使用无人机倾斜摄影进行快速实景三维建模研究

周本辰

（上海勘察设计研究院（集团）有限公司 上海 200438）

使用无人机进行倾斜摄影是近年逐渐成熟并发展起来的新技术，相对传统正拍航测，增加了更多角度的倾斜影像，采集了侧面纹理。随着无人机技术的逐渐进步提升，其制造成本大幅度降低。目前，无人机倾斜摄影平台的软硬件成本与操作难度较之以前也大为降低［1］。本文以上海某测区测绘工程为例，使用无人机进行摄影倾斜测量并建立实景三维模型，在这期间，采用多种方法保障成果质量并考虑提升效率。最后，在软件中，内业对所建立的倾斜模型进行地形图测绘，并对建模和数字化地形图进行精度验证，验证可满足1∶500数字化地形图测绘精度要求。

1 测区概况

该测区面积约1km²，测区内建筑物较多，地势平坦，存在农村密集居民点及部分工业园区，因此，给传统测图带来诸多不便。

2 无人机倾斜摄影并建模

可用于无人机倾斜摄影的设备众多，建模及三维采集软件也多种多样。本文使用大疆M300RTK 搭载P1 设备进行无人机倾斜摄影，在进行倾斜摄影过程中，通过制订好航飞计划，采用少量像片控制点的方法来保障成果质量和提升效率［2］。然后，使用大疆制图软件进行建模，最后生产完成的实景三维模型导入EPS软件，进行地形图测绘。

2.1 倾斜摄影测量设备选型

经纬M300 RTK 是一款小型多旋翼高精度航测无人机，面向低空摄影测量应用，具备厘米级导航定位系统和高性能成像系统，便携易用，全面提升航测效率。该系统针对小范围快速获取倾斜摄影数据的需求，将无人机技术与倾斜摄影技术有效结合［3］。系统具有成本低、飞行可靠性高、操作使用简单、起飞和着陆场地要求低、定位精度高等特点，可以满足倾斜摄影测量与快速三维建模对数据获取的要求。

禅思P1 是一款高性能、多用途的航测相机，集成了全画幅4500万图像传感器与三轴云台，搭配焦距为35mm 的行业专用定焦镜头。灵活的三轴稳定云台和快至0.7s的最小连续拍照间隔，禅思P1在三维数据采集时可边飞边摆动云台角度，实现了智能摆动倾斜航测。通过云台的旋转，将单镜头连续转向5 个方向进行航拍，模拟五镜头航拍作业，大幅提升了单镜头在倾斜摄影作业中的作业效率［4］。

2.2 少控方法探寻

在传统航测中，像控点测量工作是非常重要的一道工序，控制点的布设密度、观测精度以及内业刺点都直接影响着最终测量结果的精度。大比例尺地形图测图要求更高密度的控制点来保证精度，因此布控的成本会比较大［5］。在效率方面，也易受天气环境等因素影响。在精度方面，使用像控点测量也容易因选点、观测等人为误差，对成图精度造成影响。后续的空三解算中进行内业刺点工序，对作业人员经验也有要求，不熟练的作业员不容易刺准从而会影响结算精度。要想培养一个有经验的作业人员，也需要大量的技术支持。

M300 RTK 无人机支持使用遥控器，通过4G 网卡连接网络RTK 服务（RTCM3.2）接入千寻位置服务，从而获取无人机拍摄每张照片时的精确坐标。同时，根据飞控可以感知到相机的旋转角度等，经过积分运算，实时测定无人机的位置姿态信息。M300 RTK 无人机本身自带的RTK采用的千寻网络RTK实时差分定位。为减少测区内千寻网络RTK 定位与已知控制点的误差，安排在测区四角做4个像控点测量。另外，在测区均匀分布10个像控检查点用于精度验证。

2.3 航线设计

航线设计方案主要包括航高设计和航线设计。方案设计应明确任务范围、影像分辨率、航摄方法、技术参数、成果类型及精度、航摄时间等基本内容，制订实施计划。

像片重叠度：建筑稀少区域航向、旁向重叠度最小不低于75%，建筑密集区域航向、旁向重叠度不低于80%。

设计影像分辨率：考虑测区较为复杂，设计像片分辨率为0.02m。

本次项目根据测区内地面建筑物的高度，将测区分为高层及低层两种情况。低层为农村居民地区，平均高度低于20m 的密集建筑区；高层为平均高度超过90m的小区高层建筑区。为保证飞行安全及保证设计分辨率，低层区域采用加密航向、旁向重叠度的方法，尽量采集侧面纹理；高层区域则采用分层飞行、局部绕飞补充采集的方法，保证设计分辨率在建筑物的底部能够得到保证。

采用分层、局部绕飞等的飞行方法时，因为存在时间差，同一地点阴影位置不同，最终制作的模型纹理会出现变花（脏点）的情况。为了减少这种情况对模型观感的影响，在采用分层飞行、局部绕飞补充采集时，应该尽量选择在阴影较小的天气时进行航拍作业［6］。

2.4 航飞方案的执行

（1）飞行前，对使用的设备、材料进行认真检查，确保设备安装和各项设置正确无误。

（2）航摄现场负责人要严格掌握天气情况，确保符合航飞方案设计要求。

（3）飞机及人员抵达测区后，立即安排试飞试照工作，为正式作业做好准备工作。

（4）航摄时间宜控制在10：00-15：00之间，确保有足够的光照度，摄影时太阳高度角应大于45°，阴影不大于1倍。高层建筑物密集区域应在当地正午前后1h内摄影。

（5）航摄结束后，应及时对图像质量进行检查。

（6）航摄影像出现的相对漏洞和绝对漏洞均应及时安排补摄和重摄。漏洞补摄应按原设计要求进行，补摄的设备应采用前一次航摄设备。补摄航线的两端应超出漏洞之外两条基线以上。

（7）影像质量应清晰、层次丰富、反差适中、色调柔和，应能辨认出与地面分辨率相适应的细小地物影像，能够建立清晰的立体模型。影像上不应有云、云影、烟、大面积反光、污点等缺陷。确保因飞机地速的影响在曝光瞬间造成的像点位移不应过大。拼接形成的高分辨率彩色影像不应出现明显色彩偏移、重影、模糊现象。拼接影像应无明显模糊、重影和错位现象。

2.5 三维模型构建

倾斜摄影完成后，首先要对获取的影像进行质量检查，对不合格的区域进行补飞，直到获取的影像质量满足要求。当照片数据符合要求后，在大疆智图中导入所有的照片数据，进行三维建模。

倾斜摄影测量建模流程如图1 所示，包括导入像控点坐标、匹配坐标系、像控刺点、空中三角测量、空三解算通过、建立模型。

图1 倾斜摄影测量建模流程

（1）添加照片，选择重建类型，选择建图场景，选择所要输出的模型格式、坐标系等设置，进行首次空三处理。

（2）在完成首次空三处理后，导入像控点及检查点坐标成果，准备在软件中进行刺点操作。

（3）刺点：①选中任一像控点，然后点击照片库中包含此像控点的某张影像，则空三视图左侧区域将出现刺点视图，其上的蓝色准星表示所选像控点投影到此影像中的预测位置。②在刺点视图的影像上，按住鼠标左键可拖动影像，滑动滚轮可缩放影像。点击影像使用黄色准星进行刺点，标记像控点在影像上的实际位置。刺点在刺点视图和照片库缩略图中显示为绿色十字，同时，照片库缩略图右上角将显示对勾标记，表示此为刺点影像。③对于同一像控点，由第三张影像刺点开始，每次刺点后，蓝色准星的预测位置会根据刺点位置实时更新，像控点信息下方的刺点重投影误差和三维点误差亦会更新。推荐每个像控点的刺点影像数量不少于4 张，所刺控制点尽可能在测区内均匀分布，推荐不少于4个控制点（需要将像控点类型设置为控制点），检查点可以视实际情况设置。点击要刺的控制点—点击照片—查看点之记，在照片内找到控制点位置—按shift件+鼠标左键进行刺点。

（4）以上步骤完成后，点击开始重建，重建完成后，会显示建好的三维模型，结果如图2所示。

图2 三维模型实景成果整体展示

3 精度分析

用EPS 软件中将三维模型导入，并导入前面外业已做好的10个检查点，在三维模型界面中找到对应的点位，汇总统计模型上的坐标与实际坐标进行对比，计算两者误差大小。模型坐标与检查点坐标对比如表1所示。

表1 模型坐标与检查点坐标对比

数据显示，在三维测图软件中，像控检查点的平面中误差大约在0.43cm，高程中误差为0.57cm，可以满足1∶500数字化地形图测图精度要求。

4 结语

传统的大比例尺全野外数字化地形图测绘受外业作业天气影响大，并且工作量大，成图时期长。大比例尺传统正拍航测由于成图原理，加上外业缩房檐误差等问题，导致精度相对大比例尺全野外数字化地形图差。采用无人机进行倾斜摄影的方法，选用合适的飞行平台、传感器、软件平台，采用少量控制点的方式生产实景三维模型，再导入三维测图软件中进行测图，可一定程度上解决这一问题。外业工作量少，内业自动化程度高，成果可靠并且具有可视化效果，因此，采用无人机进行倾斜摄影，最终将建模成果导入软件进行地形图绘制的技术方法可作为地形测绘方法的重要补充。