無人機傾斜攝影測量在1∶5 0 0大比例尺地形圖中的應用

周世濤李照宇

（1.海南省農墾設計院有限公司，海南 海口570206；2.海南電網設計有限責任公司，海南 海口570102）

0.引言

大比例尺地形圖含有詳細的地形要素和地理信息，是城市規劃、市政公用事業、土地管理必不可少的基礎資料。目前1∶500大比例尺地形圖測繪大部分仍采用數字化測圖方法成圖，該方法外業數據采集周期長，數據處理復雜，工作效率低，人員投入大，不能滿足現階段城市發展需求。近年來無人機傾斜攝影測量在地形圖測繪工作上已有大范圍投入，該技術結合了無人機的機動性和傾斜攝影測量多傳感器多視角、高分辨率的優點，在地形復雜危險的區域可快速完成數據的采集，在后期數據處理過程中，可實現數據的批量處理，成圖速度快，生產的三維模型可豐富產品內容、滿足業主多樣化需求[2,3]。本文結合無人機傾斜攝影技術制定了大比例尺測圖生產流程以及精度檢驗方法，并以海口市秀英區為例，驗證該方法可實現1：500大比例尺地形圖測圖，成圖效率大大提高。

1.攝影測量技術

隨著傾斜攝影的迅速發展，通過傾斜攝影獲取高精度地表模型數據越來越普遍。傾斜攝影測量技術與傳統垂直攝影測量相比，該技術顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過搭載多臺傳感器從一個垂直、多個傾斜等不同角度采集影像，獲得具有較高分辨率、較大視場角、更詳細的地物信息數據[4,5]。平臺搭載GPS/IMU系統在拍攝影像的同時可得到航高、航速、航向和旁向重疊、像控點數據等，使獲取的每個相片具有高精度的方位元素信息，從而實現平面精度、高程精度能夠滿足1∶500大比例尺地形測量的要求。

2.技術路線設計

作業技術流程主要包括正射影像圖制作、地形圖測繪和地名地址調查。

圖1傾斜攝影測量技術流程圖

正射影像圖制作是利用已有的航片，通過相片控制測量、空三加密、DEM制作后，利用DEM數據對原始航片進行幾何糾正、鑲嵌、勻光勻色、裁切等處理獲得正射影像圖。地形圖測繪采用航測方法，利用已有的航片，通過相片控制測量、空三加密、通過航空攝影測量內業數據采集，外業調繪、實測高程后，在計算機上使用數字測繪軟件編輯成圖。地名地址調查采用完成的地形圖作為工作底圖，通過外業調繪、內業整理，制作地名地址調查圖件及屬性數據。流程（如圖1所示）：

3.工程實踐

3.1 測區概況

測區位于海口市秀英區長流鎮，主要為居民區，面積約為2.52km2，測區地形復雜高差較大。測區內共布設了23個像控點，點間距約為120m。布點時應注意所布設點應能有效控制住成圖范圍，若區域面積過大，航飛需要分區，接邊地區必須增設像控點。

采用HiCORS系統按照圖根點精度進行像控點的測量，所采集數據經海南CORS中心處理，獲得各點的CGCS2000平面坐標和正常高。

無人機飛行平臺為Motorsky-Q5四代，航線設計根據線路走向進行航線設計共設計飛行6個架次，根據要求測量線路寬度，單架次5條航線。航攝相片1454張，POS數據749個，自適應地形起伏模式，設計飛行相對高度140 m，航向重疊度80%，旁向重疊度65%。

3.2 內業處理

內業影像數據處理使用Context Capture軟件，處理過程主要為空中三角測量、三維建模。將外業測定的像片控制點成果，在內業環境中進行轉刺，利用這些點對已有區域網模型進行約束平差解算，將區域網納入到精確的大地坐標系統中，完成絕對定向[7,8]。流程（如圖2所示）：

圖2空中三角測量過程示意圖

空中三角加密測量采用數字攝影測量工作站進行觀測，完成平差解算。本項目航攝數據結合CORS數據，對POS數據進行解算，從而獲得較高精度的POS數據。結合POS數據，高效、準確地提取相片連接點，再使用像控數據，進行平差解算。

通過空三加密過程，對于內業檢核無誤的外業像控成果，直接使用外業測量數據提供下一道工序使用，對于外業無法獲得的像控成果，使用空三加密后的成果資料提供下一道工序使用，對于空三加密過程中發現的精度超限點位，要分析原因，確認外業成果有誤的，若像控點位于加密區內部，可以舍去。

空三加密成果的各項精度指標應滿足以下規定：

（1）相對定向：平地殘余上下視差不應大于0.005mm；

（2）模型連接較差：

ΔS≤0.08×M×10-3

ΔZ≤0.05×M×f×10-3/b

式中，

ΔS為平面位置較差，單位：m；

△Z為高程較差，單位：m；

M為像片比例尺分母；

f為攝影儀焦距，單位：mm；

b為像片基線長度，單位：mm。

（3）絕對定向：基本定向點殘差、多余控制點的不符值及公共點的較差不得規定限差。

（4）航線、區域網之間公共點接邊，平面和高程較差均不應大于規定限差，取中數作為最后使用值。超過限差時，應認真檢查原因，重新計算。

空中三角測量完成后，及時查看精度報告是否符合基本精度指標要求，在獲得符合技術精度要求的空三后，進行三維建模處理。

正射影像制作技術要求：

（1）單片糾正時，采用逐片糾正方式，按照成圖規格要求，采取最大區域化成圖，防止成果區域影像漏洞。

（2）優先選取相片中心投影差小的影像進行拼接，必須經過合理有效的影像鑲嵌來消除不同相片上由于建筑物及高大樹木的投影差而帶來的誤差。

（3）鑲嵌線盡量沿自然線性地物劃出，如道路、河流、湖泊邊線、山脊、山谷、樹縫、田埂等影像變換處，避免穿越房屋、地塊、高于地面地物等。

（4）鑲嵌后要保證地物的完整性和相對關系的正確性。

鑲嵌、勻光勻色處理

（1）鑲嵌處理。糾正生成的正射影像圖，必須進行鑲嵌處理，確保線狀和面狀地物的完整性，實現相鄰正射影像圖的無縫拼接。

（2）勻光勻色處理。先查看原始相片的情況，選取合適的樣本數據，在保證地物不失真的情況下，盡量使直方圖拉開，呈正態分布。勻色時，采用適普公司或航天遠景公司的影像勻光模塊，分塊勻色，根據影像的大小塊，進行參數設置，且應排除像片邊緣的黑色或白色的無效區域。檢查勻色后的影像，并在Photoshop中對一些勻色不好的地方進行局部手工調整。

（3）立交橋的完整性和接邊問題。可采取分層編輯DEM的辦法，進行多次正射糾正和拼接。可通過用特征矢量數據進行正射糾正。

正射影像圖制作過程中，需要對質量進行檢查，主要包括以下內容：

（1）檢查影像文件的定位點、地理定位坐標、X與Y方向的像元地面尺寸、行列數等是否正確。

（2）檢查像對之間的鑲嵌誤差、圖幅之間的接邊差是否符合要求、影像是否存在局部模糊，影像是否重影、地物是否扭曲變形等。

（3）正射影像圖的色調、飽和度較差，像對間鑲嵌邊緣反差和灰度是否存在明顯不一致等。

采用Context Capture軟件進行三維重建時，自動化程度較高，基本不需要人工干預。在軟件完成地表三維重建后，即可生成測區三維模型成果，導出清華山維EPS軟件識別的OSGB格式。測區地表三維模型（如圖3所示）：

圖3測區地表三維模型

在EPS軟件中完成某區塊的全要素采集后，即可導出DWG格式文件，在選擇南方CASS軟件配置后，導出的DWG格式文件時，可直接對應CASS的要素層、代碼、線型、線寬等。然后在南方CASS中對地形圖進行進一步地編輯與修飾，獲得最終的地形圖，（如圖4所示）：

圖4局部地形圖

4.精度分析

完成地形圖測繪后，首先需評定1∶500地形圖成果的數學精度。根據工程攝影測量規范，平面點位精度和高程注記點精度要求（如表1所示）：

表1一般地區、城鎮建筑區地形攝影測量的基本精度

為了檢驗基于三維模型量測地形圖的可行性和精度，在試驗區內采用RTK技術均勻量測一些特征點[10]，包括道路拐角、房角、墻角、井蓋、溝渠等可以快速識別的特征點。本次采用全站儀測量了38個房角點坐標，同時采用RTK測量了20個高程點。精度對比結果（如表2所示）。

表2房角點平面精度對比表

根據表2中的ΔX、ΔY和ΔXY數據，就可以依據中誤差公式求解出檢查點的點位中誤差

式中，n為檢查點個數。

按等精度檢測，計算傾斜攝影測量平面中誤差為：0.027m。

采用RTK外業測量了20個高程點，高程點點位的選取基本為路面上的明顯特征點，如油漆標志、窨井蓋等，（如圖5所示）然后，內業在模型上取出該點的高程。將實測高程與模型上測量高程進行對比，（如表3所示）：

表3高程誤差對比表

圖5高程對比點點位的選取

根據表3中的Δh數據，就可以依據公式（2）求解出檢查點的高程中誤差

式中：n為檢查點個數。

按等精度檢測，計算出傾斜攝影測量高程中誤差為：0.031m。

通過平面中誤差和高程中誤差可知，該方案滿足1∶500大比例尺地形圖精度要求。

5.結束語

本文結合傾斜攝影測量技術對提供了復雜危險地區大比例尺地形圖測繪方案，實現1∶500大比例尺繪圖流程化作業，與傳統測圖技術相比，該方法極大地節約了測圖成本，工期縮短超過一半，簡單的工作流程使工作人員容易操作。精度方面在平面精度為0.027m，高程精度為0.031m，成果精度達到了1∶500大比例尺地形圖質量要求，為地形復雜的區域提供了經驗。