倾斜航摄技术小知识之航线设计

倾斜摄影技术是国际摄影测量领域近十几年发展起来的一项高新技术，该技术通过从不同的视角同步采集影像，获取到丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理。它不仅能够真实地反映地物情况，高精度地获取物方纹理信息，还可通过先进的定位、融合、建模等技术，生成真实的高精度三维模型。该技术已经广泛应用于应急指挥、国土安全、城市管理、房产税收等行业。
倾斜三维模型质量是一个系统的工程，要想获得比较理想的三维模型效果，传感器、航线设计、像控点布测、数据获取、数据处理等各个环节均应严格把控质量，这里结合飞马机器人公司的D-OP300倾斜航摄系统，简单的介绍一些倾斜数据获取过程中的一些小知识，以帮助大家更好的理解我公司的产品，更好的了解倾斜航摄技术。

此篇重点介绍倾斜航线技术中一个重要的环节，那就是倾斜航摄的航线设计，航线设计主要是结合用户需求设置合适的航摄因子，主要包括地面分辨率（GSD）、航高、航向重叠度、旁向重叠度、航线外扩等，引申出来的航摄因子有摄影基线（拍照间距），航线间距等。

一、地面分辨率（GSD）

在数码相机航摄时统一都使用GSD（Ground Sample Distance）概念。使用数码相机航摄时，航线设计以GSD为出发点，先由成图比例尺确定GSD，进而确定航高。在高差较小的地区航摄时，成图比例尺与GSD的对应关系如下表所示：

需要强调一点就是：倾斜航线设计一般以下视相机作为航线设计的基准。

二、航高

对于无人机搭载的数码相机而言，其焦距是购置时已知的，通常有50mm、35mm和24mm等几种，用于倾斜航摄仪的镜头焦距一般是组合存在的，用于轻小型无人机上的倾斜航摄仪的下视相机的焦距一般有20mm、25mm、28mm、35mm等几种。焦距的大小直接与航摄时的航高相关。

单像元大小＆/地面分辨率GSD=焦距f/航高H，则：H=GSD*f/＆

从上式可以看出，相同GSD条件下，＆/f小的数码相机，所需的航高较高，对天气条件要求比较苛刻。

三、重叠度

倾斜航摄的重叠度一般要求比现阶段的传统正射的重叠度要高一些，经过大量的实测数据验证，兼顾了作业效率和模型效果，我公司所有机型搭载的多拼倾斜航摄仪的默认的航向重叠度和旁向重叠度为80%*65%。

我公司双相机、单相机用于倾斜数据获取的时候，结合特殊的航线类型，航向重叠度和旁向重叠度略有变化为80%*80%。

四、航线外扩

倾斜航摄仪常见的是由五个单相机组合形成，数据获取时为了获取到测区范围内完整的侧面纹理，倾斜航摄仪的航线一般要完整覆盖测区需要在航向和旁向均超出一定的距离，航向方向一般是以摄影基线数量衡量，旁向方向上一般以航线数量（旁向间距）衡量。

摄影基线、旁向间距的长度与重叠度、像素数和地面分辨率有关，计算方法如下：

以选定索尼A6000相机为例，假设以传感器长边垂直于飞行方向（见下图），航向重叠度80%，旁向重叠度65%，设定地面分辨率为0.02米。

摄影基线B=4000*（1-80%）*0.02米=16米

旁向间距L=6000*（1-65%）*0.02米=42米

倾斜航线设计时，为保证数据完整、有效获取，可以根据侧视相机倾斜角度和视场角的关系，计算出航向和旁向覆盖超区分区边界线理论值为

式中，P为航向或旁向重叠度；θ为倾角；β为视场角。

在实际飞行中，由于大气等各因素的影响，航向或旁向覆盖超出边界线的实际值一般按照基线数=理论值+2、航线数=理论值+1进行计算。

随着技术及应用的发展，越来越多的大面积倾斜任务，因无人机航程及控制半径原因，需要对较大测区进行划分，无人机管家智航线中会自动对大区域进行划分同时考虑区块间的重叠度，保证效率最大化。

无人机管家大区域航线示意图

五、变高航线设计

三维模型的质量最重要的因素就是分辨率；另外倾斜摄影的模型高程精度一般是地面分辨率（GSD）的三倍，如果生成的正射影像的分辨率是5cm，那模型的高程精度基本就是15cm,最大限差为2倍中误差即30cm，所以为了得到满足精度要求的倾斜模型，GSD就有一定的限制。

对于丘陵、山区、高山区、由于存在一定的高差，如果按照等高的形式进行航线设计，为了保证飞机安全，则会受到测区内最高点的高程的影响，一般会按照测区最高点的高程+安全距离的方式完成航线设计，这种航线设计的方式明显增加了飞行高度，降低了GSD，进而降低了高程精度及模型质量，而且这种情况会随着测区高差的变化而发生变化。

如上图所示，为了解决这种问题，需要专门结合地形设计一种变高航线，最大程度上做到以相对较低且一致的航高，获取测区内GSD相对一致的倾斜数据，满足用户对于高精度、高分辨率的需求。

D200变高航线

六、建筑高度引入航线设计

航摄飞行过程中，航线设计时主要采用的是地形图的高程信息，未引入人为构建的独立地物、建筑物等高度，若测区出现高度高于相对航高的独立地物或建筑物，很容易出现撞机事故，引发飞机坠毁，严重情况下引起人身财产损失。所以将建筑物的高度引入航线设计中很有必要。

另外，当测区建筑较高的时候，建筑屋顶会在影像中形成较大的投影差，如下图所示，单纯考虑地面物体的重叠度必然导致建筑屋顶出现漏洞，需要结合相对航高、重叠度以及建筑高度等方面的相关因素加以分析。

图1 投影差示意图

图2 建筑高度与重叠度关系

我们在进行航线设计的时候将建筑高度引入航线设计中，尤其是引入进倾斜航线设计中，在进行航线设计的过程中输入测区的最高建筑的高度，通过调整重叠度，尤其是旁向重叠度，以达到测区最高点以及最高建筑顶部的重叠度都能满足要求，这种航线设计的对策对于保证数据的有效获取，避免模型出现漏洞具有明显的优势。

无人机管家智航线支持建筑物高度输入及航高限制、重叠度提醒