無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)介紹
傳統(tǒng)航空攝影只能從垂直角度拍攝地物，傾斜攝影則通過(guò)在同一平臺(tái)搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從垂直、側(cè)視等不同的角度采集影像，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)航空攝影的局限。那么，無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)可以定義為:以無(wú)人機(jī)為飛行平臺(tái)，以傾斜攝影相機(jī)為任務(wù)設(shè)備的航空影像獲取系統(tǒng)。
1飛行平臺(tái)的性能要求
目前，市場(chǎng)上無(wú)人機(jī)的種類繁多，按照動(dòng)力系統(tǒng)可以區(qū)分為內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力和電池動(dòng)力;從飛行實(shí)現(xiàn)方式上可以區(qū)分為固定翼和旋翼(單旋翼、多旋翼)。由于飛行平臺(tái)自身的振動(dòng)問題，在成像質(zhì)量上電池動(dòng)力優(yōu)于內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力;在作業(yè)效率和續(xù)航時(shí)間上，固定翼優(yōu)于旋翼;在飛行穩(wěn)定性上，旋翼優(yōu)于固定翼。由于無(wú)人機(jī)用途不同，其性能標(biāo)準(zhǔn)也不一樣。測(cè)繪型無(wú)人機(jī)對(duì)飛行標(biāo)準(zhǔn)要求更高，可以在載重、巡航速度、實(shí)用升限、續(xù)航時(shí)間、安全性和抗風(fēng)等級(jí)等方面做出限定。
例如:
?、贌o(wú)人機(jī)最低載重2kg;
②多旋翼巡航速度大于6m/s，固定翼無(wú)人機(jī)巡航速度大于10m/s;
?、垭姵貏?dòng)力續(xù)航時(shí)間大于25min，內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力續(xù)航時(shí)間大于1h;
?、芸癸L(fēng)性要求不低于4級(jí)風(fēng)速;
⑤無(wú)人機(jī)實(shí)用升限能達(dá)到1000m以上，海拔高度不低于3000m。
2傾斜相機(jī)的性能要求
在《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》(CH/Z3005—2010)中，對(duì)測(cè)繪航空攝影也就是垂直攝影的相片傾角有著如下規(guī)定:傾角不大于5°，最大不超過(guò)12°?，F(xiàn)有的航測(cè)軟件處理能力已經(jīng)有了很大提升，可以在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，把傾角15°以上的都劃歸到傾斜攝影的范疇。傾斜攝影發(fā)展到今天，傾斜相機(jī)不再限定相機(jī)鏡頭的數(shù)量。傾斜相機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)是獲取不同角度影像的能力和單架次作業(yè)的廣度和深度。這包括五鏡頭、三鏡頭、雙鏡頭等多鏡頭相機(jī)及可以調(diào)整相機(jī)拍攝角度的單相機(jī)系統(tǒng)。在無(wú)人機(jī)航測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中，要求航測(cè)相機(jī)像素不低于3500萬(wàn)，在傾斜攝影中可以不對(duì)單一相機(jī)的像素進(jìn)行限定，而對(duì)一次曝光獲取的影像像素進(jìn)行控制。傾斜相機(jī)的性能要求可以從獲取影像能力、作業(yè)時(shí)間、曝光功能、續(xù)航時(shí)間、POS記錄功能等方面做出限定。
例如:
?、賰A斜攝影一次曝光采集的像素越高越好，但要根據(jù)設(shè)備成本考量，單個(gè)鏡頭不低于2000萬(wàn)像素，一次曝光不低于1億像素;
?、谧鳂I(yè)時(shí)間至少能滿足90min，最好具備全天候的作業(yè)能力;
?、塾卸c(diǎn)曝光功能，確保影像重疊度滿足要求。
飛行航線的設(shè)計(jì)
航攝高度的確定
無(wú)人機(jī)傾斜攝影的飛行高度是航線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。航攝高度需要根據(jù)任務(wù)要求選擇合適的地面分辨率，然后結(jié)合傾斜相機(jī)的性能，按照式(1)計(jì)算H=f×GSD/α(1)式中，H為航攝高度，單位為m;f為鏡頭焦距，單位為mm;α為像元尺寸，單位為mm;GSD為地面分辨率，單位為m。
航攝重疊度的設(shè)置
低空數(shù)字航空攝影規(guī)范規(guī)定“航向重疊度一般應(yīng)為60%～80%，最小不小于53%;旁向重疊度一般應(yīng)為15%～60%，最小不小于8%”。在無(wú)人機(jī)傾斜攝影時(shí)，旁向重疊度是明顯不夠的。不論航向重疊度還是旁向重疊度，按照算法理論建議值是66．7%?？梢詤^(qū)分為建筑稀少區(qū)域和建筑密集區(qū)域兩種情況來(lái)進(jìn)行介紹。
第一
建筑稀少區(qū)域
考慮到無(wú)人機(jī)航攝時(shí)的俯仰、側(cè)傾影響，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量作業(yè)時(shí)在無(wú)高層建筑、地形地物高差比較小的測(cè)區(qū)，航向、旁向重疊度建議最低不小于70%。要獲得某區(qū)域完整的影像信息，無(wú)人機(jī)必須從該區(qū)域上空飛過(guò)。以兩棟建筑之間的區(qū)域?yàn)槔?，如果這兩棟建筑由于高度對(duì)這個(gè)區(qū)域能形成完全遮擋，而飛機(jī)沒有飛到該區(qū)域上空，那么無(wú)論增加多少相機(jī)都不可能拍到被遮區(qū)域，從而造成建筑模型幾何結(jié)構(gòu)的粘連。
第二
建筑密集區(qū)域
建筑密集區(qū)域的建筑遮擋問題非常嚴(yán)重。航線重疊度設(shè)計(jì)不足、航攝時(shí)沒有從相關(guān)建筑上空飛過(guò)，都會(huì)造成建筑模型幾何結(jié)構(gòu)的粘連。為提高建筑密集區(qū)域影像采集質(zhì)量，影像重疊度最多可設(shè)計(jì)為80%～90%。當(dāng)高層建筑的高度大于航攝高度的1/4時(shí)，可以采取增加影像重疊度和交叉飛行增加冗余觀測(cè)的方法進(jìn)行解決。如著名的上海陸家嘴區(qū)域傾斜攝影，就是采用了超過(guò)90%的重疊度進(jìn)行影像采集以杜絕建筑物互相遮擋的問題。影像重疊度與影像數(shù)據(jù)量密切相關(guān)。影像重疊度越高，相同區(qū)域數(shù)據(jù)量就越大，數(shù)據(jù)處理的效率就越低。所以在進(jìn)行航線設(shè)計(jì)時(shí)還要兼顧二者之間的平衡。
區(qū)域覆蓋設(shè)計(jì)
“航向覆蓋超出攝區(qū)邊界線應(yīng)不少于兩條基線。旁向覆蓋超出攝區(qū)邊界線一般不少于像幅的50%”，這是原規(guī)范在航攝區(qū)域邊界覆蓋上的保證，但在無(wú)人機(jī)傾斜攝影時(shí)是明顯不夠的。理論上，需要目標(biāo)區(qū)域邊緣地物能出現(xiàn)在像片的任何位置，與測(cè)區(qū)中心地區(qū)的特征點(diǎn)觀測(cè)量一樣。考慮到測(cè)區(qū)的高差等情況，可以按照式(2)來(lái)計(jì)算航線外擴(kuò)的寬度L=H1×tanθ+H2－H3()+L1(2)式中，L為外擴(kuò)距離;H1為相對(duì)航高;θ為相機(jī)傾斜角;H2為攝影基準(zhǔn)面高度;H3為測(cè)區(qū)邊緣最低點(diǎn)高度;L1為半個(gè)像幅對(duì)應(yīng)的水平距離。
控制測(cè)量
控制測(cè)量是為了保證空三的精度、確定地物目標(biāo)在空間中的絕對(duì)位置。在常規(guī)的低空數(shù)字航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范中，對(duì)控制點(diǎn)的布設(shè)方法有詳細(xì)的規(guī)定，是確保大比例尺成圖精度的基礎(chǔ)。傾斜攝影技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)攝影技術(shù)在影像重疊度上要求更高，現(xiàn)在的規(guī)范關(guān)于像控點(diǎn)布設(shè)要求不適合應(yīng)用于高分辨率無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)。無(wú)人機(jī)通常采用GPS定位模式，自身帶有POS數(shù)據(jù)，對(duì)確定影像間的相對(duì)位置作用明顯，可以提高空三計(jì)算的準(zhǔn)確度。
1常規(guī)三維建模
基于Smart3D算法，從最終空三特征點(diǎn)點(diǎn)云的角度可以提供一個(gè)控制間隔，建議值是按每隔20000～40000個(gè)像素布設(shè)一個(gè)控制點(diǎn)，其中有差分POS數(shù)據(jù)(相對(duì)較精確的初始值)的可以放寬到40000個(gè)像素，沒有差分POS數(shù)據(jù)的至少20000個(gè)像素布設(shè)一個(gè)控制點(diǎn)。同時(shí)也要根據(jù)每個(gè)任務(wù)的實(shí)際地形地物條件靈活應(yīng)用，如地形起伏異常較大的、大面積植被及面狀水域特征點(diǎn)非常少的，需要酌情增加控制點(diǎn)?？刂泣c(diǎn)測(cè)量采取附合導(dǎo)線測(cè)量方式，獲取高精度位置信息。
2應(yīng)急測(cè)繪保障
發(fā)生地震、山體滑坡、泥石流等自然災(zāi)害后，為及時(shí)獲取災(zāi)區(qū)可量測(cè)三維數(shù)據(jù)，不能按照傳統(tǒng)的作業(yè)方式進(jìn)行控制測(cè)量，可通過(guò)在Google地圖讀取坐標(biāo)、手持GPS測(cè)量、RTK測(cè)量等方式快速獲取災(zāi)區(qū)少量控制點(diǎn)，生成災(zāi)區(qū)真三維模型，為災(zāi)后救援提供幫助。
3
點(diǎn)位選擇要求
影像控制點(diǎn)的目標(biāo)影像應(yīng)清晰，選擇在易于識(shí)別的細(xì)小現(xiàn)狀地物交點(diǎn)、明顯地物拐角點(diǎn)等位置固定且便于量測(cè)的地方。條件具備時(shí)，可以先制作外業(yè)控制點(diǎn)的標(biāo)志點(diǎn)，一般選擇白色(或者紅色)油漆畫十字形標(biāo)志，并在航攝飛行之前試飛幾張影像，確保十字標(biāo)志能在傾斜影像上正確辨識(shí)。控制點(diǎn)測(cè)量完成后，要及時(shí)制作控制點(diǎn)點(diǎn)位分布略圖、控制點(diǎn)點(diǎn)位信息表，準(zhǔn)確描述每個(gè)控制點(diǎn)的方位和位置信息，便于內(nèi)業(yè)刺點(diǎn)使用。
空中三角測(cè)量
以Smart3DCapture自動(dòng)建模系統(tǒng)為例，講解空中三角測(cè)量的相關(guān)要求。
1像片刺點(diǎn)
將野外測(cè)量的控制點(diǎn)信息，按照實(shí)際位置刺到自動(dòng)建模系統(tǒng)中，這個(gè)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)或直角的內(nèi)角點(diǎn)，如斑馬線的左右角點(diǎn)，根據(jù)影像分辨率和斑馬線的寬度，估算角點(diǎn)所占的像素，把影像縮放到合適的大小完成刺點(diǎn)。
2空三計(jì)算
該系統(tǒng)中空三計(jì)算是自動(dòng)完成，采用光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差方法進(jìn)行。即以一張像片組成的一束光線作為一個(gè)平差單元，以中心投影的共線方程作為平差單元的基礎(chǔ)方程，通過(guò)各光線束在空間的旋轉(zhuǎn)和平移，使模型之間的公共光線實(shí)現(xiàn)最佳交會(huì)，將整體區(qū)域最佳地嵌入到控制點(diǎn)坐標(biāo)系中，從而恢復(fù)地物間的空間位置關(guān)系。
3
空三精度
在《數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范》中，對(duì)相對(duì)定向中像片連接點(diǎn)數(shù)量和誤差有明確的規(guī)定，但在無(wú)人機(jī)傾斜攝影空三中沒有相對(duì)定向的信息，單個(gè)連接點(diǎn)的精度指標(biāo)也未體現(xiàn)，不能完全照傳統(tǒng)空三那樣去挑粗差點(diǎn)，可以從像方和物方兩個(gè)方面來(lái)綜合評(píng)價(jià)空三的精度。物方的精度評(píng)定比較常用，就是對(duì)比加密點(diǎn)與檢查點(diǎn)(多余像片控制點(diǎn)，不參與平差)的坐標(biāo)差;像方的精度評(píng)定，通過(guò)影像匹配點(diǎn)的反投影中誤差來(lái)進(jìn)行控制?？杖Ｒ?guī)的精度指標(biāo)只能表現(xiàn)整體的精度范圍，卻不能看到局部的精度問題，通過(guò)外方位元素標(biāo)準(zhǔn)偏差更能全面的表現(xiàn)。通俗來(lái)講，空三運(yùn)算的質(zhì)量指標(biāo)包括:是否丟片，丟的是否合理;連接點(diǎn)是否正確，是否存在分層、斷層、錯(cuò)位;檢查點(diǎn)誤差、像控點(diǎn)殘差、連接點(diǎn)誤差是否在限差以內(nèi)。
三維模型質(zhì)量
無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)能夠提供三維點(diǎn)云、三維模型、真正射影像(TDOM)、數(shù)字表面模型(DSM)等多種成果形式，其中三維模型具備真實(shí)、細(xì)致、具體的特點(diǎn)，通常稱為真三維模型?？梢詫⑦@種實(shí)景三維模型當(dāng)做一種新的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行精度評(píng)定，包括位置精度、幾何精度和紋理精度3個(gè)方面。
1位置精度
三維模型的位置精度評(píng)定跟空三的物方精度評(píng)定有類似之處，通過(guò)比對(duì)加密點(diǎn)和檢查點(diǎn)的精度進(jìn)行衡量。在控制點(diǎn)周邊比較平坦的區(qū)域，精度比對(duì)容易進(jìn)行;在房角、墻線、陡坎等幾何特征變化大的地方，模型上的采點(diǎn)誤差比較大，精度衡量可靠性降低，可以聯(lián)合影像作業(yè)，得到最終的成果矢量或模型數(shù)據(jù)再進(jìn)行比對(duì)。
2幾何精度
傳統(tǒng)手工建?？梢宰杂稍O(shè)計(jì)地物的幾何形狀，而真三維自動(dòng)化建模，影像重疊度越大的地方地物要素信息越全，三維模型的幾何特征就越完整。反之，影像重疊度不夠可能出現(xiàn)破面、漏面、漏縫、懸空、樓底和房檐拉花等情況，影響地物幾何信息的完整表達(dá)。這種屬于原理性問題，無(wú)法完全避免，可以按照下面的方法進(jìn)行評(píng)定。在三維模型瀏覽軟件中參照航拍角度固定瀏覽視角，同時(shí)拉伸到與實(shí)際分辨率相符的高度去查看模型，看不出明顯的變形、拉花即可判定為合格，反之為不合格。
3紋理精度
真三維建模完全依靠計(jì)算機(jī)來(lái)自動(dòng)匹配地物的紋理信息，由于原始影像質(zhì)量不同，導(dǎo)致匹配結(jié)果可能存在色彩不一致、明暗度不一致、紋理不清晰等情況。要提高紋理精度就必須提高參加匹配的影像質(zhì)量，剔除存在云霧遮擋覆蓋、鏡頭反光、地物陰影、大面積相似紋理、分辨率變化異常等問題像片，提高匹配計(jì)算的準(zhǔn)確度。
結(jié)語(yǔ)
隨著我國(guó)科技和經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用也更加廣泛。討論和制定無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)將極大促進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)的規(guī)范應(yīng)用，更好地為國(guó)家建設(shè)服務(wù)。目前，文中僅提出了一些想法，還需在今后的工作中繼續(xù)學(xué)習(xí)、實(shí)踐、改進(jìn)。
