投稿单位：
吉林云信测绘科技有限公司
投稿人：
任渊锋 刘志全 王金鑫
2018年11月23日
摘要：倾斜摄影测量技术作为一个新兴的测绘技术方法在三维建模工程中应用广泛，特别是在无人机技术逐渐发展成熟的当下。我们基于飞马F300无人机平台，采用倾斜摄影测量技术生产大面积实景三维模型，实践了无人机技术和实景三维建模软件技术在大比例尺测绘工程中的具体应用。用真实数据验证了飞马F300无人机测量系统的高效率和精度的可靠性。
关键词：飞马F300无人机、倾斜摄影测量、实景三维模型
0、引言
飞马F300无人机一经推出，就受到了广大用户的喜爱。尤其是其免像控技术的加持，让航测外业省去了大量像控点布设和测量的麻烦，大大提高了航空摄影测量外业的工作效率。同时其还提供载荷的多种选择，不但可以选择正射相机，还可以选择多镜头倾斜相机，这在轻型固定翼无人机中是首创。本文要讨论的应用，正是基于飞马F300飞行平台，搭载倾斜相机进行倾斜摄影测量[1]外业航飞，并对获取的影像进行处理，经过空三计算和模型重建来生产城市真实景三维模型[2]。本项目采用布设稀少像控点的方案进行工程的施测。
1、工程项目概述
1.1、项目基本情况
为推进长岭县基础设施建设，促进长岭县城市及经济发展，我司受甲方委托，对长岭县城区进行地理信息数据的采集。项目要求采用倾斜摄影测量技术[1]，并生产城市实景三维模型。此工程测区面积约11平方公里，位于吉林省西北部，整体地势平坦，有国道和省道穿过测区，交通较便利。测区属中温带大陆性季风气候，年平均气温4.9℃；测区内常年有风，项目施测季节最大风力可达8级，对无人机飞行有很不利影响。项目飞行空域已由甲方申请并通过批准。
图1测区范围示意图
根据项目需求，要求真实景三维模型成果要能满足1:1000数字线划图（DLG）生产需要，平面中误差±0.25m，高程中误差±0.17m，最大允许误差不超过2倍中误差。测量基准采用国家2000坐标系统，1985国家高程基准，控制测量基础资料由甲方提供。工程中RTK数据采集统一使用吉林省CORS网系统作为差分源。
1.2项目执飞无人机情况
参与项目航测飞行的飞行平台是深圳飞马机器人公司生产的F300智能航测\遥感系统。该无人机机长1.07米，翼展1.8米，支持RTK/PPK差分模式，续航时间最长可达90分钟，巡航速度60KM/H，能在5级风的情况下正常作业，且无遥控器，手抛起飞，自动滑降或者伞降的降落方式，对飞手要求低，EP0加碳纤复合材料易修复。无人机这些特点，让此款无人机能经得住测绘工程项目繁忙的飞行需求，且在轻微损坏的情况下能够快速修复而继续飞行，不会耽误紧张的测绘工期。
图2 飞马F300智能航测\遥感系统及倾斜相机
飞马F300挂载的倾斜相机如上图右上角，是两镜头倾斜相机。此倾斜相机的单个镜头采用APS-C(23.2×15.4mm)画幅，2010万像素，索尼QX1相机和索尼20mm焦距镜头。两个镜头布置方式是一个镜头向左倾斜，一个镜头向后倾斜，有效像素为5456×3632。此倾斜相机，需无人机以往返飞的方式来获取足够多角度的原始影像数据。
2、工程项目的施测
2.1、项目生产工艺流程
无人机倾斜摄影测量技术是新兴航测技术方法，各种具体的执行标准尚不完善，为了更好的完成工程项目，根据技术设计文件以及相关资料，制定了项目工程生产工艺流程，项目的执行严格按照工艺流程的要求来施测。工艺流程如下图所示：
图3、生产工艺流程图
2.2、项目外业实施
2.2.1、像控点布设及测量
依据甲方提供的项目基础资料和项目要求，并参照奥维互动地图，在室内根据踏勘的信息资料，按照10000到20000像素一个像控点[2]，并考虑实际布点可行性，做像控点位置分布的预设。像控点的布置，我们采用L型的图案，此图案在实际工作中最容易喷涂，需要的辅助工具最少，同时边上喷上点号，方便后期处理使用，甚至可以不参考点之记信息就能完成刺点。简单易行的像控点布置，在能保证像控点质量的前提下，可以尽可能的提高外业工作效率。在测量像控点的同时，进行点之记信息的记录。像控点的测量采用控制点测量的方式进行平滑采集。
图4 像控点设计分布图
图5 像控点布设与测量
2.2.2、外业航飞的实施
外业航飞对后期数据处理来说，是很关键的一环。好的航线设计，是外业飞行数据高质量的关键之一。按照相关技术资料和要求，在飞马智航线软件里，导入测区kml格式范围线，进行飞行航线的规划和飞行参数的设置。
项目航线主要设计参数如下：
相机型号：ILCE-QX1
地面分辨率：5.0cm
航向/旁向重叠度：80%
航线角度：80度
相对航高、航线间隔、拍照间隔等数据，智航线软件会自动给计算出来。这也是飞马无人机管家软件设计比较人性化的表现之一。
图6 航线规划图
按此航线规划方案，在今年6月初，项目无人机作业组完成了长岭县城倾斜摄影测量的航摄工作。航测外业执飞无人机是飞马F300智能航测系统挂载两镜头倾斜相机，采用往返飞的方式飞行。由于天气原因，外业实际用时4天，共计飞行14架次，获得外业原始影像27972张，相应的静态数据文件和观测记录表格，飞机日志数据文件，每一架次飞行情况记录等资料。
图7 外业飞行现场
2.2.3、外业航飞数据的预处理
航飞数据的预处理是完成高精度POS数据的融合解算。在飞马无人机管家软件智理图模块中，分步骤完成基站静态数据格式转换，机载GPS数据转换，数据完整性检查，GPS数据解算。解算完成后输出txt格式的解算结果，在解算结果文件的第一行有Q1值用来评定此次解算结果的精度，一般要求在98以上[3]。然后对照片和POS数据进行整理，并按计算机处理能力，对测区进行处理分区的划分。
图8 GPS数据融合解算
3、数据处理及实景三维模型生产
3.1、影像数据空三计算
本项目采用的建模软件是Context Capture软件，此软件自动化程度高，操作步骤较少，能支持集群运算，是业内知名的自动化三维建模软件。在软件里新建工程，添加照片和POS数据，按默认参数提交空三计算，软件会自动完成空三计算。如果结果不合格，就在计算结果基础上修改空三计算参数并再次提交空三，直到空三合格为止。空三计算通过后，加入像控点坐标数据，并进行相片刺点，这时候软件能预计出像控点在相片上的位置了，且准确度很高，能提高刺点的速度。刺点完成后，再次提交空三计算，完成后检查空三报告质量，如果合格，就可以进行模型重建生产了。在控制点编辑器里有三个参数，分别是三维精度、三维水平精度和三维垂直精度，这三个精度参数，基本上能体现出最终模型数据的精度水平等级。
图9 像控点三维精度水平计算结果
图10 带像控点的空三成果3D视图
3.2、三维模型的重建
空三成果合格后，下一步就进入模型重建生产了。选择项目需要的坐标系，并从KML文件导入重建范围（即测区范围），设置好切块方式和瓦片大小，就可以提交模型重建生产，真正开始生产模型。Context Capture软件模型重建支持的数据格式很多，本项目采用OSGB格式。OSGB数据格式通用性比较好，支持的软件也比较多。
图11 模型重建参数和瓦片分块
模型重建生产是比较耗时间的，重建速度主要取决于计算机的整体计算速度。此项目采用5台电脑，耗时将近5天才把模型全部生产完毕。
图12 模型成果截图
图13 模型成果局部截图
3.3、模型成果精度检查
测绘产品精度是测绘工程项目的核心目标，实景三维模型成果已经生产完毕，对成果精度的检核就是必须的要做的事情。我们联合甲方一起对模型进行了一个精度的检查，用RTK设备在测区测量了400个检查点，最终选择了399个平面检查点和375个高程检查点，对模型精度进行了检查。检查结果统计情况如下表所示：
表1 模型精度检查统计表
| 检查项 | 检查元
素个数 |
检查中误
差 ±m |
未剔除粗差
中误差 ±m |
粗差元
素个数 |
粗差比例 |
| 平面 | 399 | 0.17 | 0.19 | 8 | 2.00% |
| 高程 | 375 | 0.09 | 0.11 | 7 | 1.90% |
由上表统计数据来看，该工程项目的成果精度完全达到了项目设计要求，甚至比设计的精度还高出一点。这些数据表明，使用飞马F300智能航测/遥感系统搭载倾斜相机的方案，采用合理的作业工艺流程，是完全可以满足大比例尺测图精度要求的。最终采用的检查点分布情况如下图所示：
图14 模型精度检查点位置分布略图
4、总结和展望
此工程项目的外业投入人员是踏勘2人一天，像控点2人一天，外业飞行2人4天，内业处理共计1人7天，其中人工操作约1天，其它时间是计算机自动完成计算。计算下来，采用飞马F300搭载倾斜相机的方案，效率是传统测绘方式的10倍甚至更高。
倾斜摄影测量近年来发展迅猛，逐渐成为测量人员很好的测量技术；在保证精度的前提下还能大大的提高测绘的作业效率；降低外业测绘作业人员的劳动强度，也使外业测绘人员的人身安全有了更好的保障；传统测绘不易到达的地方也能测的到，让测绘几乎没有死角；且提供的测绘成果表现形式更容易让普通大众看得懂、理解到位，相当于把现实城市搬回了家。这些优势都是传统的人工测绘所不具备的。在实景三维模型上进行线划图的采集和建库，也是倾斜摄影测量数据成果的一个主要应用方向。业主方已经在此项目成果上采集完成测区1000比例尺的线划图。
图15 基于模型成果采集的局部线划图成果
未来随着5G通信技术的逐渐应用和普及，使实景三维模型数据的在线浏览和应用成为可能，就能为普通大众提供更好地图服务，比街景数据更加真实，而且可以360度的旋转查看；也能为政府相关管理部门提供基于真实景的基础平台应用，再加上更多的各种物联网和传感器数据，让城市的管理和服务水平上一个台阶。
总之，飞马F300智能航测\遥感系统，经受住了此项目的实际检验，能满足大比例尺实景三维模型数据的采集和生产需要。飞马F300智能航测\遥感系统一定能成为广大测绘从业者爱不释手的测量工具，能为地理信息行业的兴旺发展提供一定的助力。
参考文献：
[1]:张祖勋，《数字摄影测量学》，武汉测绘科技大学出版社，1997。
[2]:context capture 软件培训材料，瞰景科技有限公司，2017年。
[3]:飞马机器人公司，无人机管家数据处理流程，2018年。
