摘要：分別用 RTK兩種測量模式測定像控點(diǎn)，用大疆消費(fèi)級無人機(jī) Phantom４PRO 開展傾斜攝影測量，最后進(jìn)行成果檢驗(yàn)。結(jié)果表明：RTK 電臺模式（不做坐標(biāo)校正，精度低）、RTK－CORS 網(wǎng)絡(luò)模式測定像控點(diǎn)都能建立傾斜三維成果；像控點(diǎn)相對坐標(biāo)差較小，但實(shí)測坐標(biāo)差、圖面坐標(biāo)差較大。RTK－CORS測量像控點(diǎn)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(shí)測距離偏差都在２cm 內(nèi)。低精度像控點(diǎn)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(biāo)，采用 RTK－CORS網(wǎng)絡(luò)模式測定像 控點(diǎn)輔助大疆 Phantom４PRO 無人機(jī)小范圍快速傾斜攝影測量是可行的。

  關(guān)鍵詞：無人機(jī)；傾斜攝影測量；實(shí)踐

  引言

  無人機(jī)傾斜攝影測量以無人機(jī)為飛行平臺，搭載一個或多個傾斜攝影系統(tǒng)（數(shù)碼相機(jī)）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(jī)技術(shù)與數(shù)碼成 像 技 術(shù) 的 成 熟、基于計算機(jī)的圖像高速匹配運(yùn)算的實(shí)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(jī)搭載多鏡頭傾斜相機(jī)（如萊卡ＲＣＤ－３０５鏡頭）或無人機(jī)搭載超輕型多鏡頭傾斜相機(jī)，航測效果較好。如徐思奇使用的雙鏡頭傾斜相機(jī) 航 測 試 驗(yàn) 達(dá) 到了１∶５００ 地圖制圖精度。專業(yè)無人機(jī)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(shí)現(xiàn)地面免像控點(diǎn)測量，但價格昂貴。無人機(jī)傾斜攝影測量研究集中在傾斜相機(jī)試驗(yàn)、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(fèi)級無人機(jī)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(jìn)行后期精細(xì)化建模及矢量提取。小型消費(fèi)級無人機(jī)航測研究中，以大疆無人機(jī)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(jìn)行了５０ ｍ－１００ｍ間６種航高的垂 直攝影測量實(shí)踐，精度達(dá)到厘米級。傾斜攝影測量實(shí)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(jìn)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(jìn)一步驗(yàn)證。

  大疆 Phantom 系列無人機(jī)傾斜攝影測量經(jīng)濟(jì)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(diǎn)、RTK 架設(shè)電臺、坐標(biāo)采集校正、重復(fù)航線及其帶來的大量數(shù)據(jù)、無人機(jī)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(diǎn)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(jī)（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(diǎn)三維坐標(biāo)，基于 ContextCapture完成三維建模，基于EPS進(jìn)行后期處理。根據(jù) RTK 測量的檢查點(diǎn)與地面明顯地物鋼尺量距數(shù)據(jù)檢驗(yàn)成果精度，以期探索簡單、高效、快速的消費(fèi)級無人機(jī)小區(qū)域傾斜攝影測量方法，為行業(yè)運(yùn)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(jī)進(jìn) 行傾斜攝影測量的主要過程為：

  ①在測區(qū)布設(shè)像控點(diǎn)，測定像控點(diǎn)三維坐標(biāo)；

  ②通過飛控軟件操縱，無人機(jī)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(jìn)行勻光、校正等預(yù)處理后，進(jìn)行多視影像連接點(diǎn)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(diǎn)、ＰＯＳ數(shù)據(jù)，平 臺校驗(yàn)參數(shù)等進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，解算多視影像外方位元素和加密點(diǎn)地面坐標(biāo)，形成高密度點(diǎn)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(jìn)行三維建模、正射糾正、矢量提取、地物精細(xì)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(yùn)動場、道路、綠化等，總面積約為22hm²。

  油漆噴涂地面控制點(diǎn)后，使用 RTK 獲取 ２種測量模式的２組像控點(diǎn)，使用無人機(jī)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(jìn)行后期處理；最后對比２種RTK測量模式獲取的 控制點(diǎn)對建模結(jié)果造成的差異；通 過RTK 實(shí)測檢查點(diǎn)、鋼尺實(shí)測數(shù)據(jù)檢驗(yàn)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(shí)施

  ２．１ 外業(yè)測量

  綜合考慮到現(xiàn)有條件與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，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(jī)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(diǎn)／檢查點(diǎn)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(yàn)收，滿足 ＧＢ／Ｔ２８５８８－２０１２、ＣＨ／Ｔ２００８－２００５、ＧＢ／Ｔ１８３１４－２００９、ＧＢ／Ｔ２４３５６－２００９技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)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(diǎn)－６點(diǎn)間。使用模式１和模式２分別測定像控點(diǎn)各４個。使用 RTK測量模式２測定檢查點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)在相鄰像對圖片上的位置及其對應(yīng)的 RTK 實(shí) 測 像 控 點(diǎn) 坐 標(biāo)，完成空三測量；設(shè)置輸出坐標(biāo)參數(shù)，進(jìn)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(jìn)行地物矢量提取、建筑白模生成、高程數(shù)據(jù)提取。最后進(jìn)行傾斜模 型 的 產(chǎn) 品 對 比 和 精度驗(yàn)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(diǎn)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(diǎn)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(jī)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(jī)焦距，傾斜成像時，相機(jī)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(diǎn)輔助空三測量精度對比

  在野外測量中，無大地控制點(diǎn)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(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)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(diǎn)三維坐標(biāo)。分別完成三維建模后，進(jìn)行像控點(diǎn)的實(shí)測坐標(biāo)和圖面坐標(biāo)的比較。用均方根誤差 ＲＭＳＥ與平均值來進(jìn)行精度驗(yàn)證，其中，ＲＭＳＥ計算公式為：

  公式中，Ｘｉ、Ｙｉ代表同一位置的實(shí)測／圖面坐標(biāo)。通過模式１、模式２測定像控點(diǎn)，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(diǎn)的相對坐標(biāo)差對比。模式１像控點(diǎn)實(shí)測坐標(biāo)與圖面坐標(biāo)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(shí)測坐標(biāo)與圖面坐標(biāo)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(diǎn)的絕對坐標(biāo)差對比。模式１、２像控點(diǎn)絕對坐標(biāo)差異較大，像控點(diǎn)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(diǎn)實(shí)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(diǎn)都能夠建立傾斜三維成果，且模式１、２像控點(diǎn)的相對坐標(biāo)差比較小，但是圖面的絕對坐標(biāo)差別較大。這是由于模式１不使用大地控制點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)校正而直接進(jìn)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(diǎn)；若在建立三維成果的基礎(chǔ)上，還需關(guān)注精確坐標(biāo)，則必須精確測定像控點(diǎn)。

  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(diǎn)２５個。從三維成果圖面采集三維坐標(biāo)，分別與實(shí)測檢查點(diǎn)對照，計算 ＲＭＳＥ，并與ＣＨ／Ｔ９００８．１－２０１０標(biāo)準(zhǔn)對照。表５為研究區(qū)檢查點(diǎn)誤差對比。

  本研究的平面精度達(dá)到０．０３６ｍ，高程精度達(dá)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(shí)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(shí)際距離比較。表６是研究區(qū)４種典型地物尺寸對比。實(shí)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(jìn)行像控點(diǎn)測量是切實(shí)可行的。

  4、結(jié)論與展望

  使用 RTK 兩種測量模式獲取像控點(diǎn)；采用飛控 軟 件 Pix4DCapture，使用大疆 Phantom４PRO 無人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測量實(shí)驗(yàn)；進(jìn)行了不同精度像控點(diǎn)輔助空三測量產(chǎn)品對比和精度驗(yàn)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(jìn)行坐標(biāo)校正，精度低）、模式２（RTK－CORS 網(wǎng)絡(luò)測量模式）測定像控點(diǎn)都能夠建立傾斜三維成果，模式１、２像控點(diǎn)的相對坐標(biāo)差比較小。但模式１、２ 像控點(diǎn)絕對坐 標(biāo) 差 較 大，像 控 點(diǎn) 圖 面 平 面 坐 標(biāo) 差 均 值（ΔＤ珡）、高差均值（ΔＨ珨）分別為２．４１６ｍ、０．６０５ｍ；像控點(diǎn)實(shí)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(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)校正而直接進(jìn)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(diǎn)；若在建立三維成果的基礎(chǔ)上，還需關(guān)注精確坐標(biāo)，則必須精確測定像控點(diǎn)。本研 究 的 平 面 精 度 達(dá) 到０．０３６ｍ，高程精度達(dá)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(shí)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(jìn)行快速像控點(diǎn)測量是切實(shí)可行的。本研 究 使 用 RTK 電 臺 模 式 （不 做 坐 標(biāo) 校正）、RTK－CORS 網(wǎng)絡(luò)模 式 測 定 像 控 點(diǎn)，進(jìn) 行 了傾斜攝影測量與精度驗(yàn)證，取得了成功。此次實(shí)驗(yàn)中，相機(jī)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(diǎn) 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(jī)（４Ｇ 網(wǎng)絡(luò)版）上市，其產(chǎn)品精度值得繼續(xù)研究。