率和优势[2]。
1.2 倾斜摄影基本原理
倾斜摄影测量技术是当前测绘领域的研究热点。它促进了传统航空摄影技术发展，通过在飞行平台上搭载多台传感器同时从垂直、倾斜等多个不同角度同时拍摄正射和倾斜影像，通过立体建模将用户引入真实仿真世界［3］，［4］。
2、低空倾斜摄影测量应急救灾
自然灾害应急中讲究的速度效率，以最短的时间获取灾区全方位的信息，帮组决策者做出正确的决策。传统的遥感、垂直摄影测量方式，可能会存在分辨率低、相互遮挡、或者处理复杂、效率低的缺点，而应用受限。无人机低空倾斜摄影测量由于飞行高度低、多角度拍摄。生成的三维模型基本无死角，且分辨率高，纹理真实。但存在重叠度高，航拍效率低的缺点，如何满足快速应急救灾要求，本文从以下两个方面研究。
2.1 有、无像控点模型生成
为了得到较高的模型精度和进行空三平差，摄影测量一般需要像控测量。而从外业像控点布设到内业加入像控点进行联合空三平差都需要占据较多的时间，同时测绘应急人员在外业布测点时也会存在潜在危险。本文借助Context Capture软件研究对比倾斜摄影测量在有像控和无像控情况下生成灾区三维模型的实用性和准确性。Context Capture可以简便快速的完成目标区域的三维模型生成，人工干预量少，Context Capture 代表了全球业界自动建模技术最先进最高水平最优效果的软件产品［5］。其内业步骤航摄的数据处理主要包括倾斜影像自动空中三角测量、倾斜影像密集匹配和倾斜影像的拼接［6］。
在上述内业处理时，有像控点和无像控点的情况下都能进行多视像密集匹配，通过前方交会，生成目标区域的三维模型，有无像控点，实际上是对相对定向模型是否进行绝对定向，纳入到规定坐标系[7]，影响绝对定位精度[8]同时在光束平差时能抑制模型误差累积和传播、进而提高模型内部精度的作用。而应急救灾评估，更多关注灾区受灾情况，关注模型比例尺精度，而绝对定位精度要求并不高。无像控点情况下模型比例尺的精度主要取决于多视影像特征点匹配精度和POS数据准确度。其中低空倾斜多视影像具有覆盖范围大，分辨率高等特点。因此，如何在匹配过程中充分考虑冗余信息，快速准确地获取多视影像上的同名点坐标，进而获取地物的三维信息，是多视影像匹配的关键[9]。本文将从有、无像控点的角度，进行模型精度对比，并评价软件多视影像处理能力。
2.2 单向、交叉航线倾斜摄影
国内外倾斜摄影平台较多，如徕卡公司的ＡＤＳ４０和ＲＣＤ３０、美国的Ｐｉｃｔｏｍｅｔｒｙ、微软公司的ＵＣＯ、四维远见的ＳＷＤＣ－５、中测新图的ＴＯＰＤＣ－５ 等[3]。以５拼相机为例，如图2，在飞行平台上安装５个镜头，朝向分别为垂直向下、向前、向后、向左和向右，便可在飞行的过程中以同时获取多个角度的倾斜影像[10]，但5拼相机多比较昂贵。本文研究是以普通消费级无人机如精灵 PHANTOM4 PRO搭载普通单相机如图1进行飞行拍摄。为了弥补单相机拍摄范围较小的弊端，在航拍时一般设计垂直交叉飞行以获取多视角三维模型，特别是在建筑密集等遮挡严重区域。如果受灾区区域遮挡不明显，能否利用单向航线代替交叉航拍，本文就提高模型生成效率利用消费级无人机搭载单镜头相机验证横向、纵向进行模型精度对比验证。
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图1 PHANTOM4 PRO 无人机
3 实验案例
本次实验数据来源于云南地质工程勘察设计研究院关于云南省巧家县县城东北边滑坡救灾影像，整个滑坡最大高差约为80米，东西、南北最大长都约为180米，如图4，滑坡区下方为一新修小区房、公路，安全隐患较大。本次救灾采用采用大疆消费级无人机PHANTOM 4 PRO，搭载普通单相机拍摄，其相机参数和自带定位信息如图3，原始航拍范围大于滑坡区，为了获得多角度立体模型，采用交叉倾斜测量模式总共拍摄864照片。
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3.1 实验设计
为了获得较好的模型精度，在滑坡区周边、中间均匀布测了6个像控点，精度达到图根控制点精度级别。实验中为了节省时间选取只包含滑坡区的影像进行处理，并区分横、纵向、交叉航线，如图5、6、7。通过实验分别从两点间长度、高差、周长、面积四个方面验证对比了有像控交叉模型、无像控点纵、横模型与实测像控点数据的精度。考虑到5、6号像控点离滑坡区较远，选取的离滑坡区较近、对模型精度影响更大的1、2、3、4像控点进行实验分析，点位分布如下图：
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3.2 实验分析
不考虑手工选取点和边界范围误差，其中横、纵向航拍模型没有加入像控点处理，交叉模型加入了像控点处理。从表2分析可以得出：横向，纵向、交叉航拍得到三维模型中两点间的距离与像控点反算距离基本一致，最大差异也只有约4%，纵向精度总体较高；从表3分析可以得出：横向，纵向、交叉航拍得到三维模型中两点间的高差与像控点推算高差基本一致，最大差异也只有约5%，交叉模型精度最高、纵向精模型次之；从表4分析可以得出：横向，纵向、交叉航拍得到三维模型中三点间的面积与像控点推算面积基本一致，最大差异也只有约7.4%，纵向模型精度最高；从表5分析可以得出：横向，纵向、交叉航拍得到三维模型中三点间的周长与像控点推算周长，其中，最大差异也只有约1%，纵向模型精度最高；说明基于Context Capture软件处理的倾斜影像进行多视影像密集匹配，空三平差具有较好的适应性和模型相对精度，根据实验，采用沿平行于滑坡方向倾斜摄影测量具有更高的精度。
4 结束语
应急救灾对于时间要求紧迫，对于应急救灾决策、方案，需要一些及时、精度较高的灾区数据。本文从有、无像控点建立灾区三维模型和利用消费级低空无人机搭载普通相机进行单航线、交叉倾斜摄影建立三维模型四个可以较大幅影响处理时间方面入手，进行了灾区模型点间距、高差、面积、周长几方面进行验证。得出借助Context Capture软件，在基本不用人为干预条件下，在即使没有像控测量前提下也能获得较高的模型精度；同时在受灾区域遮挡不严重的情况下，单向多航线获取三维模型也具有较高的精度，误差基本都小于5%，同时节省时间是传统方法一半以上。因此，对于时间要求紧迫的应急救灾评估，如沿平行于滑坡方向无像控单向多条行航拍模式，无疑是一种可取的方法，但本文未就其实质，即未就坡度变化对倾斜影像匹配准确性影响进行分析，需做进一步研究。
参考文献
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[10]谭金石，黄正忠.基于倾斜摄影测量技术的实景三维建模及精度评估［J］ 现代测绘，2015，38（5）：21-24.
论文作者:杨海波1,罗江2
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第31期
论文发表时间:2019/1/14
标签：模型论文; 精度论文; 无人机论文; 测量论文; 低空论文; 影像论文; 纵向论文; 《建筑学研究前沿》2018年第31期论文;