PJK102S高精度無人機(jī)傾斜攝影相機(jī)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(cè)繪域近些年發(fā)展起來的項(xiàng)高新技術(shù)。它改變了以往航空攝影測(cè)量只能使用單相機(jī)從垂直角度拍攝地物的局限，通過在同飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)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(shí)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(gè)五彩繽紛的三維世界，獲得身臨其境的體驗(yàn)。

傾斜攝影所具備的高效率、高精度、高真實(shí)感、低成本優(yōu)勢(shì)，使其逐步替代傳統(tǒng)人工建模的三維模型獲取方式。個(gè)面積約50平方公里的城市，運(yùn)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(gè)月。傾斜攝影三維模型不僅能帶給觀者真實(shí)而震撼的視覺感受，還因其模型上每點(diǎn)都具有準(zhǔn)確的三維地理坐標(biāo)，可供用戶按需測(cè)量和計(jì)算，從而使三維模型在城市建設(shè)與管理、國家地理測(cè)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(cè)量、面積計(jì)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(cè)量技術(shù)之上發(fā)展起來的，和攝影測(cè)量不同的是：傾斜攝影是通過在同飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器（如圖所示，目前常用的五鏡頭相機(jī)），同時(shí)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(zhǔn)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(jìn)行人工或自動(dòng)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(jìn)行通過專業(yè)的自動(dòng)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(dòng)化建模工藝流程般會(huì)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(yùn)算生成基于影像的高密度點(diǎn)云，點(diǎn)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(cè)繪精度。傾斜攝影自動(dòng)化建模及其成果，對(duì)比人工建模過程，具備“三高低“的特點(diǎn)，即：高效率、高精度、高真實(shí)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(jī)

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

經(jīng)緯M210RTKV2飛行平臺(tái)延續(xù)經(jīng)緯系列可靠耐用的機(jī)身設(shè)計(jì)，為嚴(yán)苛環(huán)境而生，旨在進(jìn)步提升空中作業(yè)生產(chǎn)力。無人機(jī)設(shè)計(jì)緊湊，擴(kuò)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(cè)繪行業(yè)提供專業(yè)解決方案。

圖：M210 RTK V2四旋翼無人機(jī)

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(shí)間28分鐘（PJ101S）

n 防護(hù)等IP43

n 工作環(huán)境溫度-20°C至50°C

特點(diǎn)功能

n FPV圖傳標(biāo)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(shí)間同步TimeSync時(shí)間同步設(shè)計(jì)

n 客機(jī)監(jiān)測(cè)DJIAirSense

n D-RTK2D-RTK2厘米GNSS移動(dòng)站

n 地面站DJIPILOT智能地面站系統(tǒng)

n 電池2塊組TB55電池

實(shí)時(shí)差分網(wǎng)絡(luò)千尋實(shí)時(shí)差分

2.2  傾斜相機(jī)

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

PJ101S五鏡頭相機(jī)

相機(jī)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(chǔ)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(hù)等IP64

n 云臺(tái)M210系列

n 重量700g

n 尺寸162X162X98mm

n 傳輸U(kuò)SB3.0接口

n 續(xù)航無人機(jī)供電

n OLED屏顯標(biāo)配

n 實(shí)時(shí)圖傳標(biāo)配

n 后差分支持

n 溫控智能主動(dòng)恒溫

n 自檢智能自檢&主動(dòng)重置

數(shù)據(jù)預(yù)處理航測(cè)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(diǎn)提取與相對(duì)定向；

②　投影重建與相機(jī)標(biāo)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(dòng)檢測(cè)出可靠且充分密集的連接點(diǎn)，利用連接點(diǎn)對(duì)大量影像進(jìn)行自動(dòng)重定向；第2步根據(jù)重定向結(jié)果進(jìn)行投影重建，標(biāo)定相機(jī)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(jìn)行密集匹配；第4步從點(diǎn)云通過構(gòu)建三角網(wǎng)格模型得到目標(biāo)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(tái)，從多角度獲取影像，利用POS系統(tǒng)或GPS差分系統(tǒng)進(jìn)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(dòng)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(gè)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(dá)GTX系列，建議型號(hào)不低于GTX1080；

4. C盤使用256G以上固態(tài)硬盤；

5. 至少配置1個(gè)3T以上硬盤作為數(shù)據(jù)計(jì)算儲(chǔ)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(biāo)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(dòng)建模技術(shù)，建立測(cè)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(dòng)建模技術(shù)于體，先，利用傾斜航空攝影平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再進(jìn)行野外像片控制點(diǎn)的量測(cè)，然后采用自動(dòng)建模軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成測(cè)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(biāo)準(zhǔn)，完成測(cè)區(qū)范圍內(nèi)傾斜航空影像數(shù)據(jù)獲取工作，具體實(shí)施流程如圖所示。

實(shí)施流程圖

4.2  航攝基本要求及技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)測(cè)圖需要提出的航攝要求，向主管部門申請(qǐng)。經(jīng)批準(zhǔn)后，制定航攝計(jì)劃。根據(jù)實(shí)地勘察測(cè)區(qū)的地形特征和本公司攝影平臺(tái)的特點(diǎn)，參照《1：500、1：1000、1：2000地形圖航空攝影規(guī)范》（GB/T15661-2008）對(duì)測(cè)區(qū)航線進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，基本的基本要求及技術(shù)指標(biāo)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(cè)區(qū)像片應(yīng)影像清晰、反差適中，調(diào)柔和、鮮艷。

（5）漏洞補(bǔ)攝，對(duì)各種原因獲取的不合格航片（航攝漏洞）要及時(shí)補(bǔ)飛，漏洞補(bǔ)攝按原設(shè)計(jì)航跡進(jìn)行。

（6）后期人工處理：重點(diǎn)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(duì)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(shí)間

航空影像的質(zhì)量對(duì)航攝飛行的時(shí)間有定的要求，航攝時(shí)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(shí)進(jìn)行作業(yè)，風(fēng)速過3時(shí)，獲取的傾斜攝影照片將會(huì)不利于建模；

（4）氣流相對(duì)穩(wěn)定：每天的正午氣流相對(duì)較強(qiáng)，對(duì)飛行安不利，同時(shí)也對(duì)影像質(zhì)量影像較大；

（5）選擇航攝時(shí)間，既要保證具有充足的光照度，又要避免過大的陰影，般對(duì)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(shí)間的選擇上會(huì)嚴(yán)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(biāo)方的要求。

 太陽高度角和陰影倍數(shù)

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

4.5  航線設(shè)計(jì)

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(cè)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(biāo)攝區(qū)完覆蓋。

4.6  像片控制點(diǎn)測(cè)量

.6.1 像片控制點(diǎn)布設(shè)

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

（2）選用的像片控制點(diǎn)的目標(biāo)影像應(yīng)清晰，易于判別和刺點(diǎn)。像片控制點(diǎn)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(diǎn)要盡量共用。根據(jù)測(cè)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(jìn)行控制點(diǎn)的布設(shè)。般情況下每平方公里1個(gè)點(diǎn)，盡量均勻分布。

（3）區(qū)域網(wǎng)之間的像片控制點(diǎn)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(cè)區(qū)范圍受地形條件限制，有凸凹時(shí)，應(yīng)在凸角處增補(bǔ)控制點(diǎn)。

滿足精度要求的點(diǎn)位均提供高程和平面坐標(biāo)，每個(gè)測(cè)區(qū)至少有2個(gè)多余觀測(cè)控制點(diǎn)，作為多余觀測(cè)評(píng)價(jià)模型的坐標(biāo)精度。

5.6.2 像片控制點(diǎn)測(cè)量與計(jì)算

（1）GPS點(diǎn)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(chǎng)內(nèi)障礙物的高度角不宜過15°；

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

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

d、交通方便，并有利于其他測(cè)量手段擴(kuò)展和聯(lián)測(cè)；

e、充分利用符合要求的已有控制點(diǎn)；

f、選站時(shí)應(yīng)盡可能使測(cè)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(jì)算和限差要求參照CJJ 8-99《城市測(cè)量規(guī)范》和CJJ/T 73-2010《衛(wèi)星定位城市測(cè)量技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行；

（3） 像片控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)得到的坐標(biāo)應(yīng)及時(shí)在已有的較大比例尺的地形圖上展點(diǎn)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(jìn)行。

5.6.3 像片控制點(diǎn)選刺

（1）像片控制點(diǎn)的判刺精度為0.1mm，點(diǎn)位應(yīng)選在影像清晰的明顯地物點(diǎn)，般可選在交角良好的細(xì)小線狀地物交點(diǎn)、影像小于0.2毫米的點(diǎn)狀地物中心，地物拐角點(diǎn)或固定的點(diǎn)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(diǎn)目標(biāo)。

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

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

（4）每個(gè)控制點(diǎn)刺點(diǎn)位置情況都附加注點(diǎn)位簡(jiǎn)要說明，刺孔影像、實(shí)地、略圖說明要致，并注明點(diǎn)號(hào)，選刺者、檢查者應(yīng)簽名。

4.7  三維數(shù)據(jù)處理

 測(cè)區(qū)三維模型的生產(chǎn)采用敏捷自動(dòng)建模軟件。將獲取的符合建模要求的重疊影像進(jìn)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(diǎn)，軟件則自動(dòng)匹配計(jì)算，進(jìn)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(duì)獲取的測(cè)區(qū)影像進(jìn)行質(zhì)量檢查，確定影像沒有變形、扭曲等現(xiàn)象，對(duì)影像質(zhì)量不符合要求的進(jìn)行修復(fù)，對(duì)影像進(jìn)行統(tǒng)編號(hào)。

自動(dòng)空三加密

在自動(dòng)建模軟件上加載測(cè)區(qū)影像，人工給定定數(shù)量的控制點(diǎn)，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(gè)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(shí)現(xiàn)交會(huì)，將整體區(qū)域地加入到控制點(diǎn)坐標(biāo)系中，從而得到加密點(diǎn)成果，即從已知特征點(diǎn)推算出未知特征點(diǎn)，并自動(dòng)抽取所有特征點(diǎn)，構(gòu)成整個(gè)目標(biāo)地區(qū)的特征點(diǎn)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(dòng)匹配出所有影像中的同名點(diǎn)，并從影像中抽取更多的特征點(diǎn)，從而更精確地表達(dá)地物的細(xì)節(jié)，如下圖所示。

目標(biāo)測(cè)區(qū)點(diǎn)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(jì)算對(duì)應(yīng)的紋理，并自動(dòng)將紋理映射到對(duì)應(yīng)的白模上，終形成真實(shí)三維場(chǎng)景，如下圖所示。