摘要：分別用 RTK兩種測量模式測定像控點，用大疆消費級無人機 Phantom４PRO 開展傾斜攝影測量，最后進行成果檢驗。結(jié)果表明：RTK 電臺模式(不做坐標校正，精度低)、RTK－CORS 網(wǎng)絡(luò)模式測定像控點都能建立傾斜三維成果；像控點相對坐標差較小，但實測坐標差、圖面坐標差較大。RTK－CORS測量像控點的航測成果平面精度為０．０３６ｍ，高程精度為０．１３５ｍ；４種明顯地物實測距離偏差都在２cm 內(nèi)。低精度像控點能輔助快速建立傾斜攝影測量三維成果；若需關(guān)注精確坐標，采用 RTK－CORS網(wǎng)絡(luò)模式測定像 控點輔助大疆 Phantom４PRO 無人機小范圍快速傾斜攝影測量是可行的。

引言

無人機傾斜攝影測量以無人機為飛行平臺，搭載一個或多個傾斜攝影系統(tǒng)(數(shù)碼相機)獲取多角度、多重疊度的地面多視影像，通過后期處理，建立地表三維模型與相關(guān)數(shù)字產(chǎn)品。相比于垂直攝影測量，傾斜攝影測量更具優(yōu)勢。 近年來，由于無人機技術(shù)與數(shù)碼成 像 技 術(shù) 的 成 熟、基于計算機的圖像高速匹配運算的實現(xiàn)、各行業(yè)對新６Ｄ測繪產(chǎn)品(３ＤＭ、ＤＳＭ、ＴＤＯＭ、ＤＯＢ、ＤＥＭ、ＤＬＧ)的需求等因素使得傾斜攝影測量快速發(fā)展。有人機搭載多鏡頭傾斜相機(如萊卡ＲＣＤ－３０５鏡頭)或無人機搭載超輕型多鏡頭傾斜相機，航測效果較好。如徐思奇使用的雙鏡頭傾斜相機 航 測 試 驗 達 到了１∶５００ 地圖制圖精度。專業(yè)無人機傾斜攝影測量一般搭載５鏡頭固定式或雙鏡頭擺動式傾斜攝影測量系統(tǒng)，搭載RTK 還可實現(xiàn)地面免像控點測量，但價格昂貴。無人機傾斜攝影測量研究集中在傾斜相機試驗、三維建模、地形圖測繪與精度分析、行業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域。小型消費級無人機通過單鏡頭特定航線獲取的傾斜影像同樣能被主流的三維建模軟件ContextCapture、Pix4DMapper等識別，三維建模完成后，亦可使用EPS、ＤＰ－Ｍｏｄｅｌｅｒ等軟件進行后期精細化建模及矢量提取。小型消費級無人機航測研究中，以大疆無人機開展垂直攝影測量的研究較多。 如張純斌等基 于 大疆精靈３PRO 進行了５０ ｍ－１００ｍ間６種航高的垂 直攝影測量實踐，精度達到厘米級。傾斜攝影測量實踐，如孔振等［１４］基于大疆Phantom２(搭載ＤＪＩ２＋鏡頭)、Phantom３(搭載 ＤＪＩ３)傾斜測量數(shù)據(jù)進行郊區(qū)空三精度、ＤＥＭ、ＤＯＭ 精度評價，結(jié)果優(yōu)于１∶５００航測精度，該研究航測線路為依據(jù)測區(qū)的自定義航線，大范圍推廣效果有待進一步驗證。

大疆 Phantom 系列無人機傾斜攝影測量經(jīng)濟適用、對起飛場地要求低、操控靈活，但是動力有限、沒有搭載高精度 RTK、不具備大范圍測圖的能力。城區(qū)建筑高、地物多樣，傾斜攝影測量難度大；尋找大地控制點、RTK 架設(shè)電臺、坐標采集校正、重復(fù)航線及其帶來的大量數(shù)據(jù)、無人機動力等因素降低了航測效率。 選擇適宜的飛控軟件、適宜航線、RTK 獲取相控點等都關(guān)乎傾斜攝影測量的精度與效率。

本研究基于大疆Phantom４PRO 無人機(飛控軟件為Pix4DCapture)在楚雄市城區(qū)某高校開展傾斜攝影測量，使用南方測繪銀河１RTK 兩種測量模式(精密模式與粗略模式)獲取像控點三維坐標，基于 ContextCapture完成三維建模，基于EPS進行后期處理。根據(jù) RTK 測量的檢查點與地面明顯地物鋼尺量距數(shù)據(jù)檢驗成果精度，以期探索簡單、高效、快速的消費級無人機小區(qū)域傾斜攝影測量方法，為行業(yè)運用服務(wù).

1、傾斜攝影測量的過程、研究區(qū)與研究流程

大疆無人機進 行傾斜攝影測量的主要過程為：

①在測區(qū)布設(shè)像控點，測定像控點三維坐標；

②通過飛控軟件操縱，無人機按照飛控軟件設(shè)計航線飛行，獲取傾斜多視影像。

③ 將多視影像進行勻光、校正等預(yù)處理后，進行多視影像連接點自動匹配，匹配粗差檢查、構(gòu)建自由網(wǎng)。

④ 根據(jù)地面像控點、ＰＯＳ數(shù)據(jù)，平 臺校驗參數(shù)等進行區(qū)域網(wǎng)平差，解算多視影像外方位元素和加密點地面坐標，形成高密度點云數(shù)據(jù)。

⑤ 經(jīng)過三角網(wǎng)構(gòu)建和紋理映射，生成數(shù)字表面模型，并在此基礎(chǔ)上進行三維建模、正射糾正、矢量提取、地物精細建模等形成新測繪６Ｄ 產(chǎn)品。

研究區(qū)為云南省楚雄市內(nèi)某高校新校區(qū)，地勢較平坦，主要建筑都為６層，校內(nèi)包括教學(xué)樓、學(xué)生宿舍、食堂、學(xué)生會堂、運動場、道路、綠化等，總面積約為22hm2。

油漆噴涂地面控制點后，使用 RTK 獲取 ２種測量模式的２組像控點，使用無人機通過傾斜攝影獲取測區(qū)多視影像，通過 ContextCapture完成空三測量與三維建模，然后將建模結(jié)果導(dǎo)入EPS，進行后期處理；最后對比２種RTK測量模式獲取的 控制點對建模結(jié)果造成的差異；通 過RTK 實測檢查點、鋼尺實測數(shù)據(jù)檢驗傾斜攝影測量測圖精度。

圖１技術(shù)路線

2、傾斜攝影測量實施

２．１ 外業(yè)測量

綜合考慮到現(xiàn)有條件與實踐經(jīng)驗，本研究采用的軟硬件列表見表１。

飛控軟件選擇 Pix4DCapture，設(shè)計航高為６０ｍ，航線采用雙網(wǎng)格任務(wù)模式(ＤｏｕｂｌｅＧｒｉｄＭｉｓｓｉｏｎ)，航向、旁向重疊均為８０％，傾角７０°。

圖２ 是本研究的航線設(shè)計示意圖

使用大疆 Phantom４PRO 無人機通過四個架次飛行獲取研究區(qū)圖片共2282張，數(shù)據(jù)量為18.2G。

RTK 控制點／檢查點測量。表２是本研究采用的 RTK 測量模式。 楚雄州 CORS 站于 ２０１４年１０月通過驗收，滿足 ＧＢ／Ｔ２８５８８－２０１２、ＣＨ／Ｔ２００８－２００５、ＧＢ／Ｔ１８３１４－２００９、ＧＢ／Ｔ２４３５６－２００９技術(shù)標準。試驗區(qū)距最近的楚雄市西山頂 CORS站直線距離１．５ｋｍ，CORS 信 號 穩(wěn) 定，RTK－CORS網(wǎng)絡(luò)模式施測時間選擇在下午３點－６點間。使用模式１和模式２分別測定像控點各４個。使用 RTK測量模式２測定檢查點２５個。使用鋼尺量距，測量典型地物長度數(shù)據(jù)４０個。

２．２ 內(nèi)業(yè)處理

使用ACESEE查看圖片，尋找并記錄地面噴涂點所在像片編號；使用 ContextCapture導(dǎo)入多視影像后，逐一確定４個控制點在相鄰像對圖片上的位置及其對應(yīng)的 RTK 實 測 像 控 點 坐 標，完成空三測量；設(shè)置輸出坐標參數(shù)，進行分塊設(shè)置，輸出傾斜模型成果為 ＯＳＧＢ 格式(RTK 測量模式一、模式二分別得傾斜模型成果 )，輸出ＤＯＭ 為 ＴＩＦ 格式。使用 ArcGIS將所有DOM文件拼接為大圖。將傾斜模型成果和 ＤＯＭ 導(dǎo)入到 EPS，進行地物矢量提取、建筑白模生成、高程數(shù)據(jù)提取。最后進行傾斜模 型 的 產(chǎn) 品 對 比 和 精度驗證。

3、結(jié)果與分析

３．１ 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

圖３是 研 究 區(qū) 傾斜攝影測量 成 果 局 部 圖。其中，圖３(ａ)是研究區(qū)點云數(shù)據(jù)局部圖，圖３(ｂ)是研究區(qū)真三維模型局部圖，圖３(ｃ)是研究區(qū)數(shù)字表面模型局部圖，圖３(ｄ)是研究區(qū)正射影像局部圖。

圖４是EPS軟件下基于 ＤＯＭ(左)和傾斜模型(右)的屋頂提取與白模生成(使用五點房繪制法)

圖３傾斜攝影測量成果(局部)

圖４ EPS軟件下基于 DOM(左)和傾斜模型(右)的屋頂提取與白模生成

３．２ 圖像分辨率

圖像分辨率 Ｒ 計算公式為：Ｒ＝Ｈ＊Ｐ／ｆ (１)其中，Ｈ 代表航高，本研究設(shè)定為６０ｍ；Ｐ為單位像素大小，大疆Phantom４PRO 攜帶的相機為DJI6310，１英寸相底，單個像素面積為２．４μｍ＊２．４μｍ，故 Ｐ為２．４μｍ；ｆ為相機焦距，傾斜成像時，相機ｆ為８．８ｍｍ。則可計算得到圖像分辨率Ｒ 為１．６４cm。

３．３ 不同精度像控點輔助空三測量精度對比

在野外測量中，無大地控制點導(dǎo)致 RTK 測量精度降低。分別采用模式１(電臺模式，不使用控制點進行坐標校正的低精度、快速模式)和模式２(RTK－CORS網(wǎng)絡(luò)高精度模式)獲取像控點三維坐標。分別完成三維建模后，進行像控點的實測坐標和圖面坐標的比較。用均方根誤差 ＲＭＳＥ與平均值來進行精度驗證，其中，ＲＭＳＥ計算公式為：

公式中，Ｘｉ、Ｙｉ代表同一位置的實測／圖面坐標。通過模式１、模式２測定像控點，都能通過空三測量和三維建模。兩種模式的三維建模成果圖面顏色、紋理、對比度 無顯著差異。 表３是模式１、２像控點的相對坐標差對比。模式１像控點實測坐標與圖面坐標平面位置差均值(ΔＤ珚)、高差均值(ΔＨ珡)分別為０．０２６ｍ、－０．００７ｍ；ＲＭＳＥ 分別為０．０２７和０．０２９；模式２實測坐標與圖面坐標差ΔＤ珚、ΔＨ珡 分別為０．０１６ｍ、－０．０１０ｍ；ＲＭＳＥ分別為０．０２０和０．０２４。表４是模式１、２像控點的絕對坐標差對比。模式１、２像控點絕對坐標差異較大，像控點圖面平面位置差均值(ΔＤ珚)、高差均值(ΔＨ珡)分別為２．４１６ｍ、０．６０５ｍ；像控點實測的 ΔＤ珚、ΔＨ珡 分別為２．４１５ｍ、０．６０８ｍ。通過對比可發(fā)現(xiàn)：采用模式１、模式２測定像控點都能夠建立傾斜三維成果，且模式１、２像控點的相對坐標差比較小，但是圖面的絕對坐標差別較大。這是由于模式１不使用大地控制點進行坐標校正而直接進行測量造成的。若只注重局部三維效果，可直接使用模式１快速測定像控點；若在建立三維成果的基礎(chǔ)上，還需關(guān)注精確坐標，則必須精確測定像控點。

３．４ 三維成果精度分析

使用 RTK－CORS網(wǎng)絡(luò)模式(模式２)在“固定解”狀態(tài)，按照表２的方法，測得檢查點２５個。從三維成果圖面采集三維坐標，分別與實測檢查點對照，計算 ＲＭＳＥ，并與ＣＨ／Ｔ９００８．１－２０１０標準對照。表５為研究區(qū)檢查點誤差對比。

本研究的平面精度達到０．０３６ｍ，高程精度達到０．１３５ｍ，尤其是平面精度較高，總體精度優(yōu)于１∶５００航測精度要求。選擇４種明顯地物，使用鋼尺測定實際距離，在 ＤＯＭ 上對應(yīng)４種地物每種測定１０個樣本距離，計算圖面平均值后與實際距離比較。表６是研究區(qū)４種典型地物尺寸對比。實測距離與圖面距離偏差都在２cm 之內(nèi)。說明 RTK－CORS網(wǎng)絡(luò)輔助進行像控點測量是切實可行的。

4、結(jié)論與展望

使用 RTK 兩種測量模式獲取像控點；采用飛控 軟 件 Pix4DCapture，使用大疆 Phantom４PRO 無人機進行傾斜攝影測量實驗；進行了不同精度像控點輔助空三測量產(chǎn)品對比和精度驗證。研究獲取了空間分辨率為１．６４cm 的影像。采用模式１(RTK 電臺模式，不進行坐標校正，精度低)、模式２(RTK－CORS 網(wǎng)絡(luò)測量模式)測定像控點都能夠建立傾斜三維成果，模式１、２像控點的相對坐標差比較小。但模式１、２ 像控點絕對坐 標 差 較 大，像 控 點 圖 面 平 面 坐 標 差 均 值(ΔＤ珡)、高差均值(ΔＨ珨)分別為２．４１６ｍ、０．６０５ｍ；像控點實測的 ΔＤ珚、ΔＨ珡 分別為２．４１５ｍ、０．６０８ｍ。

這是由于模式１ 不使用大地控制點進行坐標校正而直接進行測量造成的。 若 只 注 重 局 部 三 維效果，可直接使用模式１ 快速測定像控點；若在建立三維成果的基礎(chǔ)上，還需關(guān)注精確坐標，則必須精確測定像控點。本研 究 的 平 面 精 度 達 到０．０３６ｍ，高程精度達到０．１３５ｍ，尤其是平面精度較高，總體精度優(yōu)于1：500航測精度要求。選擇４種明顯地物(校內(nèi)車位線、水泥路伸縮縫、地磚組合圖案、井蓋)，實測距離與圖面距離偏差都在２cm 之內(nèi)。說明采用 Pix4DCapture雙網(wǎng)格任務(wù)模式設(shè)計航線，采用 RTK－CORS 網(wǎng)絡(luò)模式進行快速像控點測量是切實可行的。本研 究 使 用 RTK 電 臺 模 式 (不 做 坐 標 校正)、RTK－CORS 網(wǎng)絡(luò)模 式 測 定 像 控 點，進 行 了傾斜攝影測量與精度驗證，取得了成功。此次實驗中，相機７０°傾角導(dǎo)致６ 層及 以 上 建 筑 窗 子 有少部分“拉花”現(xiàn)象；因電池續(xù)航原因，整個測區(qū)４個架次航測時間過長，導(dǎo)致三維建模產(chǎn)生建筑陰影。另 外，RTK－CORS 網(wǎng) 絡(luò) 測 量 本 身 受 制 于CORS信號，像控點 必 須 選 擇 在 開 闊 地 面。２０１８年８月，價格更貴的行業(yè)級精靈 ４RTK 無人機(４Ｇ 網(wǎng)絡(luò)版)上市，其產(chǎn)品精度值得繼續(xù)研究。

總結(jié)

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