基于無人機傾斜攝影技術的地形圖測繪方法研究

肖永東

摘要：斜攝影測量技術作為一門快速發展的測繪技術，在高效作業的同時，成圖精度也不斷得到改善，為大比例尺地形圖的測繪提供了一個有效的選擇。本文通過實例對無人機傾斜攝影測量在大比例尺地形圖測繪中的應用進行了框架上的論述，并通過必要的精度分析，驗證了其應用的可靠性。

關鍵詞：傾斜攝影測量;無人機;三維建模;大比例尺地形圖

1.引言

作為一種體現地形具體空間分布的圖件，地形圖尤其是大比例尺地形圖在國家安全、國民經濟建設等方面發揮著重要作用。隨著空間數據獲取方式的演進，雖然全站儀、RTK等數字化測圖技術相較傳統成圖技術有了很大的效率提高，但是，其最本質的作業方式依然是工作人員必須到達現場，具有很大的應用局限性。近年來，基于航空攝影測量理論，側重于小區域、大比例尺測繪技術的無人機傾斜攝影測量系統，以其模型生產速度快、精度高、機動性強、空域申請相對簡單等眾多優點，在地形圖測繪領域快速得到大量應用。無人機傾斜攝影測量系統可以獲取測區的真三維模型，直接在模型上進行空間信息的獲取，全面提升地理信息獲取的精度、廣度和深度。

2.無人機傾斜攝影測量技術

傾斜攝影技術是近年來測繪領域快速發展起來的一項新技術，傾斜攝影測量主要從垂直和傾斜共五個不同方向對影像數據進行采集，在攝像的同時記錄航速、航向、航高、縱向重疊和旁向重疊等空中姿態信息，在獲取影像數據后，利用傾斜攝影測量軟件系統對傾斜影像、POS數據和地面控制點數據進行內業處理并獲得測區的數字表面模型。作為一套完整的空間數據獲取系統，包括了無人飛行平臺系統、飛行導航與控制系統、任務設備、數據傳輸系統、地面監控系統、綜合保障系統等六大部分。在數據處理上，常見的傾斜攝影測量軟件包括ContextCapture、PhotoScan、Pix4Dmapper及Smart3D等。

3.傾斜攝影測量技術測圖流程

基于無人機傾斜攝影測量技術的大比例尺地形圖測繪工作主要包括：

3.1 基礎資料準備

包括對測區的基本地形條件進行熟悉，獲取測區的相關資料，如可用的老地形圖，控制點數據等，根據測區地形高差情況進行航線設計，工作時間安排;所采用無人機型號選擇，無人機功能性檢測，攝像機參數獲取等。

3.2 像控點布設

像控點在測區的分布狀況、數量及精度是影響傾斜攝影測量結果精度的主要影響因素，在野外布點方面，一般選擇特征明顯、易于識別、容易到達且不易被破壞的點位，有時輔以人工制作特征點位。目前在實際應用中，多是使用區域網布點的方法，即像控點沿著區域網四周按一定跨度布設平高控制點，內部再布設若干排高程點，其布設密度應嚴格按照《低空數字航空攝影測量外業規范》來安排。

3.3 無人機航空攝影

在基礎工作完成之后，即可實施野外攝影。在攝影時，應根據測區大小、方向、測區高差及攝影比例尺、航向重疊度（70%-80%）、旁向重疊度（60%-70%）等要求進行航線設計，必要時要進行分區。在實際攝影采集時，多用五鏡頭攝像頭，其中一個正攝，其余四個傾斜，但考慮到成本原因，有時也采用單鏡頭相機的方法進行拍攝，只是這種拍攝方法需要通過不斷調整角度，持續飛行3-5個架次才能滿足要求。

3.4 內業三維建模

外業攝影作業完成后，需要及時將數據導出轉入內業處理，內容包括：

（1）數據檢查：主要檢查航攝作業的飛行質量以及所拍攝影像質量，如實際影像重疊度、像片傾角和旋角、航線彎曲度，攝取覆蓋范圍、影像的清晰度、像點位移等。如果檢查內容不滿足內業規范和作業任務要求，則應根據實際情況重新擬定飛行計劃對局部區域補飛或重飛。

（2）空三加密：目前在無人機傾斜攝影測量內業數據處理過程中，通常采用光束法區域網聯合平差的方法，也稱聯合平差。聯合平差的基本原理是對運用兩種不同觀測手段得到的數據進行平差，將控制點坐標數據和像片的POS姿態數據作為外方位元素的初始值進行聯合平差。

（3）實景三維模型建立：基于原始影像及空三成果，即可使用Pix4Dmapper等內業處理軟件生成三維模型及派生數據，包括DOM、DSM（含DEM）、數字點云等數據。

3.5 內業數據采集

實景三維模型生產完成后，應使用像控點和檢查點對模型精度進行檢查。模型精度符合相關規范要求后，采用相關數據采集平臺，如清華山維EPS三維測圖等進行地形數據采集，作業模式采用先內后外的模式生產。其主要作業流程如圖：

4.實例及精度分析

以曲靖市麒麟區某片區1：500傾斜攝影測量為例，測區大小3KM2，形狀基本規則，東西走向。采用華測P550六旋翼無人機搭載五鏡頭一次性數據采集方案。因地勢相對平緩，且測區面積適中，故只分出一個測區。測區共布設像控點27個，檢查點64個，共獲取像片約5000張。內業建模采用了 Context Capture平臺。建模完成后，采用EPS三維測圖軟件平臺進行了內業數據采集與編輯處理，最后成圖。期間，因少量地區植被茂盛，進行了必要的外業補測。

為驗證測繪成果的平面位置精度及高程精度，在本項目實例中，共選取了206個地物特征點，用RTK實測了其平面坐標及高程，并將測量結果與圖上相應位置的坐標值進行比較，并用中誤差計算公式計算地物點的中誤差，通過剔除少量幾個粗差，最終計算所得平面中誤差為±0.05m，高程中誤差為±0.09m，完全滿足1：500地形圖精度要求。

5.結論

無人機傾斜攝影測量方法因其快速便捷、效率及精度高、數據全面且干擾因素少等有點，為大比例尺地形圖測繪提供了一個更加有效的手段，可以預見，在今后的測繪領域中，將會被大規模使用。但同時，也因其平臺穩定性、作業范圍與數據量等原因，限制了其在國家基礎測繪等大面積作業項目的推廣應用，且對數據處理計算機硬軟件有了更高的要求。在實際項目中，應該要根據自身的條件選擇最合適的測繪方法。

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（作者單位：云南能源職業技術學院）