工程技术
DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2018.30.019
2018 NO.30Science and Technology Innovation Herald科技创新导报基于旋翼无人机倾斜摄影测量的
城市三维实景建模研究
周燕芳
(广州市城市规划勘测设计研究院 广东广州 510060)
摘 要：为了验证旋翼无人机倾斜摄影测量的可行性及精度，本文以重庆市高新区海王星片区为例，采用旋翼无人机对其进行了倾斜摄影，利用ContextCapture进行了三维实景建模，并采用外业实测控制点、检查点及测量数据对模型的平面精度及测量精度进行了验证，最终对基于旋翼无人机倾斜摄影测量技术进行三维实景建模的可行性、精度及效率做出客观评价，为后期的行业应用提供了一定的技术参考。关键词：旋翼无人机 倾斜摄影 三维实景建模 空三加密 精度验证中图分类号：P231 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2018)10(c)-0019-04
倾斜摄影测量技术的发展虽然只有几年时间，但国内已经有很多学者对该项技术进行了研究，并已有自主开发的倾斜摄影测量平台，如刘先林院士带领团队研制的SWDC．5系统、上海航遥公司的AMC580系统、中测新图公司研制的TOPDC-5系统摄影系统等，它的迅速发展使得目前高昂的三维城市建模成本得以大幅降低，为数字城市建设及地形复杂的地质灾害监测等方面的应用提供了全新的解决方案。由于无人机飞行高度低，且携带的轻型传感器所拍摄出的像片分辨率高，颜色真实，能够大幅提高所构建模型的纹理质量，近几年国内的一些科研院所及大型无人机生产商先后进行了固定翼无人机倾斜摄影系统的组装搭载测试并取得建模研究成功。旋翼无人机拥有垂直起降，对起飞着陆地点要求低、机动灵活且能够超低空飞行等特点，使其在对影像精度要求极高的倾斜摄影测量城市实景三维建模方面有很大的发展空间，因此本文以实验区为例，对基于旋翼无人机倾斜摄影测量技术进行城市三维实景建模技术进行实验研究，并对其可行性、精度及效率进行评估。
中间为下视镜头，侧视镜头以40°向内、向外或旋转分布于东南西北四个方向，同时传感器还需集成GPS/IMU惯导系统，在曝光的同时获取曝光点的位置及姿态信息。本次实验采用的5S倾斜相机采用了第一排两个镜头，第二排三个镜头的分布方式，其第一排中间镜头为正射镜头，其他为侧视镜头，侧视镜头与正射镜头偏角为30°，镜头统一采用CMOS传感器，有效像素3600万。
2 数据获取及建模处理
2.1 实验概况
实验区位于广东省广州市，实验区内地形为平地，
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面积约为1km。本次实验首先用旋翼无人机对实验区进行倾斜摄影并对其飞行质量进行检查，然后利用ContextCapture系统进行空三加密、密集匹配、不规则三角网建立及纹理映射等过程，实现三维实景建模，最后利用外业检查点对其成果精度进行检验，具体流程如图1所示。
2.2 数据获取
笔者于2016年3月11日采用蜻蜓5S倾斜摄影系统对实验区进行了倾斜摄影，航高250m，10条航线，共获取影像785张，地面分辨率约为0.043m，通过对影像质量检查分析，航向重叠度为80%，旁向重叠度为70%，通过对GSP及IMU的分析，其飞行稳定、航线弯曲度、航高保持良好，像片纹理清晰，层次丰富，色调均匀，影像效果如图2所示。2.3 三维实景建模
（1）数据准备。
本次实验采用ContextCapture倾斜摄影测量系统进行空三加密及实景建模，该系统可将正射与倾斜影像同时导入，并支持仅输入GPS数据直接进行多视角匹配的空中三角测量。数据准备主要包括原始影像数据准备、POS数据预处理、相机参数和制作导入索引。影像资料准备需将原始数据按照五个不同的方向进行文件组织，并保证同一曝光点影像数据与POS数据一一对应；相机参数主要含焦距、像素大小、主点坐标及检校文件等。导入索引文件制作需要将之前准备好的影像文件、POS信息及相机参数
1 旋翼无人机倾斜摄影测量系统
1.1 旋翼无人机系统
旋翼无人机系统由旋翼飞行器及地面操控系统组成，可自主或遥控飞行，对起飞着陆地点要求很低，能够垂直起降，且高度智能化，能以各种姿态飞行。这些特点使得其在测绘领域有了很大的发展空间。而在倾斜摄影测量方面，为了保证模型的精细程度，往往需要贴近地面及建筑物进行城市超低空飞行，旋翼无人机的机动、灵感、安全性及垂直起降等优势，无疑是城市倾斜摄影在最佳载体。本次实验采用的是由北京某公司研制的四旋翼无人机-蜻蜓5S，其轻便小巧，能够折叠随身携带，主要由飞控、通讯系统、定位系统、动力系统和电池组成。1.2 倾斜传感器集成
倾斜摄影传感器由多个镜头组成，较为常见的有3镜头和5镜头，镜头通过不同的方向和角度进行组合，使得其在同一曝光点获取建筑不同角度的影像，一般情况下，
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图1 倾斜摄影城市三维实景建模流程
图2 倾斜影像
图3 三角网和纹理映射成果展示
等信息按照ContextCapture提供的模板填写并制作索引文件。控制数据方面，本次实验区地形为平地，共布设像控点10个，检查点27个。
（2）空中三角测量。
空中三角测量又称空三加密，是倾斜摄影测量三维建模的重要环节。倾斜摄影获取的影像正视和斜视多个角度的影像，其空三加密较传统摄影测量更复杂，计算量更大，多视角影像的空中三角测量以初始的GPS数据为基础，采取由粗到精的金字塔影像匹配策略，在每级影像上进行同名点匹配及光束发平差，得到同名点匹配结果，同时为了确保平差精度，建立了连接点、控制点及IMU辅助
数据的多视角影像联合解算。在ContextCapture系统中，空三加密为全自动解算过程，如果自动结算出错，可返回查看影像POS数据、相机参数是否设置准确，如果原始POS数据精度较低，也可在第一次的空三基础上再一次加密，对其精度进行优化。本次实验空三加密采用了10个控制点及8个检查点，平差过后控制点平面最大残差0.039m，高程最大残差为-0.019m，检查点平面最大残差0.034m，高程最大残差为0.056m，因目前并无明确的倾斜摄影空中三角测量规范，与传统数字航空摄影测量空三加密精度指
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2018 NO.30Science and Technology Innovation Herald科技创新导报表1 模型量测点精度统计（单位：m）
序号外业实测值模型量测值
119.25519.11323.8823.72333.3653.34744.934.90355.4585.30062.2192.17077.1537.16787.1637.17794.9034.870103.1943.117
差值
0.1420.1590.0180.0270.1580.049-0.014-0.0140.0330.077
备注构筑物长度构筑物长度地面标志长度地面标志长度构筑物高度构筑物长度地面标志长度地面标志长度地面标志长度构筑物长度
标对比，其精度远高于1:500空中三角测量要求的基本定向点最大残差平面不大于0.13m，高程不大于0.11m的规范要求。
（3）三维实景建模。空三加密完成后，直接基于优化后的空三加密成果，设定三维建模的范围、瓦片大小以及匹配方式等参数，利用ContextCapture自动进行“影像金字塔构建”、“点云匹配”、“不规则三角网构建及优化”、“三角网简化”、“自动关联纹理”等过程，完成整个三维模型的自动创建与纹理的自动关联，模型效果如图3所示。2.4 三维模型精度分析
（1）检查点精度验证。模型构建完成后，可得到直观的实景三维模型，并可直接在三维模型上量测得到模型点的真实三维坐标信息及建筑模型的长宽高等，这也是三维模型在应用方面主要优势，并且很多基于三维模型的应用功能如视阈分析、淹没分析等都是以此为基础数据进行开发的，因此，在评估三维实景模型的精度指标中除了影像分辨率外还得重点考虑三维模型的数学精度。因此本文将利用外业控制点对三维模型的绝对精度进行分析验证，但因当前行业内并没有相应的规范对倾斜摄影测量技术所建的三维模型精度做出明确的规定，因此本次检测主要按照数学精度检测方法中高精度检测的要求,利用外业实测的27个检查点，与内业直接在三维模型上量测得到的三维坐标进行对比检验。
利用中误差计算公式计算检查点的坐标偏差可得：
Dx=127127精度外，还得考虑内业人员的量测误差、软件空间点拾取误差等，因此除模型本身的数学精度外，本文还对基于模型的量测精度进行了验证，内业通过Acute3DViewer进行量测，考虑偶然误差因素，内业同一标志量测三次取平均值作为模型量测值，外业利用徕卡激光测距仪进行实地量测，两种量测结果对比结果见表1。
通过表1可看出，直接基于模型进行量测构筑物的误差要大于地面标志，分析其原因，主要是由于倾斜摄影所建的三维模型主要是由点云构建不规则三角网并关联纹理形成，而三角网的精细程度又受影像分辨率所影响，无法模拟构筑物的直线轮廓边缘，达不到到现实中的菱角分明，导致内业量测时不能准确捕捉到建筑的拐角，使其存在一定的量测误差。而高度方面受模型底部精细程度所限，经常无法捕捉到准确的构筑物高度，本次实验中有两个标志点无法通过内业获取其高度信息。
3 结语
（1）数据获取方面，通过对实验区的影像获取、检查以及后期的三维实景建模验证，可看出轻型四旋翼无人机倾斜摄影测量系统操作简单，机动灵活，对起降场地基本无要求，完全可以应用于倾斜摄影测量三维实景建模工作。倾斜传感器方面，除了传统的以正射为中心，侧视围绕四周的模式外，本次实验的平行排列方式也可满足倾斜影像获取需求，后续工作中可尝试更为灵活的相机组合方式。
（2）精度方面，通过外业检查点对模型的绝对精度的验证情况来看，基于轻型四旋翼无人机倾斜摄影测量技术所建的三维实景模型其平面和高程中误差均可达到两个像素以内，并且其高程精度略高于平面精度。另外，模型的绝对精度可达到两个像素并不能代表基于模型进行长宽高等信息提取可达到相同精度，受倾斜模型的精细度和三角网的表达方式影响，无法准确捕捉到建筑物的拐角，而高度方面受模型底部精细程度所限，经常无法准确捕捉到构筑物高度，因此想要达到精度更高或更深入的应用还需对模型进行进一步的精细化处理。
（3）效率方面，本次实验区中数据获取含起飞和降落共计用时45min，数据处理共计用时约49h，本次实验采用两个节点运算，后续可通过增加运算节点来提升处理效率。
通过对数据获取、成果精度及处理效率的全面验证和评估，充分证明了轻型四旋翼无人机倾斜摄影测量系统用于倾斜摄影测量建模工作是可行的，同时通过本研
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∑∆xii=127=1272=0.0=0.069Dy=Dxy=Dz=∑∆yii∑i272Dx2+Dy2=0.095127∆z2=1i=0.08经统计，本次实验区内20个检查点的X方向中误差为0.0m，Y方向中误差为0.069m，均方根中误差(RMS，Root Mean Square)即平面位置中误差为0.095m，Z方向即高程中误差为0.08m,可看出其平面及高程误差均小于10cm（两个像素），且高程精度略高于平面精度。
（2）基于模型的量测精度验证。
三维模型的很多应用是基于模型直接进行建筑物的长、高、宽或者面积、体积量测，除了上文提到的模型绝对
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[3] 王伟.Pictometry倾斜摄影技术及其在三维城市建模中的应用[J].测绘与空间地理信息,2011,34(3):181-183.
究为后续该项工作的推动提供了一定的技术参考。在后续的研究工作中将进一步对模型的单体化、精细化、标准化处理以及面向不同行业应用进行更深入的研究。
参考文献
[1] 马晨.非量测相机倾斜航空影像空三加密精度评价[J].遥感信息,2015(6):71-75.
[2] 孙宏伟.基于倾斜摄影测量技术的三维数字城市建模[J].现代测绘,2014,37(1):18-21.
(上接18页)
B/S架构，对不同的对象根据其特点进行合理的排序和调整，制定出良好的流程。具体流程如图1和图2所示。4.3 可观的可持续发展性
公路勘察设计管理信息系统是现代公路管理的新型优良系统，能够为公路管理提供许多良好的方式，提升管理效率。系统的特点尤其是灵活性以及开放性对系统的性能提供的较强的支撑，同时，系统的设计方针始终是以面向对象为基本点出发，在系统设计研发时引进优良的计算机软件编程技术，这样可以确保系统运行的智能化和可靠性，并且能够让系统在未来较长一段时间内仍然有有效的用处。管理信息系统的各个方面都采取模块化分层结构，完全符合国家的每项硬性指标，并且由前文可以知道，系统的所有软件接口和数据接口都符合国际标准，能够与其他各种软硬件进行数据信息交流。因此，系统可以在自身资源的严格保护的前提下实现与其他数据接口的连接，实现数据的交流互通，在系统的运行下实现可持续发展。
5 结语
在公路勘察设计管理信息系统的研究和应用中，研发者要熟悉传统的勘察形式，了解用户的需要，从这些基本情况出发分析，充分发挥自身的创造力，严格处理和控制研发的过程。管理信息系统要在计算机软件编程的基础上进行操作，由此确保信息化和智能化，同时提高系统的灵活性。研发出优秀的公路勘察管理系统可以为今后公路管理提升效率，是今后的重要内容。
参考文献
图2 工作流程指定图——发文处理流程
在一些较为复杂的流程设计中因为设备或者算法的原因
不能够实现流程的最简化，有些流程设计甚至增大了人们的管理负担，需要人们手动设计，降低了工作效率。
[1] 蒋衍.辽宁电力勘测设计项目管理信息系统开发研究
[D].华北电力大学,2016.
[2] 袁涛.勘察设计企业工程承包管理系统的设计与实现[D].大连理工大学,2015.
[3] 王昱霖.企业勘察设计管理信息系统的设计与实现[D].电子科技大学,2013.
4 系统的功能特点
4.1 系统的可制定性
由前文的论述可以知道J2EE技术的应用使系统的板块结构实现分层化，即每个应用板块都可以单独顶层显示操作，所以大大提高了系统的灵活性，同时，由于B/S架构的采用使系统可以在各个操作系统平台上使用，并且还能实现网络化，实现数据的交流。这些应用都使系统的可制定行得到了提升。
4.2 基于B/S的工作流概念
良好的系统需要有合理的流程，从而使操作梳理程度提高，因此，在系统制定的过程中，需要用到前文所论述的
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