PJK102S高精度無人機傾斜攝影相機解決方案

1 傾斜攝影技術(shù)

1.1 技術(shù)概述

傾斜攝影技術(shù)是測繪域近些年發(fā)展起來的項高新技術(shù)。它改變了以往航空攝影測量只能使用單相機從垂直角度拍攝地物的局限，通過在同飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、側(cè)視和前后視等不同角度采集影像。傾斜影像不僅能真實反映地物情況，還通過采用*定位技術(shù)，嵌入精確的地理信息、豐富的影像信息，給用戶呈現(xiàn)出個五彩繽紛的三維世界，獲得身臨其境的體驗。

傾斜攝影所具備的高效率、高精度、高真實感、低成本優(yōu)勢，使其逐步替代傳統(tǒng)人工建模的三維模型獲取方式。個面積約50平方公里的城市，運用傾斜攝影建模技術(shù)，從獲取影像、處理數(shù)據(jù)直至生成真三維模型僅需10天左右。同等工作量，若采用人工建模，則需投入100人足足干3個月。傾斜攝影三維模型不僅能帶給觀者真實而震撼的視覺感受，還因其模型上每點都具有準確的三維地理坐標，可供用戶按需測量和計算，從而使三維模型在城市建設(shè)與管理、國家地理測繪、公共安與應(yīng)急等方面大有可為。比如在城市建筑立面改造成本核算中，不用再拿著站儀去采集數(shù)據(jù)，在電腦屏幕前即可輕松完成樓體測量、面積計算，估算修繕成本。

1.2 傾斜攝影原理

    傾斜攝影技術(shù)是在攝影測量技術(shù)之上發(fā)展起來的，和攝影測量不同的是：傾斜攝影是通過在同飛行平臺上搭載多臺傳感器（如圖所示，目前常用的五鏡頭相機），同時從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體更為完整準確的信息。垂直地面角度拍攝獲取的影像稱為正片（組影像），鏡頭朝向與地面成定夾角拍攝獲取的影像稱為斜片（四組影像）。以傾斜攝影技術(shù)來獲取影像數(shù)據(jù)作為素材，進行人工或自動化加工處理后得到的三維模型數(shù)據(jù)的過程，我們稱之為“傾斜攝影建模”。

基于傾斜攝影獲取的影像數(shù)據(jù)，可進行通過專業(yè)的自動化建模軟件生產(chǎn)三維模型，模型生產(chǎn)周期短、成本低。自動化建模工藝流程般會經(jīng)過多視角影像的幾何校正、聯(lián)合平差等處理流程，可運算生成基于影像的高密度點云，點云構(gòu)建TIN模型，并以此生成基于影像紋理的高分辨率傾斜攝影三維模型，因此也具備傾斜影像的測繪精度。傾斜攝影自動化建模及其成果，對比人工建模過程，具備“三高低“的特點，即：高效率、高精度、高真實感和低成本。

1.3 傾斜攝影組成部分

2 產(chǎn)品介紹

2.1 經(jīng)緯M210 RTK V2無人機

M210 RTK V2無人機是大疆創(chuàng)新出品的款結(jié)構(gòu)簡單的電動四軸無人機，具有可靠性高、飛行品質(zhì)優(yōu)異、操作使用簡單、起飛和著陸場地要求低等特點。

經(jīng)緯M210RTKV2飛行平臺延續(xù)經(jīng)緯系列可靠耐用的機身設(shè)計，為嚴苛環(huán)境而生，旨在進步提升空中作業(yè)生產(chǎn)力。無人機設(shè)計緊湊，擴展靈活，智能控制系統(tǒng)與飛行性能顯著優(yōu)化，新增飛行及數(shù)據(jù)安等功能，為測繪行業(yè)提供專業(yè)解決方案。

圖：M210 RTK V2四旋翼無人機

飛行器

n 尺寸883×886×398mm

n 軸距643mm

n 大載重1.45kg

n 大起飛重量6.14kg

n 水平飛行速度81km/h

n 大起飛海拔3000m

n 大飛行時間28分鐘（PJ101S）

n 防護等IP43

n 工作環(huán)境溫度-20°C至50°C

特點功能

n FPV圖傳標配

n 避障前視下視避障，部紅外

n 圖傳距離8KM，OcuSync2.0圖傳系統(tǒng)

n 時間同步TimeSync時間同步設(shè)計

n 客機監(jiān)測DJIAirSense

n D-RTK2D-RTK2厘米GNSS移動站

n 地面站DJIPILOT智能地面站系統(tǒng)

n 電池2塊組TB55電池

實時差分網(wǎng)絡(luò)千尋實時差分

2.2  傾斜相機

PJ101S五鏡頭傾斜攝影相機是基于大疆M210系列飛行器平臺推出的專版相機，具有更輕更小，性價比更高，適應(yīng)性更強，效率更高，測量精度更高，更適用于單兵測繪作業(yè)等特點。

PJ101S五鏡頭相機

相機參數(shù)

n 像素單視角2430萬，總1.2億

n CMOS數(shù)量5視角CMOS

n 畫幅APS畫幅（23.5X15.6）

n 焦距35mm（等效53mm）

n 存儲320GB、640GB、1280GB

n 曝光間隔≥0.8S

n 工作環(huán)境溫度-10°C至40°C

n 防護等IP64

n 云臺M210系列

n 重量700g

n 尺寸162X162X98mm

n 傳輸USB3.0接口

n 續(xù)航無人機供電

n OLED屏顯標配

n 實時圖傳標配

n 后差分支持

n 溫控智能主動恒溫

n 自檢智能自檢&主動重置

數(shù)據(jù)預(yù)處理航測助手

3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)-Smart3D

傾斜攝影三維建模技術(shù)是基于影像的三維建模技術(shù)的種，基于影像的三維建模技術(shù)大致步驟分為：

①　特征點提取與相對定向；

②　投影重建與相機標定；

③　密集匹配；

④　重建三維模型。

其中第1步從給定影像中自動檢測出可靠且充分密集的連接點，利用連接點對大量影像進行自動重定向；第2步根據(jù)重定向結(jié)果進行投影重建，標定相機位置等信息；第3步通過CMVS（cluster multi-view stereo）、PMVS（patch-based multi-view stereo）等算法進行密集匹配；第4步從點云通過構(gòu)建三角網(wǎng)格模型得到目標三維模型。

3.1 建模原理

傾斜攝影三維重建技術(shù)在此基礎(chǔ)上添加了傾斜攝影技術(shù)、空中精確定位技術(shù)等，通過提供多鏡頭組合攝影平臺，從多角度獲取影像，利用POS系統(tǒng)或GPS差分系統(tǒng)進行精確定位，提供每張影像POS信息，再結(jié)合基于影像的自動空三加密、影像密集匹配、紋理映射及模型生成等系列步驟，完成整個三維重建過程。

3.2 建議數(shù)據(jù)處理工作站硬件配置

1. CPU核心頻率不低于4.0，核心數(shù)24核以上；

2. 內(nèi)存不少于48G；

3. 顯卡必須是英偉達GTX系列，建議型號不低于GTX1080；

4. C盤使用256G以上固態(tài)硬盤；

5. 至少配置1個3T以上硬盤作為數(shù)據(jù)計算儲存使用，或者陣列硬盤；

6. 根據(jù)以上配置配備合適主板及大功率電源；

7. 其他適配硬件；

3.3 系統(tǒng)及相應(yīng)軟件配置

1. Win7 64位；

2. ACDsee相片查看器;

3. Smart3DCapture ;

4. 谷歌地球；

5. 坐標轉(zhuǎn)換器；

4 傾斜攝影工作流程

傾斜攝影建模采用高精度、高效率、體化的自動建模技術(shù)，建立測區(qū)三維模型。該技術(shù)集傾斜攝影、空中精密定位和基于密集匹配的自動建模技術(shù)于體，先，利用傾斜航空攝影平臺進行數(shù)據(jù)采集，再進行野外像片控制點的量測，然后采用自動建模軟件進行數(shù)據(jù)處理，生成測區(qū)的三維模型，技術(shù)路線流程如圖所示。

4.1  傾斜攝影三維數(shù)據(jù)采集

參照相關(guān)的技術(shù)規(guī)范標準，完成測區(qū)范圍內(nèi)傾斜航空影像數(shù)據(jù)獲取工作，具體實施流程如圖所示。

實施流程圖

4.2  航攝基本要求及技術(shù)指標

根據(jù)測圖需要提出的航攝要求，向主管部門申請。經(jīng)批準后，制定航攝計劃。根據(jù)實地勘察測區(qū)的地形特征和本公司攝影平臺的特點，參照《1：500、1：1000、1：2000地形圖航空攝影規(guī)范》（GB/T15661-2008）對測區(qū)航線進行合理設(shè)計，基本的基本要求及技術(shù)指標如下：

（1）所獲取影像為真數(shù)字影像

（2）平面精度滿足1:1000地形圖的精度要求

（3）像片的重疊度，航向重疊度75%；旁向重疊度75%。

（4）影像質(zhì)量，獲取的測區(qū)像片應(yīng)影像清晰、反差適中，調(diào)柔和、鮮艷。

（5）漏洞補攝，對各種原因獲取的不合格航片（航攝漏洞）要及時補飛，漏洞補攝按原設(shè)計航跡進行。

（6）后期人工處理：重點處理飛地、飛樓等突出異常模型，后期路燈、籃球架等模型統(tǒng)替換。

4.3  航高確定

數(shù)碼航空攝影的地面分辨率（GSD）取決于飛行高度，如圖所示：

圖  航高與地面分辨率關(guān)系圖

式中：h—相對飛行高度；f—鏡頭焦距（90mm）；a—像元尺寸（6.1µm）；GSD—地面分辨率。按照公式可求得獲得相應(yīng)地面分辨率GSD的飛行高度。

4.4  航攝時間

航空影像的質(zhì)量對航攝飛行的時間有定的要求，航攝時間受天氣條件的制約。具體要求如下：

（1）水平能見度≥1500m，垂直能見度≥1000m；

（2）多云、陰天為佳，晴天次之。雨天、暴雨天氣均不適合飛行作業(yè)；

（3）在風(fēng)速小于3時進行作業(yè)，風(fēng)速過3時，獲取的傾斜攝影照片將會不利于建模；

（4）氣流相對穩(wěn)定：每天的正午氣流相對較強，對飛行安不利，同時也對影像質(zhì)量影像較大；

（5）選擇航攝時間，既要保證具有充足的光照度，又要避免過大的陰影，般對于攝區(qū)的太陽高度和陰影倍數(shù)要求如表所示，我公司在航攝時間的選擇上會嚴格遵守表的要求，確保獲取的傾斜攝影航空照片和三維建模成果的質(zhì)量能夠滿足招標方的要求。

 太陽高度角和陰影倍數(shù)

注：特殊情況根據(jù)測區(qū)地形和季節(jié)天氣條件，航飛時間具體設(shè)定。

4.5  航線設(shè)計

通常情況下航線應(yīng)按東西向或南北向直線飛行；特定條件下亦可根據(jù)地形走向與專業(yè)測繪的需要，按南北向或沿線路、 河流、 海岸、境界等任意方向飛行。

平行于攝區(qū)邊界線的末航線般敷設(shè)在攝區(qū)邊界線上或者邊界外；旁向覆蓋出攝區(qū)邊界線，般不少于像幅的30%，確保目標攝區(qū)完覆蓋。

4.6  像片控制點測量

.6.1 像片控制點布設(shè)

（1）本測區(qū)像片控制點擬采用網(wǎng)絡(luò)GPS-RTK技術(shù)施測，般情況下均為平高點。

（2）選用的像片控制點的目標影像應(yīng)清晰，易于判別和刺點。像片控制點布設(shè)應(yīng)在航向及旁向重疊5-6張像片范圍內(nèi)，控制點要盡量共用。根據(jù)測區(qū)的地形條件，按區(qū)域網(wǎng)布設(shè)，區(qū)域網(wǎng)的大小般控制在8航線，12基線，在區(qū)域網(wǎng)的四周進行控制點的布設(shè)。般情況下每平方公里1個點，盡量均勻分布。

（3）區(qū)域網(wǎng)之間的像片控制點應(yīng)盡量選擇在左、右航線重疊的中間，相鄰區(qū)域網(wǎng)盡量公用。當(dāng)測區(qū)范圍受地形條件限制，有凸凹時，應(yīng)在凸角處增補控制點。

滿足精度要求的點位均提供高程和平面坐標，每個測區(qū)至少有2個多余觀測控制點，作為多余觀測評價模型的坐標精度。

5.6.2 像片控制點測量與計算

（1）GPS點位基本要求

a、應(yīng)便于安置接收設(shè)備和操作，視野開闊，視場內(nèi)障礙物的高度角不宜過15°；

b、遠離大功率無線電發(fā)射源（如電視臺、電臺、微波站等），其距離不小于200m；遠離高壓輸電線和微波無線電信號傳送通道，其距離不應(yīng)小于50m；

c、附近不應(yīng)有強烈反射衛(wèi)星信號的物件（如大型建筑物等）；

d、交通方便，并有利于其他測量手段擴展和聯(lián)測；

e、充分利用符合要求的已有控制點；

f、選站時應(yīng)盡可能使測站附近的局部環(huán)境（地形、地貌、植被等）與周圍的大環(huán)境保持致，以減少氣象元素的代表性誤差；

（2） 計算和限差要求參照CJJ 8-99《城市測量規(guī)范》和CJJ/T 73-2010《衛(wèi)星定位城市測量技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行；

（3） 像片控制點聯(lián)測得到的坐標應(yīng)及時在已有的較大比例尺的地形圖上展點檢查，防止出現(xiàn)粗差，確保下工序的三維模型生產(chǎn)能得以順利進行。

5.6.3 像片控制點選刺

（1）像片控制點的判刺精度為0.1mm，點位應(yīng)選在影像清晰的明顯地物點，般可選在交角良好的細小線狀地物交點、影像小于0.2毫米的點狀地物中心，地物拐角點或固定的點狀地物上。弧形地物、陰影、交角小于30°的線狀地物交叉不得作為刺點目標。

（2）像片控制點應(yīng)選用高程變化小的目標，像片控制點在各張相鄰的及具有同名點的像片上均應(yīng)清晰可見，選擇清晰的張像片作為刺點片。

（3）像片控制點采用統(tǒng)編號，平高像片控制點冠以“P”，流水編號，如：P01、P02、……同測區(qū)不得重號。

（4）每個控制點刺點位置情況都附加注點位簡要說明，刺孔影像、實地、略圖說明要致，并注明點號，選刺者、檢查者應(yīng)簽名。

4.7  三維數(shù)據(jù)處理

 測區(qū)三維模型的生產(chǎn)采用敏捷自動建模軟件。將獲取的符合建模要求的重疊影像進行預(yù)處理，導(dǎo)入軟件系統(tǒng)，人工給出定數(shù)量的特征點，軟件則自動匹配計算，進行模型生產(chǎn)，具體工作流程如圖所示。

三維模型生產(chǎn)流程圖

5.7.1 影像預(yù)處理

傾斜攝影完成后，我們對獲取的測區(qū)影像進行質(zhì)量檢查，確定影像沒有變形、扭曲等現(xiàn)象，對影像質(zhì)量不符合要求的進行修復(fù)，對影像進行統(tǒng)編號。

自動空三加密

在自動建模軟件上加載測區(qū)影像，人工給定定數(shù)量的控制點，軟件采用光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差，以張像片組成的束光線作為個平差單元，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現(xiàn)交會，將整體區(qū)域地加入到控制點坐標系中，從而得到加密點成果，即從已知特征點推算出未知特征點，并自動抽取所有特征點，構(gòu)成整個目標地區(qū)的特征點云。

5.7.2影像密集匹配

軟件根據(jù)高精度的影像匹配算法，自動匹配出所有影像中的同名點，并從影像中抽取更多的特征點，從而更精確地表達地物的細節(jié)，如下圖所示。

目標測區(qū)點云

5.7.3紋理映射

由空三建立的影像之間的三角關(guān)系構(gòu)成TIN，再由TIN構(gòu)成白模，軟件從影像中計算對應(yīng)的紋理，并自動將紋理映射到對應(yīng)的白模上，終形成真實三維場景，如下圖所示。