无人机倾斜摄影测绘大比例尺地形图技术及质量控制研究

无人机倾斜摄影测绘大比例尺地形图技术及质量控制研究

张波

云浮市城市规划测量队527300

摘要：目前，无人机倾斜摄影测量技术已在数字城市建设、城市管理、应急救灾等工作中获得广泛应用。利用这种技术取得的三维模型测绘大比例尺地形图也具有实践意义，因此本文对无人机倾斜摄影测绘大比例尺地形图技术及质量控制进行了探讨。

关键词：无人机倾斜摄影；测绘；大比例尺地形图；质量控制

近年来，一种新的测量技术快速发展起来，它改变了传统航摄遥感只能从垂直方向拍摄的局限，采用多台传感器分别从一个垂直和四个倾斜方向拍摄影像，从而获得更丰富的测量信息，这就是无人机倾斜摄影测量技术。该技术具有真实反映地物情况、能对地物进行三维量测、测绘性价比高、测量效率高等突出优点[1]。无人机航摄是获取大比例尺地形图的方式之一，但传统正射影像不能无缝拼接且有成图精度不高、大幅高分辨率影像拼接难以一次生成等缺陷，使无人机航摄应用受到很大限制[2]。而倾斜摄影技术的应用为无人机航摄测绘大比例尺地形图开拓了一条新的途径，利用这种技术生成的三维数字模型无需佩戴立体眼镜就能生产数字化地形图[3]。因此，本文对无人机倾斜摄影测绘大比例尺地形图技术及质量控制进行了探讨。

1无人机倾斜摄影测绘大比例尺地形图技术分析

1.1作业流程

无人机倾斜摄影测绘作业流程[4]为：作业准备→地面控制点量测→倾斜航摄数据获取→空三测量→三维建模→数字地形图生产→质量检查→成果输出。

1.2作业准备

接受测绘任务后，应充分收集测区资料，并对测区进行现场调研，申请空域，然后拟定航摄方案。通过对测区的调研，确定测区范围，明确测区地物类型、地面采样距离，计算航摄技术参数，拟定飞行计划，再通过实地踩点优化飞行方案。航摄技术参数包括航高、摄影基线长度、航线间隔长度、巡航速度、摄影曝光时间、预估任务执行时间等。倾斜摄影无人机通常采用多旋翼无人机，如六旋翼无人机或八旋翼无人机。由于多旋翼无人机以电池为动力，续航时间较短，应当仔细规划航线，充分利用每枚电池的飞行时间。航线可采用折线航线和环形航线，但前者更为常用。

1.3地面控制点量测

地面控制点坐标一般采用全站仪、RTK等常规方法进行测量，通常采用区域网布点，区域网形状应为矩形。测量之后进行平差，平差精度应满足测量规范要求。外设像控点的布设，应根据航摄测量规范要求选择特征明显的地物点，以便于判刺和立体量测。

1.4倾斜航摄数据获取

确定天气、云层适合航拍后，带上无人机及相关设备到航拍起飞点。起飞前，按照操作规程仔细检查设备状态是否达到工作要求。情况正常则放飞无人机，按照拟定的航摄方案飞行摄影。飞行是通过地面控制系统进行操控的，当无人机升至指定高度，相机自动按预设方案进行定点拍摄，同时POS系统自动记录拍摄瞬间无人机的各种姿态参数。航摄技术要求包括地面采样距离、航向重叠度、旁向重叠度、容许像移植等。拍摄时可能出现航摄漏洞，此时应进行补摄。补摄航线必须依据原航迹飞行，其两端超出航摄漏洞外面的基线不得少于1条。拍摄完成后，按预设航线回收无人机。

1.5空三测量

空三测量全称空中三角测量，其实质是利用已知点重建影像之间精确拓扑几何关系，通过量测影像之间的连接点，定向出每张影像的外方位元素，是航摄测量数据处理的关键环节。当空三测量计算范围由单张像片扩大到一条或多条航带时，也称为空三加密。在空三测量之前应先对影像数据进行预处理，包括匀光匀色校正、畸变差校正、POS数据格式转换。因为无人机获取影像数据时存在时空方面的差异，以致像片之间存在颜色差异，所以需进行匀光匀色校正；而倾斜相机性能指标偏移会造成像片畸变差，所以需进行畸变差校正。POS数据一般为WGS-84坐标系，根据软件处理需求转换坐标系。按照采用的数学模型，空三测量分为航带法、独立模型法和光束法，由于光束法加密精度高，目前低空遥感影像空三加密一般采用光束法区域网平差。利用计算机强大的计算能力，再辅以人工智能技术，可以实现复杂区域影像关系下高精度像片控制点的自动量测和多视影像匹配。

1.6三维建模

无人机倾斜摄影测量的三维建模可采用Smart3DCapure、Pictometry、StreetFactory等软件来实现。例如Smart3DCapure能够基于真实影像的超高密度点云自动计算并生成逼真的三维场景模型，利用POS系统得到的外方位元素关系，通过可以精细到超过20级金字塔的匹配策略，进行同名点自动匹配和自由网光束法平差，在没有人工干预的情况下生成点云图、TIN模型、DSM模型、DOM模型和有纹理映射的三维模型。

1.7数字地形图生产

数字线划图（DLG）可采用DPModeler、VirtuoZo、MapMatrix等软件生成。操作时，可将三维图像导入上述软件中进行格栅化处理，通过矢量化测图，再标注相关地形要素。地形图中不确定的地物信息须经外业调绘，再导入CASS软件就得到数字地形图。

2无人机倾斜摄影测绘大比例尺地形图质量控制

2.1影响成图精度的因素

无人机倾斜摄影测绘大比例尺地形图过程中，成图精度会受到以下环节影响：（1）成像因素，如像片倾角、原始分辨率等。由于无人机质量小，飞行高度低，飞行姿态不稳定，造成平面像点位移和地形起伏高差。原始影像地面分辨率不足时，地形图地物点精度可能达不到要求[5]。（2）空三加密因素。三维建模软件（如Smart3D）在自动空三加密时，存在一些误匹配粗差点，从而影响空三加密成果。（3）作业人员操作误差因素。例如1：500地形图人工采集时影像图上误差1个像素，实地距离误差就是3.5cm。再如地物不在同一高程面时，也可能由于视差导致矢量采集误差。（4）其他因素，例如测图软硬件局限、天气因素等。

2.2改进精度的方法

健全质量控制体系，采用全局优化和高精度作业模式，可以提高无人机倾斜摄影测绘大比例尺地形图精度，具体如下：（1）提高无人机性能。显然采用飞行姿态更稳定的无人机更易于保证成图精度，搭载差分设备也可降低人为操作对测图精度的影响。（2）优化航飞参数，例如降低航高、采用长焦镜头等可提高影像地面分辨率。（3）通过人工干预优化空三加密精度，从而提高成图精度。（4）加强作业人员培训，提高操作熟练程度，可提高矢量采集的精度。

3无人机倾斜摄影测绘大比例尺地形图技术应用实例

3.1项目概况

广东药科大学云浮校区启动区面积大约1.5km2，海拔高度11~69m，规划9条航线，设计地面分辨率平均0.05m，飞行平台为六旋翼无人机，搭载5镜头倾斜相机、遥控设备以及飞控系统，采用倾斜摄影方式飞行5个架次，航向重叠度和旁向重叠度均为75%，共获得1512张地面像片及相应的POS数据，并实测了22个像控点。

3.2内业处理

采用Smart3DCapure平台进行空三加密。新建工程，导入像片数据、POS数据和像控点数据。经过图像校正、区域网联合平差、影像密集匹配，生成高密度彩色点云、TIN模型、DSM模型、全自动纹理映射三维模型。三维模型导入VirtuoZo获取1：1000大比例尺DLG，再经外业调绘完善转入CASS中。

3.3精度分析

为了评价地形图的精度，在测区内采用RTK在测区均匀量测了若干地物特征点，例如道路拐角、房屋转角、墙角、井盖等，通过量测这些特征点坐标检核地形图精度。由表1可见，成图精度满足1：1000地形图测图要求。

4结语

无人机倾斜摄影测量已在数字城市三维建模领域获得良好应用，将这种技术用于数字化测图为其开辟了一条新的应用途径，在满足精度要求前提下不仅可以减少外业作业量，而且内业操作也比较简单，因而具有广泛的应用前景，值得关注和研究。

参考文献：

[1]杨国东，王民水.倾斜摄影测量技术应用及展望[J].测绘与空间地理信息，2016，39（1）：13-15，18.

[2]刘玉洁，崔铁军，郭继发，等.无人机航摄大比例尺测图的关键技术分析[J].天津师范大学学报（自然科学版），2014，34（2）：37-40，48.

[3]孙亮，夏永华.基于无人机倾斜摄影技术测绘大比例尺地形图的可行性研究[J].价值工程，2017，36（8）：209-212.

[4]杨彦梅，施磊，张守敏，等.基于倾斜摄影测量的三维数字测图实验研究[J].地矿测绘，2017，33（1）：25-27.

[5]陈昕.无人机倾斜摄影测量在建筑规划竣工测绘中的应用[J].城市勘测，2017（1）：82-85，90.