無人機傾斜攝影測量在大比例尺地形圖測量中的應用

馬學峰 張 源 屈利娜 全境富

（湛江市規劃勘測設計院，廣東 湛江524002）

傳統地形圖測圖作業方法，需耗費大量人力物力、工作強度大、效率低、操作工序復雜。近幾年，新興的無人機傾斜攝影測量技術可以短時快速獲取影像數據，具有高速靈活、高效可靠、低成本高精度等優勢，廣泛被越來越多的行業所認可和應用。通過構建三維模型，可以將外業工作搬到內業電腦中，可以有效地提高作業效率和減少外業測量的工作。2019 年11 月，湛江市規劃勘測設計院承接了某區域的1:500 地形圖測量項目，測區面積2.3 KM2，測區地勢起伏較大，有村莊、成林、水塘等。測區位于禁飛區外，無高大建筑，飛行條件良好。

1 傾斜攝影的原理及技術

1.1 傾斜攝影航攝平臺

在傾斜攝影中，原始影像獲取的重要設備是航攝平臺，它在影像獲取過程中有著不可替代的作用和地位。航攝平臺由航攝飛行器與航攝儀組成，航攝儀的性能參數，對飛行載體提出來明確需求，飛行載體允許到達的高度、速度和效率為航攝儀提供了直觀的選擇依據。

1.2 傾斜攝影原理

傾斜攝影技術的核心部分包括：飛行器、傾斜相機，POS 系統。飛行器上搭載的傾斜相機，同時獲取前、后、左、右、下視的高分辨率影像，搭載在飛行平臺上的GPS/IMU 系統獲取POS 數據和像控點數據，運用與設備相匹配的軟件，對這兩種數據進行一系列處理，最終獲得實際生產中的三維模型。

1.3 無人機傾斜攝影測量關鍵技術及特點

1.3.1 關鍵技術

由于無人機傾斜影像畸變較大，對影像匹配精度有更高的要求，傳統的配準方法在匹配精度方面有局限性，近年來，提出了基于多視角傾斜影像的密集匹配技術[1-2]，而且做了很多研究。研究結果表明，基于多視角傾斜影像的密集匹配技術可以獲取高精度的同名點，研究結果為實現全自動精細三維建模提供了強有力的技術支持[3]。

1.3.2 特點

無人機傾斜攝影測量主要有以下特點：

a.無人機可以直接在空曠區域進行起降，不要太大的空間，對起降環境要求較低。

b.無人機飛行高度在幾十至幾百米之間，受天氣影響較小，工作效率高。

c.無人機拍攝影像分辨率高，它所搭載的數碼相機低空分辨率可達到厘米級，可以清晰的看到頂部和側面的紋理。

d.建模效率高：無人機傾斜攝影技術可自動實現數據采集、快速三維建模等。

2 基于傾斜攝影生成三維模型測繪地形圖的流程

基于無人機傾斜攝影生成三維模型測繪地形圖技術主要包括：合理布設像控點及坐標測量、無人機傾斜攝影獲取、三維模型建立、地形圖制作，具體技術流程。

圖1 具體技術流程

3 無人機傾斜攝影測量

3.1 外業數據獲取

本項目使用大疆精靈4 RTK 型無人機，選用3D/五向飛行模式，飛行高度為70m，航向重疊率80%，旁向重疊率70%，分別采集前、后、左、右、下視的影像信息。

3.2 數據處理流程

全自動化三維建模，主要是在攝影測量的基礎上，對獲取的傾斜影像進行初步預處理、多視角影像的匹配、三角網的構建、紋理貼敷等流程，最終得到高分辨率的三維模型[4]。目前自動化建模主流軟件為Smart3D 軟件。

將野外像控點的坐標數據、影像數據（精靈4RTK 影像含POS 數據）導入軟件進行全自動化三維建模。在計算三維模型數據或3D TIN 紋理方面，Smat3D 自動建模系統并不需要人工干預。

3.2.1 空三處理

在Smart3D 軟件中，導入影像數據（含POS 數據），經過提取特征點，提取同名點、相對定向、匹配為連接點、區域網平差等步驟的運算處理，得到攝區合格的空中三角測量成果。

3.2.2 密集點云生成

根據輸出的空中三角測量成果，通過提取的影像特征點，生成高密度點云數據。

3.2.3 構建TIN 網模型

模型制作的計算任務量較大，為提高數據處理速度，處理過程中將攝區分割成N 個模型小塊進行處理。對在每個模型區塊內精細構網，可以快速生成TIN 網。

3.2.4 自動紋理映射

對TIN 網模型進行自動紋理映射，生成基于高分辨率影像的真實紋理的三維模型。此模型可以輸出為OBJ、OSGB 等格式，可以導入市場上主流應用平臺，應用客戶瀏覽。

3.3 三維模型矢量化采集

iData 3D 是一款集測繪數據采編成圖、數據入庫、產品制作和生產任務管理于一體的地理信息數據處理平臺。它可在實景攝影測量環境中進行大比例尺測圖作業。

3.3.1 數據采集

將iData 數據工廠利用海量點云和傾斜三維模型數據，直接基于點云或DSM生產DLG 數據，不僅操作簡便，同時滿足GIS入庫要求。

iData 可直接打開Smart3D 生產出來的osgb/s3c 格式的傾斜三維模型，也可根據DEM 和DOM 成果生成osgb 格式的DSM模型，再進行加載顯示。本文中采用傾斜三維模型進行數據采集。

基于三維模型的DLG 立體采集基本作業流程如下：

圖2 采集作業流程

3.3.2 iData 3D 數據采集模式

a.矢量數據提取

iData 3D 是以iData 數據工廠為基礎，作業環境是二三維一體的，我們通過測圖軟件對房屋矢量面，包括地面的點狀地物和線狀地物的提取，精度可靠。

圖3 線狀地物采集

b.直角繪房

該功能一般多適用于墻面較平整的建筑物，用戶只需采集第一個墻面上任意兩點，再依次采集其他各墻面上任意一點，即可繪制出直角房屋（即房屋內角都為90°）。

若其中一個房屋墻面與上一個墻面不垂直，稱這個面為非直角墻面。直角繪房時可選取該非直角墻面的任意一點作為墻面，先完成其他直角墻面的繪制，生成第一個房屋面；然后再二次使用直角繪房命令，精確繪制該非直角墻面，虛構其他墻面形成閉合的第二個房屋面；最終用第二個房屋面裁剪第一個房屋面即可切出該非直角墻面。相比于一次性繪制出的房屋面，該方法降低了人為采集的誤差，精度更高。

圖4 房屋采集

除上述通過墻面采集建筑物各邊，俯視看建筑物時，采集屋頂各邊也可以實現直角繪房，同樣第一條邊線上要采集兩點，其他各邊各采一點。

c.高程點采集

iData 3D 可直接在三維模型上采集高程點，打點時應選取硬化鋪裝的地面或者無植被遮擋的裸露地表，根據制圖比例尺均勻的采集高程點。

圖5 高程點采集

d.賦予編碼

iData 自帶字典功能，操作簡單，無需記住所有cass 編碼。

4 基于無人機傾斜攝影的地形圖精度分析

結合機場項目測區實際情況，對以上方法獲取的地形圖的精度進行分析[5-6]，本文中通過外業作業人員使用RTK 獲取道路拐角、房角、路燈等可以快速測量的無遮擋的特征點，用于檢驗通過無人機傾斜攝影建立的三維模型矢量化的地形圖精度。采集的地形圖如下圖所示：

圖6 采集過程示意

圖7 地形圖結果

4.1 地形圖平面精度檢查

為驗證機場項目測區的地形圖平面精度，在項目測區外業均勻采集15 個平面檢查點，并與內業采集的點位坐標進行對比，平面統計精度見表1。

表1 平面統計精度

由以上統計結果可知，檢查點點位中誤差為0.143m，按照《城市測量規范》CJJ/T8-2011 中關于圖上點位中誤差為0.5mm，按照1:500 比例尺，則換算成實際允許的最大點位中誤差為0.25m，通過實際檢查點的精度比較，可知完全滿足1:500 比例尺地形圖精度。

4.2 地形圖高程精度檢查

為驗證機場項目測區的地形圖高度精度，在項目測區外業均勻采集25 個高程檢查點，并與圖上高程進行對比，高程統計精度見表2。

由以上統計結果可知，檢查點點位中誤差為0.107m，按照《城市測量規范》CJJ/T8-2011 中規定，平地高程中誤差為1/3*H，H 為等高距，1:500 比例尺平地地形的等高距為0.5m，根據以上公式可以得出允許最大高程中誤差為0.167m，通過實際檢查點的精度比較，可滿足1:500 比例尺地形圖高程精度。

表2 高程精度統計

5 結論

基于無人機傾斜攝影測量技術進行三維建模是一個復雜的過程，包括數據采集、處理分析、三維建模及數據管理等工作。項目實踐證明，通過三維模型生產地形圖的方法，從野外工作量、作業復雜程度、成圖周期等方面明顯優于傳統的地形圖采集，從精度方面統計，地表裸露區域能夠滿足1:500 比例尺平面和高程中誤差要求。但是，受限于傾斜攝影作業模式，無法采集被成片植被覆蓋的區域的影像信息，因此這部分區域仍采用傳統的外業作業方式進行地形的采集。基于無人機傾斜攝影的大比例尺地形圖生產模式，在小范圍測圖，具有一定的實際應用價值和意義。但如何做到影像采集效率更高、三維模型精度更高、矢量采集速度更快，都需要在實踐中進一步的探索和研究。