飞马F300在大面积实景三维模型生产中的应用

飞马F300无人机一经推出，就受到了广大用户的喜爱。尤其是其免像控技术的加持，让航测外业省去了大量像控点布设和测量的麻烦，大大提高了航空摄影测量外业的工作效率。同时其还提供载荷的多种选择，不但可以选择正射相机，还可以选择多镜头倾斜相机，这在轻型固定翼无人机中是首创。本文要讨论的应用，正是基于飞马F300飞行平台，搭载倾斜相机进行倾斜摄影测量[1]外业航飞，并对获取的影像进行处理，经过空三计算和模型重建来生产城市真实景三维模型[2]。本项目采用布设稀少像控点的方案进行工程的施测。

一、工程项目概述

1.1、项目基本情况

为推进长岭县基础设施建设，促进长岭县城市及经济发展，我司受甲方委托，对长岭县城区进行地理信息数据的采集。项目要求采用倾斜摄影测量技术[1]，并生产城市实景三维模型。此工程测区面积约11平方公里，位于吉林省西北部，整体地势平坦，有国道和省道穿过测区，交通较便利。测区属中温带大陆性季风气候，年平均气温4.9℃；测区内常年有风，项目施测季节最大风力可达8级，对无人机飞行有很不利影响。项目飞行空域已由甲方申请并通过批准。

图1测区范围示意图

根据项目需求，要求真实景三维模型成果要能满足1:1000数字线划图（DLG）生产需要，平面中误差±0.25m，高程中误差±0.17m，最大允许误差不超过2倍中误差。测量基准采用国家2000坐标系统，1985国家高程基准，控制测量基础资料由甲方提供。工程中RTK数据采集统一使用吉林省CORS网系统作为差分源。

1.2项目执飞无人机情况

参与项目航测飞行的飞行平台是深圳飞马机器人公司生产的F300智能航测遥感系统。该无人机机长1.07米，翼展1.8米，支持RTK/PPK差分模式，续航时间最长可达90分钟，巡航速度60KM/H，能在5级风的情况下正常作业，且无遥控器，手抛起飞，自动滑降或者伞降的降落方式，对飞手要求低，EP0加碳纤复合材料易修复。无人机这些特点，让此款无人机能经得住测绘工程项目繁忙的飞行需求，且在轻微损坏的情况下能够快速修复而继续飞行，不会耽误紧张的测绘工期。

图2 飞马F300智能航测遥感系统及倾斜相机

飞马F300挂载的倾斜相机如上图右上角，是两镜头倾斜相机。此倾斜相机的单个镜头采用APS-C(23.2×15.4mm)画幅，2010万像素，索尼QX1相机和索尼20mm焦距镜头。两个镜头布置方式是一个镜头向左倾斜，一个镜头向后倾斜，有效像素为5456×3632。此倾斜相机，需无人机以往返飞的方式来获取足够多角度的原始影像数据。

二、工程项目实施

2.1、项目生产工艺流程

无人机倾斜摄影测量技术是新兴航测技术方法，各种具体的执行标准尚不完善，为了更好的完成工程项目，根据技术设计文件以及相关资料，制定了项目工程生产工艺流程，项目的执行严格按照工艺流程的要求来施测。工艺流程如下图所示：

图3、生产工艺流程图

2.2、项目外业实施

2.2.1、像控点布设及测量

依据甲方提供的项目基础资料和项目要求，并参照奥维互动地图，在室内根据踏勘的信息资料，按照10000到20000像素一个像控点[2]，并考虑实际布点可行性，做像控点位置分布的预设。像控点的布置，我们采用L型的图案，此图案在实际工作中最容易喷涂，需要的辅助工具最少，同时边上喷上点号，方便后期处理使用，甚至可以不参考点之记信息就能完成刺点。简单易行的像控点布置，在能保证像控点质量的前提下，可以尽可能的提高外业工作效率。在测量像控点的同时，进行点之记信息的记录。像控点的测量采用控制点测量的方式进行平滑采集。

图4像控点设计分布图

图5 像控点布设与测量

2.2.2、外业航飞的实施

外业航飞对后期数据处理来说，是很关键的一环。好的航线设计，是外业飞行数据高质量的关键之一。按照相关技术资料和要求，在飞马智航线软件里，导入测区kml格式范围线，进行飞行航线的规划和飞行参数的设置。

项目航线主要设计参数如下：

相机型号：ILCE-QX1

地面分辨率：5.0cm

航向/旁向重叠度：80%

航线角度：80度

相对航高、航线间隔、拍照间隔等数据，智航线软件会自动给计算出来。这也是飞马无人机管家软件设计比较人性化的表现之一。

图6 航线规划图

按此航线规划方案，在今年6月初，项目无人机作业组完成了长岭县城倾斜摄影测量的航摄工作。航测外业执飞无人机是飞马F300智能航测系统挂载两镜头倾斜相机，采用往返飞的方式飞行。由于天气原因，外业实际用时4天，共计飞行14架次，获得外业原始影像27972张，相应的静态数据文件和观测记录表格，飞机日志数据文件，每一架次飞行情况记录等资料。

图7 外业飞行现场

2.2.3、外业航飞数据的预处理

航飞数据的预处理是完成高精度POS数据的融合解算。在飞马无人机管家软件智理图模块中，分步骤完成基站静态数据格式转换，机载GPS数据转换，数据完整性检查，GPS数据解算。解算完成后输出txt格式的解算结果，在解算结果文件的第一行有Q1值用来评定此次解算结果的精度，一般要求在98以上[3]。然后对照片和POS数据进行整理，并按计算机处理能力，对测区进行处理分区的划分。

图8 GPS数据融合解算

三、数据处理及实景三维模型生产

3.1、影像数据空三计算

本项目采用的建模软件是Context Capture软件，此软件自动化程度高，操作步骤较少，能支持集群运算，是业内知名的自动化三维建模软件。在软件里新建工程，添加照片和POS数据，按默认参数提交空三计算，软件会自动完成空三计算。如果结果不合格，就在计算结果基础上修改空三计算参数并再次提交空三，直到空三合格为止。空三计算通过后，加入像控点坐标数据，并进行相片刺点，这时候软件能预计出像控点在相片上的位置了，且准确度很高，能提高刺点的速度。刺点完成后，再次提交空三计算，完成后检查空三报告质量，如果合格，就可以进行模型重建生产了。在控制点编辑器里有三个参数，分别是三维精度、三维水平精度和三维垂直精度，这三个精度参数，基本上能体现出最终模型数据的精度水平等级。

图9 像控点三维精度水平计算结果

图10带像控点的空三成果3D视图

3.2、三维模型的重建

空三成果合格后，下一步就进入模型重建生产了。选择项目需要的坐标系，并从KML文件导入重建范围（即测区范围），设置好切块方式和瓦片大小，就可以提交模型重建生产，真正开始生产模型。Context Capture软件模型重建支持的数据格式很多，本项目采用OSGB格式。OSGB数据格式通用性比较好，支持的软件也比较多。

图11模型重建参数和瓦片分块

模型重建生产是比较耗时间的，重建速度主要取决于计算机的整体计算速度。此项目采用5台电脑，耗时将近5天才把模型全部生产完毕。

图12 模型成果截图

图13 模型成果局部截图

3.3、模型成果精度检查

测绘产品精度是测绘工程项目的核心目标，实景三维模型成果已经生产完毕，对成果精度的检核就是必须的要做的事情。我们联合甲方一起对模型进行了一个精度的检查，用RTK设备在测区测量了400个检查点，最终选择了399个平面检查点和375个高程检查点，对模型精度进行了检查。检查结果统计情况如下表所示：

表1 模型精度检查统计表

由上表统计数据来看，该工程项目的成果精度完全达到了项目设计要求，甚至比设计的精度还高出一点。这些数据表明，使用飞马F300智能航测/遥感系统搭载倾斜相机的方案，采用合理的作业工艺流程，是完全可以满足大比例尺测图精度要求的。最终采用的检查点分布情况如下图所示：

图14 模型精度检查点位置分布略图

四、总结和展望

此工程项目的外业投入人员是踏勘2人一天，像控点2人一天，外业飞行2人4天，内业处理共计1人7天，其中人工操作约1天，其它时间是计算机自动完成计算。计算下来，采用飞马F300搭载倾斜相机的方案，效率是传统测绘方式的10倍甚至更高。

倾斜摄影测量近年来发展迅猛，逐渐成为测量人员很好的测量技术；在保证精度的前提下还能大大的提高测绘的作业效率；降低外业测绘作业人员的劳动强度，也使外业测绘人员的人身安全有了更好的保障；传统测绘不易到达的地方也能测的到，让测绘几乎没有死角；且提供的测绘成果表现形式更容易让普通大众看得懂、理解到位，相当于把现实城市搬回了家。这些优势都是传统的人工测绘所不具备的。在实景三维模型上进行线划图的采集和建库，也是倾斜摄影测量数据成果的一个主要应用方向。业主方已经在此项目成果上采集完成测区1000比例尺的线划图。

图15 基于模型成果采集的局部线划图成果

未来随着5G通信技术的逐渐应用和普及，使实景三维模型数据的在线浏览和应用成为可能，就能为普通大众提供更好地图服务，比街景数据更加真实，而且可以360度的旋转查看；也能为政府相关管理部门提供基于真实景的基础平台应用，再加上更多的各种物联网和传感器数据，让城市的管理和服务水平上一个台阶。

总之，飞马F300智能航测遥感系统，经受住了此项目的实际检验，能满足大比例尺实景三维模型数据的采集和生产需要。飞马F300智能航测遥感系统一定能成为广大测绘从业者爱不释手的测量工具，能为地理信息行业的兴旺发展提供一定的助力。