贴近摄影测量系统研发

何中海，杨云建，王剑，匡伟

四川省核地质调查研究所

摘要：作为新兴的测量技术，贴近摄影测量能够更加快速、有效的获取特定目标场景更加清晰的空间数据，解决倾斜摄影测量存在的弊端和不足。文章针对高山峡谷等特定目标场景精细化三维重建和信息提取的需求，开展贴近摄影测量系统的研究，充分利用无人机平台在地形地貌复杂地区数据获取的优势，实现特定目标对象亚厘米甚至毫米级别分辨率影像的自动化采集，从而构建更加精细化的三维模型，实现快速获取目标对象长度、宽度等各类空间信息，达到精准调查的任务需求。

关键词：贴近摄影测量;无人机;三维重建;亚厘米

引言

近年来，无人机摄影测量从固定翼到旋翼,从垂直摄影到倾斜摄影，进而到多视摄影，获取的影像越来越丰富和多样，通过众多影像信息可以恢复各种目标的三维信息，可以预测，无人机摄影测量的下一步发展必将是影像信息数据的精细化。随着无人机云台姿态控制能力和无人机高精度定位技术的发展，武汉大学张祖勋院士团队在2019年针对日益推进的精细化测量需求提出了一种全新摄影测量技术--贴近摄影测量（Nap of the object photograph），其利用无人机贴近研究面进行影像数据采集，从而获得亚厘米级高分辨影像。通过摄影测量软件进一步处理，可以获取研究区精确坐标及点云模型，从而可以实现对垂直崩塌区、侵蚀沟道等高山峡谷地区的精细化建模。本文将自主研发贴近摄影测量系统，并通过野外测试验证其精度。

1贴近摄影平台研发

（1）飞行平台研发

研发可进行变高飞行、贴近飞行的四旋翼无人机平台。为了满足高山峡谷地区的任务需求，对飞行平台进行优化，主要开展的工作包括电机角度优化、电池优化以及地面站控制平台优化。其中，电机角度优化主要是将电机固定座向内倾斜一定角度，从而提高飞行的稳定性和转向灵活性；电池优化主要是采用高能量密度2170电池取代传统镍氢电池和1860电池，通过自主封装，提高电池电量，减小电池重量和体积；地面站优化主要是通过自主二次开发，实现变高仿地飞行和贴近摄影测量飞行。

（2）三轴云台研发

通过对手持三轴云台的改装和控制电路设计，实现满足贴近摄影测量需要的无人机云台。云台的改装主要包含两个方面，一是将云台进行拆解，精简掉多余的部件，包括电池、支架以及扩展部件等。二是对云台的固定和连接结构进行重新设计，使其能够固定到飞行平台中。采用连接柱、碳板等结构设计将云台固定，并通过减震球和碳纤维板的组合将其连接到飞行平台中，减小飞行平台震动对相机成像质量的影响。

       

  图1 多旋翼无人机平台图              图2 可变角度三轴云台

（3）相机研发

相机研发主要开展6100万像素相机研发，通过改装和优化设计，相机平台在体积、重量和性能上得到极大提升，满足高山峡谷高风险地区的使用要求。同时，为了提升数据获取精度，项目定制研发了60mm定焦镜头，通过大光圈、非球面镜片组合，实现高解析力、低畸变的数据成像能力，与6100万高速像素相机配合，极大提升数据分辨率和精度。

   

     图3 6100万高像素相机             图4 60mm全画幅镜头

2野外测试验证

2023年1月，利用研发的贴近摄影系统在汶川县旁边的滑坡区域开展了无人机航摄作业。作业区位于汶川县旁的山顶，海拔高度约1750米左右，滑坡体落差约300米。测区坡度约为50度左右，坡面多为滑坡形成的碎石块，两侧分布有灌木草丛，符合典型高山峡谷地区贴近摄影测量的特征。

为了验证毫米级的航摄分辨率，本次飞行首先获取了区域的高程模型，并根据地面站软件设计了贴近摄影测量航线，航线平面基本与坡面角度保持一致。飞行高度为40米，航向重叠度为75%，旁向重叠度在60%左右。飞行完成后进行了现场数据传输和质量检查，并导出POS数据。整个过程中，研发的贴近摄影测量系统工作状态正常，稳定性较好。

此次航摄作业面积约0.8km2，共飞行3个架次，获取照片2540张，数据大小约48G。

（1）数据质量

获取的数据通过检查，航片清晰，无漏片，除了由于地形和天气造成的阴影较重外，其余参数表现优异。研发的相机和镜头稳定性、成像解析力以及成图效果满足相关设计要求。

（2）内业处理

首先对航摄数据及POS数据进行了预处理，然后利用ContextCapture软件进行了空三运算以及模型生产。由于航摄面积较小，而且只获取前、中、后三个方位的数据，首先尝试利用ContextCapture进行了空三处理。通过约1小时的运行最终顺利完成空三测量，且未出现分层现象。在完成空三解算后，直接利用ContextCapture开展了三维建模，总共耗时1天。

（3）模型精度

通过对模型进行初步观测显示，三维模型的纹理，色差，亮度，对比度，形变完全满足预设要求，纹理清晰，色差正常，亮度适中，对比度较高。

通过处理得到的三维模型整体上色彩丰富，细节表现较好，便于数据处理和内业画图。从空三结果来看，空三质量报告中重投影中误差在0.6个像素左右，符合精度要求。最终生成的模型分辨率在2.64mm左右，模型纹理清晰。以图5为例，岩石表面细碎纹理、颜色斑块基本能够分辨清楚，5mm宽度左右的方解石脉能够清晰表达和测量，满足更高要求的调查、研究工作需要。

图5 地面岩石模型细节

结语

综上所述，研发的贴近摄影测量系统能开展取毫米级的数据采集，并通过内业处理生成毫米级的三维模型。这种相对于以前厘米级的模型而言，能够更为准确获取所拍摄对象的表面信息，包括颜色、高度、结构以及其它相关参数，满足更高精度的项目应用需求。我院已经将此技术应用于生态修复成效评价、地质灾害精细化评价、实景三维模型生产等任务中，后期将继续拓展到碳汇调查评价、国土资源调查、地灾应急等任务中。

参考文献

[1]张祖勋．贴近摄影测量由来与含义[R].武汉:武汉大学遥感信息工程学院，2019.

[2]言司.第三种摄影测量方式的诞生——中国工程院院士张祖勋谈贴近摄影测量[J].中国自然资源报，2019.（5）.

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[5]何佳男.贴近摄影测量及其关键技术研究[D].武汉大学，博士学位论文,2019.