陈建林
南京图能地产科技有限公司 江苏南京 210000
摘要: 本文针对无人机倾斜摄影测量技术的现状，对从航摄准备( 硬件) 到数据处理应用( 软件) 整个作业流程的技术标准进行了论述，为无人机倾斜摄影测量技术的从业人员提供一些参考。
关键词：无人机；倾斜摄影；技术标准
引言
无人机倾斜摄影测量技术是近年来发展起来的一项高新技术，倾斜摄影技术三维数据可真实反映地物的外观、位置、高度等属性；借助无人机，可快速采集影像数据，实现全自动化三维建模；倾斜摄影数据是带有空间位置信息的可量测影像数据，能同时输出DSM、DOM、TDOM、DLG等多种成果。目前，无人倾斜摄影测量技术已被越来越多的行业认可和应用，但针对无人机倾斜摄影的国家技术标准一直没有明确，这就给无人机倾斜摄影工作带来一定困扰。本文结合实际工作和学习经验，对无人机倾斜摄影测量技术标准进行初步的探讨。
1 无人机倾斜摄影系统介绍
传统航空摄影只能从垂直角度拍摄地物，倾斜摄影则通过在同一平台搭载多台传感器，同时从垂直、侧视等不同的角度采集影像，有效弥补了传统航空摄影的局限。那么，无人机倾斜摄影系统可以定义为: 以无人机为飞行平台，以倾斜摄影相机为任务设备的航空影像获取系统。
1.1 飞行平台的性能要求
目前，市场上无人机的种类繁多，按照动力系统可以区分为内燃机动力和电池动力；从飞行实现方式上可以区分为固定翼和旋翼( 单旋翼、多旋翼) 。由于飞行平台自身的振动问题，在成像质量上电池动力优于内燃机动力；在作业效率和续航时间上，固定翼优于旋翼；在飞行稳定性上，旋翼优于固定翼。由于无人机用途不同，其性能标准也不一样。测绘型无人机对飞行标准要求更高，可以在载重、巡航速度、实用升限、续航时间、安全性和抗风等级等方面做出限定。
1.2倾斜相机的性能要求
在《低空数字航空摄影规范》( CH /Z 3005—2010) 中，对测绘航空摄影也就是垂直摄影的像片倾角有着如下规定: 倾角不大于5°，最大不超过12°。现有的航测软件处理能力已经有了很大提升，可以在这个标准的基础上，把倾角15°以上的都划归到倾斜摄影的范畴。倾斜摄影发展到今天，倾斜相机不再限定相机镜头的数量。倾斜相机的关键技术指标是获取不同角度影像的能力和单架次作业的广度和深度。这包括五镜头、三镜头、双镜头等多镜头相机及可以调整相机拍摄角度的单相机系统。在无人机航测标准中，要求航测相机像素不低于3500万，在倾斜摄影中可以不对单一相机的像素进行限定，而对一次曝光获取的影像像素进行控制。倾斜相机的性能要求可以从获取影像能力、作业时间、曝光功能、续航时间、POS记录功能等方面做出限定。
2 飞行航线的设计
2.1 航摄高度的确定
无人机倾斜摄影的飞行高度是航线设计的基础。航摄高度需要根据任务要求选择合适的地面分辨率，然后结合倾斜相机的性能，按照式(1)计算H= f×GSD/α(1)式中，H为航摄高度，单位为m；f为镜头焦距，单位为mm；α为像元尺寸，单位为 mm；GSD为地面分辨率，单位为m。
2.2 航摄重叠度的设置
低空数字航空摄影规范规定“航向重叠度一般应为60%～80%，最小不小于53%；旁向重叠度一般应为15%～60%，最小不小于8%”。在无人机倾斜摄影时，旁向重叠度是明显不够的。不论航向重叠度还是旁向重叠度，按照算法理论建议值是66.7%。可以区分为建筑稀少区域和建筑密集区域两种情况来进行介绍。
2.2.1 建筑稀少区域
考虑到无人机航摄时的俯仰、侧倾影响，无人机倾斜摄影测量作业时在无高层建筑、地形地物高差比较小的测区，航向、旁向重叠度建议最低不小于70%。
要获得某区域完整的影像信息，无人机必须从该区域上空飞过。以两栋建筑之间的区域为例，如果这两栋建筑由于高度对这个区域能形成完全遮挡，而飞机没有飞到该区域上空，那么无论增加多少相机都不可能拍到被遮区域，从而造成建筑模型几何结构的粘连。
2.2.2 建筑密集区域
建筑密集区域的建筑遮挡问题非常严重。航线重叠度设计不足、航摄时没有从相关建筑上空飞过，都会造成建筑模型几何结构的粘连。为提高建筑密集区域影像采集质量，影像重叠度最多可设计为80%～90%。当高层建筑的高度大于航摄高度的1 /4 时，可以采取增加影像重叠度和交叉飞行增加冗余观测的方法进行解决。如著名的上海陆家嘴区域倾斜摄影，就是采用了超过90%的重叠度进行影像采集以杜绝建筑物互相遮挡的问题。影像重叠度与影像数据量密切相关。影像重叠度越高，相同区域数据量就越大，数据处理的效率就越低。所以在进行航线设计时还要兼顾二者之间的平衡。
2.3 区域覆盖设计
“航向覆盖超出摄区边界线应不少于两条基线。旁向覆盖超出摄区边界线一般不少于像幅的50%”，这是原规范在航摄区域边界覆盖上的保证，但在无人机倾斜摄影时是明显不够的。理论上，需要目标区域边缘地物能出现在像片的任何位置，与测区中心地区的特征点观测量一样。
3 控制测量
控制测量是为了保证空三的精度、确定地物目标在空间中的绝对位置。在常规的低空数字航空摄影测量外业规范中，对控制点的布设方法有详细的规定，是确保大比例尺成图精度的基础。倾斜摄影技术相对于传统摄影技术在影像重叠度上要求更高，现在的规范关于像控点布设要求不适合应用于高分辨率无人机倾斜摄影测量技术。无人机通常采用GPS定位模式，自身带有POS 数据，对确定影像间的相对位置作用明显，可以提高空三计算的准确度。
3.1 常规三维建模
基于Smart3D 算法，从最终空三特征点点云的角度可以提供一个控制间隔，建议值是按每隔20000～40000个像素布设一个控制点，其中有差分POS 数据(相对较精确的初始值)的可以放宽到40000个像素，没有差分POS 数据的至少20000个像素布设一个控制点。同时也要根据每个任务的实际地形地物条件灵活应用，如地形起伏异常较大的、大面积植被及面状水域特征点非常少的，需要酌情增加控制点。控制点测量采取附合导线测量方式，获取高精度位置信息。
4 空中三角测量
Smart3D Capture 自动建模系统中空三计算是自动完成，采用光束法区域网整体平差方法进行。即以一张像片组成的一束光线作为一个平差单元，以中心投影的共线方程作为平差单元的基础方程，通过各光线束在空间的旋转和平移，使模型之间的公共光线实现最佳交会，将整体区域最佳地嵌入到控制点坐标系中，从而恢复地物间的空间位置关系。
5 三维模型质量
无人机倾斜摄影测量技术能够提供三维点云、三维模型、真正射影像 (TDOM)、数字表面模型(DSM)等多种成果形式，其中三维模型具备真实、细致、具体的特点，通常称为真三维模型。可以将这种实景三维模型当做一种新的基础地理数据来进行精度评定，包括位置精度、几何精度和纹理精度3个方面。
6 结束语
随着我国科技和经济的迅猛发展，无人机倾斜摄影测量技术的应用也更加广泛。讨论和制定无人机倾斜摄影测量的技术标准将极大促进这项技术的规范应用，更好地为国家建设服务。目前，文中仅提出了一些想法，还需在今后的工作中继续学习、实践、改进。
参考文献
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