PJK102S高精度无人机倾斜摄影相机解决方案

1 倾斜摄影技术

1.1 技术概述

倾斜摄影技术是测绘域近些年发展起来的项高新技术。它改变了以往航空摄影测量只能使用单相机从垂直角度拍摄地物的局限，通过在同飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、侧视和前后视等不同角度采集影像。倾斜影像不仅能真实反映地物情况，还通过采用*定位技术，嵌入精确的地理信息、丰富的影像信息，给用户呈现出个五彩缤纷的三维世界，获得身临其境的体验。

倾斜摄影所具备的高效率、高精度、高真实感、低成本优势，使其逐步替代传统人工建模的三维模型获取方式。个面积约50平方公里的城市，运用倾斜摄影建模技术，从获取影像、处理数据直至生成真三维模型仅需10天左右。同等工作量，若采用人工建模，则需投入100人足足干3个月。倾斜摄影三维模型不仅能带给观者真实而震撼的视觉感受，还因其模型上每点都具有准确的三维地理坐标，可供用户按需测量和计算，从而使三维模型在城市建设与管理、国家地理测绘、公共安与应急等方面大有可为。比如在城市建筑立面改造成本核算中，不用再拿着站仪去采集数据，在电脑屏幕前即可轻松完成楼体测量、面积计算，估算修缮成本。

1.2 倾斜摄影原理

    倾斜摄影技术是在摄影测量技术之上发展起来的，和摄影测量不同的是：倾斜摄影是通过在同飞行平台上搭载多台传感器（如图所示，目前常用的五镜头相机），同时从垂直、倾斜等不同角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息。垂直地面角度拍摄获取的影像称为正片（组影像），镜头朝向与地面成定夹角拍摄获取的影像称为斜片（四组影像）。以倾斜摄影技术来获取影像数据作为素材，进行人工或自动化加工处理后得到的三维模型数据的过程，我们称之为“倾斜摄影建模”。

基于倾斜摄影获取的影像数据，可进行通过专业的自动化建模软件生产三维模型，模型生产周期短、成本低。自动化建模工艺流程般会经过多视角影像的几何校正、联合平差等处理流程，可运算生成基于影像的高密度点云，点云构建TIN模型，并以此生成基于影像纹理的高分辨率倾斜摄影三维模型，因此也具备倾斜影像的测绘精度。倾斜摄影自动化建模及其成果，对比人工建模过程，具备“三高低“的特点，即：高效率、高精度、高真实感和低成本。

1.3 倾斜摄影组成部分

2 产品介绍

2.1 经纬M210 RTK V2无人机

M210 RTK V2无人机是大疆创新出品的款结构简单的电动四轴无人机，具有可靠性高、飞行品质优异、操作使用简单、起飞和着陆场地要求低等特点。

经纬M210RTKV2飞行平台延续经纬系列可靠耐用的机身设计，为严苛环境而生，旨在进步提升空中作业生产力。无人机设计紧凑，扩展灵活，智能控制系统与飞行性能显著优化，新增飞行及数据安等功能，为测绘行业提供专业解决方案。

图：M210 RTK V2四旋翼无人机

飞行器

n 尺寸883×886×398mm

n 轴距643mm

n 大载重1.45kg

n 大起飞重量6.14kg

n 水平飞行速度81km/h

n 大起飞海拔3000m

n 大飞行时间28分钟（PJ101S）

n 防护等IP43

n 工作环境温度-20°C至50°C

特点功能

n FPV图传标配

n 避障前视下视避障，部红外

n 图传距离8KM，OcuSync2.0图传系统

n 时间同步TimeSync时间同步设计

n 客机监测DJIAirSense

n D-RTK2D-RTK2厘米GNSS移动站

n 地面站DJIPILOT智能地面站系统

n 电池2块组TB55电池

实时差分网络千寻实时差分

2.2  倾斜相机

PJ101S五镜头倾斜摄影相机是基于大疆M210系列飞行器平台推出的专版相机，具有更轻更小，性价比更高，适应性更强，效率更高，测量精度更高，更适用于单兵测绘作业等特点。

PJ101S五镜头相机

相机参数

n 像素单视角2430万，总1.2亿

n CMOS数量5视角CMOS

n 画幅APS画幅（23.5X15.6）

n 焦距35mm（等效53mm）

n 存储320GB、640GB、1280GB

n 曝光间隔≥0.8S

n 工作环境温度-10°C至40°C

n 防护等IP64

n 云台M210系列

n 重量700g

n 尺寸162X162X98mm

n 传输USB3.0接口

n 续航无人机供电

n OLED屏显标配

n 实时图传标配

n 后差分支持

n 温控智能主动恒温

n 自检智能自检&主动重置

数据预处理航测助手

3 数据处理系统-Smart3D

倾斜摄影三维建模技术是基于影像的三维建模技术的种，基于影像的三维建模技术大致步骤分为：

①　特征点提取与相对定向；

②　投影重建与相机标定；

③　密集匹配；

④　重建三维模型。

其中第1步从给定影像中自动检测出可靠且充分密集的连接点，利用连接点对大量影像进行自动重定向；第2步根据重定向结果进行投影重建，标定相机位置等信息；第3步通过CMVS（cluster multi-view stereo）、PMVS（patch-based multi-view stereo）等算法进行密集匹配；第4步从点云通过构建三角网格模型得到目标三维模型。

3.1 建模原理

倾斜摄影三维重建技术在此基础上添加了倾斜摄影技术、空中精确定位技术等，通过提供多镜头组合摄影平台，从多角度获取影像，利用POS系统或GPS差分系统进行精确定位，提供每张影像POS信息，再结合基于影像的自动空三加密、影像密集匹配、纹理映射及模型生成等系列步骤，完成整个三维重建过程。

3.2 建议数据处理工作站硬件配置

1. CPU核心频率不低于4.0，核心数24核以上；

2. 内存不少于48G；

3. 显卡必须是英伟达GTX系列，建议型号不低于GTX1080；

4. C盘使用256G以上固态硬盘；

5. 至少配置1个3T以上硬盘作为数据计算储存使用，或者阵列硬盘；

6. 根据以上配置配备合适主板及大功率电源；

7. 其他适配硬件；

3.3 系统及相应软件配置

1. Win7 64位；

2. ACDsee相片查看器;

3. Smart3DCapture ;

4. 谷歌地球；

5. 坐标转换器；

4 倾斜摄影工作流程

倾斜摄影建模采用高精度、高效率、体化的自动建模技术，建立测区三维模型。该技术集倾斜摄影、空中精密定位和基于密集匹配的自动建模技术于体，先，利用倾斜航空摄影平台进行数据采集，再进行野外像片控制点的量测，然后采用自动建模软件进行数据处理，生成测区的三维模型，技术路线流程如图所示。

4.1  倾斜摄影三维数据采集

参照相关的技术规范标准，完成测区范围内倾斜航空影像数据获取工作，具体实施流程如图所示。

实施流程图

4.2  航摄基本要求及技术指标

根据测图需要提出的航摄要求，向主管部门申请。经批准后，制定航摄计划。根据实地勘察测区的地形特征和本公司摄影平台的特点，参照《1：500、1：1000、1：2000地形图航空摄影规范》（GB/T15661-2008）对测区航线进行合理设计，基本的基本要求及技术指标如下：

（1）所获取影像为真数字影像

（2）平面精度满足1:1000地形图的精度要求

（3）像片的重叠度，航向重叠度75%；旁向重叠度75%。

（4）影像质量，获取的测区像片应影像清晰、反差适中，调柔和、鲜艳。

（5）漏洞补摄，对各种原因获取的不合格航片（航摄漏洞）要及时补飞，漏洞补摄按原设计航迹进行。

（6）后期人工处理：重点处理飞地、飞楼等突出异常模型，后期路灯、篮球架等模型统替换。

4.3  航高确定

数码航空摄影的地面分辨率（GSD）取决于飞行高度，如图所示：

图  航高与地面分辨率关系图

式中：h—相对飞行高度；f—镜头焦距（90mm）；a—像元尺寸（6.1µm）；GSD—地面分辨率。按照公式可求得获得相应地面分辨率GSD的飞行高度。

4.4  航摄时间

航空影像的质量对航摄飞行的时间有定的要求，航摄时间受天气条件的制约。具体要求如下：

（1）水平能见度≥1500m，垂直能见度≥1000m；

（2）多云、阴天为佳，晴天次之。雨天、暴雨天气均不适合飞行作业；

（3）在风速小于3时进行作业，风速过3时，获取的倾斜摄影照片将会不利于建模；

（4）气流相对稳定：每天的正午气流相对较强，对飞行安不利，同时也对影像质量影像较大；

（5）选择航摄时间，既要保证具有充足的光照度，又要避免过大的阴影，般对于摄区的太阳高度和阴影倍数要求如表所示，我公司在航摄时间的选择上会严格遵守表的要求，确保获取的倾斜摄影航空照片和三维建模成果的质量能够满足招标方的要求。

 太阳高度角和阴影倍数

注：特殊情况根据测区地形和季节天气条件，航飞时间具体设定。

4.5  航线设计

通常情况下航线应按东西向或南北向直线飞行；特定条件下亦可根据地形走向与专业测绘的需要，按南北向或沿线路、 河流、 海岸、境界等任意方向飞行。

平行于摄区边界线的末航线般敷设在摄区边界线上或者边界外；旁向覆盖出摄区边界线，般不少于像幅的30%，确保目标摄区完覆盖。

4.6  像片控制点测量

.6.1 像片控制点布设

（1）本测区像片控制点拟采用网络GPS-RTK技术施测，般情况下均为平高点。

（2）选用的像片控制点的目标影像应清晰，易于判别和刺点。像片控制点布设应在航向及旁向重叠5-6张像片范围内，控制点要尽量共用。根据测区的地形条件，按区域网布设，区域网的大小般控制在8航线，12基线，在区域网的四周进行控制点的布设。般情况下每平方公里1个点，尽量均匀分布。

（3）区域网之间的像片控制点应尽量选择在左、右航线重叠的中间，相邻区域网尽量公用。当测区范围受地形条件限制，有凸凹时，应在凸角处增补控制点。

满足精度要求的点位均提供高程和平面坐标，每个测区至少有2个多余观测控制点，作为多余观测评价模型的坐标精度。

5.6.2 像片控制点测量与计算

（1）GPS点位基本要求

a、应便于安置接收设备和操作，视野开阔，视场内障碍物的高度角不宜过15°；

b、远离大功率无线电发射源（如电视台、电台、微波站等），其距离不小于200m；远离高压输电线和微波无线电信号传送通道，其距离不应小于50m；

c、附近不应有强烈反射卫星信号的物件（如大型建筑物等）；

d、交通方便，并有利于其他测量手段扩展和联测；

e、充分利用符合要求的已有控制点；

f、选站时应尽可能使测站附近的局部环境（地形、地貌、植被等）与周围的大环境保持致，以减少气象元素的代表性误差；

（2） 计算和限差要求参照CJJ 8-99《城市测量规范》和CJJ/T 73-2010《卫星定位城市测量技术规范》执行；

（3） 像片控制点联测得到的坐标应及时在已有的较大比例尺的地形图上展点检查，防止出现粗差，确保下工序的三维模型生产能得以顺利进行。

5.6.3 像片控制点选刺

（1）像片控制点的判刺精度为0.1mm，点位应选在影像清晰的明显地物点，般可选在交角良好的细小线状地物交点、影像小于0.2毫米的点状地物中心，地物拐角点或固定的点状地物上。弧形地物、阴影、交角小于30°的线状地物交叉不得作为刺点目标。

（2）像片控制点应选用高程变化小的目标，像片控制点在各张相邻的及具有同名点的像片上均应清晰可见，选择清晰的张像片作为刺点片。

（3）像片控制点采用统编号，平高像片控制点冠以“P”，流水编号，如：P01、P02、……同测区不得重号。

（4）每个控制点刺点位置情况都附加注点位简要说明，刺孔影像、实地、略图说明要致，并注明点号，选刺者、检查者应签名。

4.7  三维数据处理

 测区三维模型的生产采用敏捷自动建模软件。将获取的符合建模要求的重叠影像进行预处理，导入软件系统，人工给出定数量的特征点，软件则自动匹配计算，进行模型生产，具体工作流程如图所示。

三维模型生产流程图

5.7.1 影像预处理

倾斜摄影完成后，我们对获取的测区影像进行质量检查，确定影像没有变形、扭曲等现象，对影像质量不符合要求的进行修复，对影像进行统编号。

自动空三加密

在自动建模软件上加载测区影像，人工给定定数量的控制点，软件采用光束法区域网整体平差，以张像片组成的束光线作为个平差单元，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交会，将整体区域地加入到控制点坐标系中，从而得到加密点成果，即从已知特征点推算出未知特征点，并自动抽取所有特征点，构成整个目标地区的特征点云。

5.7.2影像密集匹配

软件根据高精度的影像匹配算法，自动匹配出所有影像中的同名点，并从影像中抽取更多的特征点，从而更精确地表达地物的细节，如下图所示。

目标测区点云

5.7.3纹理映射

由空三建立的影像之间的三角关系构成TIN，再由TIN构成白模，软件从影像中计算对应的纹理，并自动将纹理映射到对应的白模上，终形成真实三维场景，如下图所示。