基于無人機傾斜攝影測量的大比例尺測圖技術研究

陳會明

摘 要：利用無人機傾斜攝影測量技術可以實現小范圍內大比例尺地形圖的快速采集工作。以無人機傾斜攝影測量為對象，闡述了其發展現狀及系統特點，并著重介紹了無人機實景三維建模流程和基于無人機正射影像的大比例尺測圖技術。

關鍵詞：無人機傾斜攝影;三維建模;大比例尺測圖

中圖分類號 P231文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2021）04-0169-02

由于受空域申請、航空攝影周期、項目經費等因素影響，傳統的航空攝影測量工作在小區域范圍內進行快速地形測繪及應急測繪保障等方面無法滿足實際工作要求。而低空無人機航空攝影測量具有靈活、高效、機動、快速、生產周期短、作業成本低等優勢，在測繪領域形成了強有力的技術支撐。筆者以無人機傾斜攝影數據為基礎，構建了無人機實景三維模型，利用實景三維模型的正射影像成果快速生產處理一批小區域的地形圖。

1 無人機傾斜攝影測量技術

1.1 發展現狀 傾斜攝影測量技術是近10年發展起來的一項非常成熟的技術，克服并突破了傳統航測只從垂直角度攝影的局限性。無人機通過搭載5鏡頭相機，分別從5個方向進行拍攝，快速高效地獲取地表數據，真實反映了地表的客觀情況，能滿足人們在三維模型方面的多種需求。同時，由于是超低空航攝，獲得的影像數據具有超高分辨率，在測繪領域具有非常重要的應用價值。

傾斜攝影測量技術是一項高科技成果，在各行各業均有廣泛應用。以無人機航空技術為基本前提，搭載多鏡頭傾斜相機，對小區域進行快速測繪工作，相對于傳統的地面測繪工作而言，其自動化程度高，節省人力、物力及成本。隨著傾斜攝影測量技術的進步，用無人機搭載非量測型相機進行地形圖測繪，配合實景三維建模技術，獲得正射影像成果，測圖周期在可控范圍內，時效性有所保證，將大大提高大比例尺測圖的工作效率。

1.2 測量系統及特點 無人機傾斜攝影測量主要是通過無人機平臺搭載5鏡頭相機，同時從5個方向進行攝影，即通過1個垂直拍攝的鏡頭和4個傾斜鏡頭來獲取地表影像，實現大重疊度的多角度視角。拍攝像片時，飛機自動記錄飛行的有關參數，如航高、飛機速度、重疊度和曝光點的POS數據，根據這些數據對傾斜影像進行分析和整理。傾斜攝影過程中，無人機可同時拍攝5個角度的影像數據。在這個連續時段中，同一個地物可以在多個像片上找到其影像。內業建模人員可以根據地物多個角度的影像快速實現地物的結構分析，并且可以選擇眾多影像中最清晰的1張對其進行紋理制作。通過建立三維模型和紋理的自動映射，可以建立其與實地完全相似的立體幾何模型，為用戶提供實景三維數據，用戶可以獲得極高的體驗感，極大地拓展了無人機影像應用范圍。無人機傾斜攝影具有機動性強，靈活性高、經濟且快速等優點。航空攝影采用無人機平臺，能夠在小區域范圍內快速高效地獲取該區域高分辨率的空中影像，逐步擴大了超低空無人機的應用范圍，應用前景廣闊。對于國家航空航天監測體系而言，無人機無疑是一種重要的影像獲取手段，逐漸從實驗室階段過渡到實際應用階段。

2 無人機傾斜影像實景三維建模技術流程

利用傾斜攝影測量技術進行實景三維模型構建主要的步驟包括無人機傾斜影像獲取、像片控制測量、自動空中三角測量、多視角影像密集匹配、帶控制點的區域網平差、全自動三維建模、數字表面模型和數字正射影像的生成。國際上主流的傾斜攝影測量數據處理軟件有法國Accute3D公司的Context Capture、瑞士PIX4D公司的PIX4D mapper系統、法國 ASTRIUM公司的Street Factory等。從自動化程度和模型精度來看，Context Capture軟件存在較大的優勢，該軟件運行后無需人工干預，建模精度最高，在紋理映射時可以補償瓦片之間的數據差異，在空三和三維建模方面具有較大的優勢。

2.1 數據采集

2.1.1 地面像片控制點的布設 在影像獲取前，為保證研究區有足夠數量的像片控制點，用于對空中三角測量和模型精度進行驗證，需要進行像片控制點的布設。本項目采用基于網絡RTK的模式來采集地面像片控制點。像片控制點一般布設在區域網周邊，布設成平高點。由于高重疊度、多視角影像、計算機密集匹配等因素，外業布設的像片控制點基線跨度可適當放寬，但檢查點的精度需滿足精度指標要求。平高點布設在道路交叉口、斑馬線的角點、體育場地標記線的拐角等部位。像片控制點的施測需按GNSS RTK作業規范進行。本次采集點共9個，5個用于像片控制點，4個作為檢查點。

2.1.2 航線設計與傾斜影像采集 采用大疆精靈4 RTK版進行航線規劃與設計。航線設計采用直線敷設，平行于攝影區域邊界，保證首末航線能覆蓋測區。在地圖軟件中進行合理規劃，如飛行高度的設置、重疊度和相機的傾斜角度，保證可以獲取滿足要求的傾斜影像。無人機起飛前，選擇晴天但日照陰影較短、無風的時間段進行拍攝，以便獲取清晰可靠的影像。

2.2? 全自動快速三維模型構建

2.2.1 自動空中三角測量 空中三角測量是完成三維重建之前最重要的工作。以Smart3D Capture自動空三為例，首先根據自動空中三角測量獲取各影像的外方位元素，分析和確立影像匹配的單元大小，進行基于特征的影像匹配和按像素逐級進行密集匹配，在并行算法的作用下，提高并行計算效率。無人機影像是多個視角的影像，傾斜影像之間存在較大的畸變，增加了影像匹配的難度。在影像匹配時加入POS數據可以輔助多視影像的匹配，粗略地得到原始影像的外方位元素，進行相關算法的粗匹配，可以剔除一些誤匹配點，從而可以再重新進行精確匹配。根據外業像片控制點，結合共線方程進行區域網平差，從而解決影像之間的拓撲關系重建。

2.2.2 數字表面模型生成及真正射影像糾正 多視角影像的密集匹配完成后，可以獲取較高精度的數字地面模型DSM，通過對DSM數據進行濾波處理，將各種特征進行融合，形成最終的數字表面模型。DSM在地形表達方面具有無與倫比的優越性，將取代傳統DEM模型，在新空間數據基礎設施中發揮重要作用。利用多視角影像進行真正射的糾正可以基于數字高程模型DEM和各種分布的尺度差異較大的地物來進行，通過幾何多特征進行物方語義提取;同時在相方根據密集匹配的結果建立與物方的同名點的關系，進行聯合糾正，然后進行勻光處理，獲取真正射影像。

2.2.3 紋理貼合 三維白膜的紋理貼合是城市三維模型構建中的重要組成部分。早期的紋理貼合主要基于白膜框架，外業拍攝影像，采用人工方式進行紋理貼合，數據處理效率低，而且地物的紋理表面還是出現失真等現象。目前，大多數三維重建均采用自動紋理映射。模型和紋理影像可以進行自動配準，基于計算機視覺原理建立地物點與各影像之間的投射關系，即實現模型點與多視紋理影像點之間的關系，經過篩選得到影像清晰的紋理，將多視影像點投影到模型中，實現三維模型的自動紋理貼合。

3 基于無人機正射影像的大比例尺地形圖測繪

3.1 空中三角測量精度 空三精度檢查按照《數字航空攝影測量空中三角測量規范》規定進行。一般從像方和物方2個方面進行檢查，而物方的精度檢查最為常見，就是對比加密點和檢查點的坐標差。空三運算的精度指標一般包括是否有漏偏的情況，該情況是否合理;連接點是否正確，空三是否存在斷層現象;檢查點和像控點的殘差、連接點的誤差是否在允許范圍內。通過計算 4個驗證點的實測三維坐標與區域網平差得到的三維坐標間的誤差，來衡量區域內空中三角測量精度。統計結果表明，空三加密點相對于檢查點實測坐標和高程之間的誤差均小于規定的平面誤差和高程誤差，說明該方法建立的三維模型在幾何精度上符合要求。

3.2 基于正射影像的線劃圖采集 數字線劃圖的采集工作需要在有關數據的支撐下進行采編，保證數據有固定的格式和完善性。使用無人機進行大比例尺地圖測繪時，應構建相應的數字表面模型DSM，因此要嚴格規范操作步驟，減少人工采集誤差，從而保證工作的正確性;測繪系統會根據需要自動匹配形成DSM，根據數據和影響再進行濾波處理，將數據和影像轉化成DEM的格式，從而進行相應操作，使用全數字攝影測量技術，生產滿足制圖要求的DOM正射影像數據。

3.3 高程點的補測 數字線劃圖需要一定數量的碎部高程點，可以從經過地面控制點校正后的實景三維模型上采集，達到大比例尺地形圖對碎部高程點的密度和數量要求，從而滿足大比例尺測圖規范的要求。對于個別精度較低的高程點，可以采用實測的方法進行補測高程點。

4 小結

通過研究無人機三維實景模型的建立過程表明：（1）采用無人機傾斜攝影獲得影像，結合高精度地面控制點，在一定環境下可以全自動化生成高精度的城市三維模型，生產的模型整體性好、地物無縫銜接、場景真實、紋理逼真，是一種經濟高效的城市三維模型生產方法。（2）利用生成的真正射影像TDOM，結合地面像片控制點和模型刺點，完成了基于無人機正射影像的大比例尺外業測圖工作。經過精度檢查表明，利用無人機真正射影像進行大比例尺的測圖完全能滿足常規的地形測繪工作，是一種精度高且作業速度快的實用方法。

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