1:500地形图的无人机倾斜摄影测量方法

1:500地形图的无人机倾斜摄影测量方法

李光林

宜昌市城市规划设计研究院有限责任公司 湖北省宜昌市443000

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。利用大疆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EPS三维测图系统实现裸眼三维测图。以某乡镇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0.039 m，高程中误差为0.044 m，二者均小于规范5 cm的要求；并且工期减少至预期的三分之一。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，但是常规外业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。近几年来无人机发展速度迅速，其应用领域也深入到各行各业，如大疆无人机经纬 M300 RTK应用于土方计算，利用无人机倾斜摄影测量技术可实现间隔高程采集，得到的土方量与传统RTK测得的土方量结果吻合较好[1]；无人机三维测图获取建筑物立面，实现立面高精度展示，为城市规划提供参考数据；无人机技术实现高压电线巡视，提高了工作效率，降低了人工巡检的危险性[4]。

本文在吸取前人经验的基础之上，尝试利用无人机倾斜摄影测量技术，获取所需更新地形图区域的三维立体影像，并在此基础之上利用某商业软件实现裸眼三维测绘。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实时更新大比例尺地形图的联动机制，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

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，浪费单位人力资源与物力的缺点。如某省会城市接管一县级市，该县级市历史以往无1：500比例尺地形图，为配合市规划部门需要，需要在短时间内获取该县级市1：500地形图。

2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设置，一般选择该区域最高点高程值与最低高程值均值为航高。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60%到65%，旁向重叠度设置为30%到40%，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%。

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，有条件单位可选择强制对中像控点。

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，减少了外业工作时间。

3实例验证

3.1项目实施情况

某省会城市负责接管某地级市下属乡镇，该省会城市为掌握该镇基本情况，委托本市测绘院进行该镇区域1:500地形图更新任务，技术路线如上文所示，该区域10.8平方公里，地势较平坦，丘陵较少，多以城镇房屋为主，次以农村耕地、温室大棚为辅，正值春季地面无积雪，耕地中无经济作物为倾斜摄影航飞提供有利条件。

本次任务飞行选用的为大疆经纬 M300 RTK型号四旋翼无人机，该机具备厘米级定位精度并且具备稳定平衡系统，飞机最大续航为55分钟，为该机配备PSDK 102S型号倾斜相机，该相机配备五镜头，可实现一次航线飞行获取五个方向的图片。本次任务航飞高度选择110米，地面分辨率3.0cm,航向重叠度80%，旁向重叠度为70%。内业处理三维模型构建选用大疆公司研发的某软件所生成三维立体模型如图4所示，正射影像如图5所示。

3.2精度分析与可行性验证

为验证本测区1:500比例尺成图精度，依据《测绘成果质量检查与验收》（GB/T24356-2009）规定随机抽取图幅总数的10%外业打点检查，外业采用莱卡2秒级全站仪测量同名点坐标，利用网络RTK采集地面高程，每幅图平面点50个，高程点30-50个，间距30-50个；对检查平面和高程中误差计算精度统计采用如下公式所示，部分统计结果如表1、2所示。

(1)

式中， 为打点统计成果中误差； 为打点总个数； 实测值与图上值较差。

经过外业打点统计，平面位置中误差为0.039 m,其中平面点差值最大值为0.088m，最小差值为0.002 m；检核点高程中误差为0.044m,其中最大值为0.091m，最小值为0.01m。

由此可见成果满足《CH/T 9008．1—2010 基础地理信息数字成果1:500、1:1000、1:2000 数字线划图》中1 ∶ 500 地形图精度要求。

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．