探讨1:500地形图的无人机倾斜摄影测量技术

探讨1:500地形图的无人机倾斜摄影测量技术

敬文涛,王光虹 

四川省地质矿产勘查开发局测绘队 四川省成都市 610067

摘要：针对传统1:500比例尺地形图测绘的不足，本文提出基于无人机的倾斜摄影测量技术的大比例尺地形图测绘方法。利用飞马无人机及相应配套三维模型构建软件实现立体模型生成，并采用北京山维科技公司的EPS倾斜三维测图系统实现裸眼三维测图。以某区规划用1:500比例尺地形图测绘任务为例，实现该测绘任务的无人机测图，并进行平面与高程的精度统计。最终结果表明，平面位置中误差为0.059 m，高程中误差为0.064 m，二者均小于规范的要求；并且工期比传统全野外实测法减少一半以上，外业劳动强度大幅降低。由此可见，基于无人机的倾斜摄影测量方案可满足1:500比例尺地形图获取对质量与效率的双要求，具有推广及普及的意义。

关键字：倾斜摄影；三维测图；大比例尺，精度评价

0 前言

基础地理信息数据是城市乃至国家经济建设和社会发展的基础性、战略性资源，而地理信息数据的现实性是衡量其使用价值的标准之一。“经济发展，测绘先行”这一口号也充分证明了基础测绘在城市经济发展中起到了至关重要的作用。近几年随着各大城市城镇化率加快推进，城市基础设施建设与日俱增，城市扩展速度随之日益加快，城市变化日新月异。这就给地形图保持现实性带来了困难，直接导致缩短地形图更新周期的必然结果；同时加快城市地形图更新周期也是数字城市与智慧城市建设必须面对的一个问题，但是常规全野外测绘已经不能满足大比例尺地形图更新对速度与质量的双要求。

本文在吸取前人经验的基础之上，尝试利用飞马D2000无人机平台搭载OP3000进行倾斜摄影测量，获取所需测区的三维立体影像，并在此基础之上利用北京山维科技公司的EPS倾斜三维测图软件系统实现裸眼三维测绘。克服了传统正射影像矢量化地图时屋檐无法改正、隐蔽点高程无法采集等缺点。最后，外业调绘地形图将遮挡严密地方数据野外采集补齐、地貌属性调绘完善最终形成要素齐全的1:500地形图。利用传统外业RTK-全站仪模式验证三维测图的精度，其结果完全满足1:500比例尺要求。本文通过无人机技术建立起快速大比例尺地形图的技术方法，为城市建设快速发展保驾护航。

1传统1:500地形图测绘的不足

1.1测绘效率低、工作量大

传统的地形图测绘任务是一项劳动强度大，作业效率低的任务，依靠传统测量仪器完成外业测绘任务，工期时间长，人工成本高[6-8]。近些年虽然利用CORS加全站仪等方法是获取大比例尺地形图要素最有效的方法，但该方法存在工作量巨大，工期长，对错也单位的人力和物力资源要求高等缺点。如某地级市开展乡村规划和国土空间规划，但规划区域无历史以往1：500比例尺地形图，为配合规划部门需要，需要在短时间内获取该规划区域1：500地形图。通过比较传统的人工全野外测绘方法与无人机倾斜摄影测量方法之后，最终选择了无人机技术方案。该方案不仅测绘精度满足要求，生产成本与工期大幅缩短。

2无人机倾斜摄影测量技术应用于1:500比例尺地形图测绘主要技术路线

在利用无人机进行倾斜摄影测量主要过程包括测区踏勘，像控点外业选点与实测，倾斜摄影数据采集，空中三角测量加密及优化，数字表面模型生成，纹理贴合与三维模型构建，裸眼三维测图，外业巡视、调绘与补测。

2.1倾斜摄影外业采集

选择本区域有利的气象条件开展飞行工作，确保影像能清晰的显示地貌与地形。风速一般不大于5.6m/s，飞行时刻在中午前后左右最为适宜，这样会减弱高耸建筑物、高大植被阴影对地面要素的遮挡。飞机机载pos系统数据采样率不大于1秒；飞行高度根据飞行区域进行变高飞行设置，根据测图需求、像素等情况设定航高，本立设置飞行高度为80米。飞行速度一般设置为7m/s，这样有利于飞机在飞行过程中不会因为飞行速度过快而造成的飞机失稳情况发生。航向重叠度一般设置为80%到85%，旁向重叠度设置为70%到75%，当测区建筑较密集时。可适当增大航向重叠度与旁向重叠度，以减弱因航向重叠度不足而造成的建筑物几何结构粘连。当测区高层建筑物高度大于四分之一航高时，可采取航向交叉飞行和增加照片重叠度的方法。航向弯曲度一般不大于3%。飞行过程中时刻观察飞机电量与存储空间的剩余情况，重点观察相片的连续性与机载pos系统的失锁情况，如出现摄影漏洞或者遮挡严重地区，应按照原计划进行补飞。

2.2像控点测量

测量像控点是为了影像在空三加密后将像片坐标系统转化为像控点坐标系统的工作，理论上像控点越密集，空三解算精度越高。但无疑会增加工作强度与增加物力、财力。一般像控点实测采用城市CORS系统，利用RTK野外选择在影像判别清晰的地物角位置，像控点分布以满足影像空三解算为前提，一般在测区周边及中心位置选择适合的数量像控点，有条件时可选择强制对中像控点。像控点选择一般满足以下条件：

（1）.像控点需选择较为菱角的标志物，以提高内业精度；

（2）.像控点标志物尺寸应不大于70cm，且明确指出具体点位是标志物哪一部分；

（3）.像控点尽量选择平坦地区，避免树下，屋角等容易被遮挡的地方；

（4）.像控点标志物应与地表颜色形成鲜明对比（如，深色地面贴白色胶带，白色地面贴红色胶带）

（5）.像控点应选择在旁向重叠中线附近，其距离影像上各类标志应不小于1mm。

2.3空三加密与三维模型重建

相较于传统航天航空正射影像空三解算，倾斜摄影空三解算自动化程度高，人工干预少，解算精度高，速度快，而且飞机自带POS系统，实时提供相片的外方位元素。利用依靠与无人机配套的软件进行空三解算，空三优化及模型重建。

2.4三维测图

目前国内许多测绘软件公司开发出裸眼三维测图软件，其具备直接采集墙角或者墙面获取房屋图形信息；高程通过面选或者线选可以生成符合1:500比例尺地形图要求的隔网间隔，相较于传统数字野外测图方法，该技术可实现全视觉无死角采集，可对同一地方进行多视角重复采集，极大地提高了效率和精准度，减少了外业工作时间。

3实例验证

3.1项目实施情况

某地级市开展乡村规划和国土空间规划，为掌握规划区域基本情况，委托某测绘院进行该区域1:500地形图测绘任务，技术路线如上文所示，该区域约70平方公里，该区域以浅为主，城镇房屋较集中，农村耕地较多，正值春季地面无覆盖，耕地中无经济作物为倾斜摄影航飞提供有利条件。

3.2 立体测图遇到的问题及解决方法

（1）.矢量数据加载模型中经常发生模型缺失情况，此时卸载模型并重新添加倾斜模型便           可解决问题；并且后添加矢量数据可节省加载时间；

（2）.由于航飞时，某个方向出现摄像漏洞，导致个别建筑物出现模型粘连情况，此时采集房屋时会出现无法捕捉房角与房面点情况；可采用模型切割功能，将建筑物以某一高度进行水平切割，会将房面以某一厚度展现出来，此时再以面面相交会出房屋。

（3）.植被茂密处，特别是高大树木处，遮挡严重，无法采集图像数据和高程数据，需要通过外业补测补齐图形。

（4）.高程点采集时，容易采集到行车、树木、植被之上，导致高程不准；在丘陵地区不建议采用面选生成相应隔网间隔的高程点，然后在通过生成等高线来凸显高程异常值点，直接删除不合理的高程点的方法。而是建议采用在倾斜三维模型上人工逐个采集高程点并生成等高线。

4结论

本文系统性总结了无人机倾斜摄影测量技术应用于1：500比例尺地形图更新的方案流程，并以实际工程项目验证了该方案的在精度上的可行性，与实际操作的上的适用性。目前制约该技术的发展其硬件方面包括无人机的续航时间有待加强以及镜头相机像素、分辨率还可以在提高，软件方面包括飞机控制系统、三维模型生成系统、立体测图系统都可以有很大的进步空间，并且随着5G技术的发展与成熟，数据传输与处理有着更广阔的的发展空间。

参考文献

[1] 陈洪．无人机倾斜摄影实景三维应用于土方测量工程[J]． 城市勘测，2020( 6) : 92－96．