【干貨】傾斜攝影測量高中低空解決方案研究

發布日期：2018-03-23 00:00 瀏覽量：16754

　　傾斜攝影測量技術是在飛行載具上搭載多角度、多拼相機，對地面全要素信息進行數據采集、三維建模及輸出真正射影像、大比例尺地形圖等產品的綜合技術手段。作為新型測繪手段，傾斜攝影技術已經在城市管理、國土規劃、土地確權、宅基地管理等領域得到廣泛應用。隨著技術不斷進步，飛行載具與傾斜航攝儀也向著輕型、微型化發展，不但使實景三維模型適用的領域更為廣泛，也更能夠滿足用戶對實景三維模型的高分辨率、高顏色還原度等要求。本文對傾斜攝影數據獲取及處理的分類方法進行探討，為各行業應用提供技術支持。
　　1　傾斜攝影測量技術構成
　　傾斜攝影技術發展至今，核心三部分是：飛行載具、傾斜相機、POS 系統。飛行載具可攜帶傾斜航攝儀進行航拍作業，沿航線、重疊率設計飛行路線;傾斜相機可分為三拼、五拼、十拼等，采用同步曝光方式采集地面影像信息;POS 系統在航攝儀內與每組曝光影像相對應，采用X、Y、Z、O、P、K等外方位元素信息對拍攝時的飛行姿態進行實時描述。無論是實景三維建模還是大比例尺測圖應用，傾斜影像的后期處理質量取決于POS 系統的精度。根據項目的設計需求，對不同飛行載具、傾斜相機以及POS 系統進行搭配，形成有針對性的數據獲取解決方案很有必要。
　　2　傾斜攝影測量解決方案細分
　　隨著飛行儀器與材料行業的技術進步，以運輸機搭載大型航攝儀為主的數據獲取方式逐漸被打破。尤其在許多中小型項目實施中，大型運輸機的限制太多，不利于成本控制。空域規定的放寬、中低空輕型飛行器價格下降均為傾斜攝影提供更多可能。引入模糊控制和大容量電池技術后，無人機的飛行穩定性更高、續航時間更長，成為超低空精細化建模的最優選擇。表1 從飛行高度、建模特點及精度等多個方面對傾斜攝影測量的解決方案進行細分。飛行載具與傾斜相機如圖1 所示。

典型飛行載具與傾斜相機　　

圖1　典型飛行載具與傾斜相機

　　2.1　高空飛行載具與相機
　　運-12 等大型運輸機適用于600 m 以上高度層的航空攝影飛行任務，可攜帶60 kg 以上的大型傾斜航攝儀拍攝作業，如徠卡RCD30、TOPDC、SWDC -5 等。運輸機飛行姿態穩定，飛行時間長(7 h以上)，在100 km2 以上的大面積航空作業中具有顯著優勢。高空數據獲取的優點是：傾斜航攝儀的POS 信息精確，對控制點需求少，經過空三匹配后能構建滿足測繪級精度的實景三維模型，且單位面積的模型容量小，應用方便。高空數據獲取的缺點是：對天氣要求高，機場與飛行員拉升作業成本;由于飛行高度原因，拍攝需穿越霧霾層，導致影像顏色失真、單位面積的模型分辨率低。因此，高空飛行方案適用于數字城市、智慧城市建設中的市域建成區三維本底數據獲取。

傾斜攝影測量解決方案細分

　　表1　傾斜攝影測量解決方案細分

　　2.2 　中空飛行載具與相機
　　出于對模型顏色、分辨率和飛行成本的考慮，采用輕型飛行器的中空飛行方案應運而生。飛行載具采用直升機、動力三角翼等，在300 ～600 m 中空作業。所攜帶傾斜相機由去掉背板的多臺單反相機組成，設置有固定傾角云臺與同步曝光系統，單日作業15 ～30 km2。中空數據獲取優點：場地限制條件少，起降方便，轉場快捷，作業高度對軍民空域影響小。所構建模型顏色真實，分辨率較高。中空數據獲取缺點：動力三角翼飛行受氣流影響大、姿態不穩定，所攜帶的傾斜相機尚無精確的POS 解決方案，無POS 影像處理會降低實景三維模型精度。因此，中空方案適用于二、三級城市，以及山區、景區等低于70km2 的三維本底數據獲取。
　　2.3　低空飛行載具與相機
　　為進一步提高分辨率、顏色信息及降低飛行成本，已研制出無人機掛載微型傾斜相機的數據獲取方案。由于無人機滯空時間短、載重有限，因此傾斜相機多采用鏡頭式相機嵌入鈦金云臺制成，在300 m 以下的低空作業，多應用于5 ～10 km2的廠區、高校、景點、建筑群的精細化建模。低空數據獲取優點：起降方便、人員少、成本低;飛行姿態穩定，POS 數據較準確;構建模型顏色逼真，分辨率高，數據精度較好。低空數據獲取缺點：作業效率低，平均每天0.5 ～1 km2，導致大區域建模時的顏色連續性差。
　　3　傾斜攝影數據處理方案
　　3.1　攜帶高精度POS信息的數據處理
　　在市面較常見的傾斜航攝解決方案中，傾斜航攝儀與無人機攜帶的微型航攝系統均具有較高精度的POS 數據，有利于精確還原空三網，在無控情況下亦可保證較高的相對精度。該數據適合用街景工廠進行處理，街景工廠的處理原則是滿足空三網精度要求后方可進行建模工作，意味著建模前即對模型精度有很好的控制。而Smart3D 軟件以開源sift 算法為建模核心的全程無干預處理，在POS 信息薄弱的部分，自動以影像拼接為建模與貼圖方案。雖然會取得較好的視覺效果，但會降低模型精度。因此，在POS 數據較好的情況下，應以測繪級精度作為三維數據處理目標。
　　3.2　攜帶弱/無POS 信息的數據處理
　　對于動力三角翼等受氣流影響較大的飛行載具，所獲取的傾斜影像存在旋偏角大于6°，無準確POS 數據的情況。街景工廠不支持弱/無POS 傾斜數據的直接導入，需要在無人機模塊(EOless)中粗略恢復初始POS 信息，方可進行空三匹配與建模，但效果不甚理想，效率也較低。Smart 3D 軟件可直接處理無POS 傾斜影像數據，僅需添加若干控制點進行絕對定位即可，雖然無法保障實景三維精度，但可快速建模，為警務、城管等弱精度應用提供快速解決方案。
　　4　結束語
　　傾斜攝影測量的多種解決方案各有優缺點，應用前要充分考慮到項目工期、成本及成果精度優先還是效果優先等要求，適配最優解決方案。一些應用細節要充分考慮，例如，相機分辨率不能完全代表成像質量，POS 系統在多次使用后需要重新校正等。因此，在確定方案后，還應獲取小塊示范影像數據進行成像質量、模型制作評估，綜合考慮后進行項目實施。