無人機傾斜攝影測量技術在建設用地竣工復核中的應用

陳羅生 中國鐵路上海局集團有限公司滬昆鐵路客運專線浙江有限責任公司

1 引言

一直以來，地理信息數據的獲取主要采用人工作業的方式，勞動強度大，工序繁多，耗時耗力是傳統作業方式的特點。然而近年來興起的無人機傾斜攝影技術徹底顛覆了傳統的作業模式，該技術通過無人機低空多鏡頭攝影獲取豐富的立體影像數據，無需人工干預，自動生成三維地理信息模型，具有效率高、成本低、一次飛行信息豐富、數據精準等特點，已在國土監察、城市執法、應急救災、電力巡線等領域得到了廣泛應用。

2 無人機傾斜攝影測量原理及優勢分析

2.1 基本原理

傾斜攝影技術是傾斜航空相機國際攝影測量領域近十幾年發展起來的一項高新技術，該技術通過從一個垂直、4個傾斜共5 個不同的視角同步采集影像，獲取豐富的建筑物頂面及側視的高分辨率紋理。它不僅能夠真實地反映地物情況，高精度地獲取物方紋理信息，還可通過先進的定位、融合、建模等技術，生成真實的三維模型。

2.2 優勢分析

無人機傾斜攝影測量不管是用于生產實景三維模型還是1∶500測圖，生產效率是傳統作業模式的數倍甚至數十倍。以1∶500 地籍測量為例，傳統人工測量平均一組每天測量約30 宗；而在三維模型上測量，一個熟練內業人員平均每天能完成100宗以上，而且還不存在天氣因素的限制。

模型和測圖成果精度取決于傾斜相機分辨率和相控點精度，相機分辨率優于1.5 cm，相控點位精度不大于2 cm，得到成果點位精度95%優于5 cm。全站儀數字測量受通視條件限制，采用免棱鏡也難以測量，導致圖面不完整或圖面精度不高。但傾斜攝影測量利用高度和多視角優勢，就能很好地解決這個問題，例如，在農村不動產測量中，即使存在帶院墻的宗地無法進入，也不會影響測量工作的開展。

2.3 技術流程

基于無人機傾斜攝影的復核驗收測量技術結合了攝影測量學原理和竣工驗收測量方法，采用多視角相機同步獲取各個角度高分辨率影像進行預處理、區域網聯合空中三角測量、多視影像密集匹配、DTM/DEM 編輯和生產、TIN 模型構建自動紋理關聯、三維測圖軟件導入與制圖、建設用地實際使用情況、竣工地形圖繪制、竣工面積計算等。在一定程度上提升生產效率，為土地專項驗收提供直觀豐富的數據信息，輔助運營管理。其關鍵技術包含：

（1）多視影像數據采集，原始影像數據質量直接關系到模型質量，需選擇穩定的飛行平臺并明確傳感器、地面分辨率、影像重疊度、飛行架次及航高等，同時獲取5 個視角的影像。

（2）像控點加密布設，按照《低空數字航空攝影測量外業規范》布點方案布設均勻分布的像控點，并在其基礎上結合攝區地形對相鄰像控點間加密布設控制點。

（3）三維模型并行處理，多視影像空三加密、點云生成、建立實景三維等均可在通過后處理軟件自動解算，其中多視影像區域網平差和多視影像密集匹配，通過GPU＋集群并行處理，分配作業任務，提升處理效率。

（4）采用EPS 三維測圖系統，實景模型地物清晰、信息豐富，繪圖員無需佩戴立體眼鏡，可直接采集地形圖，并賦予要素屬性，成果可轉換為DWG等格式。

3 應用案例

3.1 項目概況

杭州至黃山鐵路（浙江段）工程（以下簡稱“杭黃鐵路”)是一條連接浙江省杭州市與安徽省黃山市的高速鐵路。杭黃鐵路運營長度為287.545 km、新建長度約265.15 km，其中浙江境內約185.0 km。杭黃鐵路2014 年6 月30 日正式開工建設，并于2018 年12 月25 日建成并通車運營。全線涉及杭州地區的蕭山區（23.0 km）、富陽區（39.2 km）、桐廬市（28.2 km）、建德市（41.0 km）及淳安縣（53.6 km）等五個縣（市、區）。2016年11月18日，國土資源部《關于新建杭州至黃山鐵路工程（浙江段）建設用地的批復》（國土資函〔2016〕724號），批準全線用地總面積391.2498公頃。

本文僅對建德段（41km）作為研究對象，建德段批準用地104.6473公頃。

3.2 項目實施

3.2.1 航線布設及數據獲取

本次航攝使用大疆M300無人機搭載賽爾PSDK 102S五鏡頭相機等設備進行影像采集，影像地面分辨率優于2 cm，根據航攝區域地形情況、起飛場地情況以及攝影分辨率要求等要素，使用“微型無人機低空遙感系統”自帶程序進行自動航線設計。當測區的風向與設計的航線成垂直方向時，為減小飛行過程的漂移問題，應調整航線設計，如圖1所示。

圖1 航線飛行設計示意圖

測區完成情況：采用哈瓦MAGE V8 III多旋翼無人機及哈瓦YT-5POPC III5鏡頭，共采集影像225920張，影像地面分辨率1.8 cm，測設像片控制點215個，控制點平面中誤差2cm內，高程中誤差3 cm內，航向重疊度75%，旁向重疊度80%，外業采集和像控點布設共計耗時7 d。整個區域外業控制測量、空三加密、DOM、DEM及三維實景模型制作，面積總計6.52 km2，模型分塊大小為60 m x 60 m格網大小，共計生成OSGB格式模型分塊2437塊，模型大小為127.3GB。

本項目共完成6.52 km2傾斜數碼影像采集，根據測區實際攝區環境，對區域進行了分區采集規劃，在高層建筑區設計航高為130 m、低層建筑區設計航高為70 m，采用不同航高，保持采集分辨率的一致性。

3.2.2 空三加密及數據建模

3.2.2 .1 空中三角測量

（1）數據預處理 傾斜攝影數據包括下視影像和傾斜影像兩種不同類型的成果，傾斜影像和下視影像存在一定程度上的色調差異。應保持影像色調一致、無拉毛現象、反差適中。以下視影像為基準，根據傾斜影像不同拍攝角度，分別制作對應色調模板進行批量勻光處理。對于不同架次的影像數據，如存在較大的色差，則需要進行勻色處理。圖2為勻光前后效果對比圖。

圖2 勻色效果對比

在區塊Block 成功導入后，點擊Check Photo 檢查導入影像路徑的完整性。整理航飛影像和POS 數據，刪除不完整的影像文件。

對提交的航攝成果進行二次檢查分析，確保數據完整，元數據信息完備。POS 記錄信息與影像成果對應一致，無缺漏和不匹配現象。圖像質量和文件格式正確無誤。相機參數信息齊全。

（2）建模區塊劃分 區塊劃分應綜合考慮垂直影像分辨率、攝區地形特點、航攝分區、測區形狀等，劃分原則如下：

①應以航攝分區作為區塊分塊的邊界，分塊不宜跨測區；

②分區間旁向有2-3 條航線重疊，航向有3-4 幅影像重疊；

③分塊形狀應規則，宜以矩形、正方形為主；

④分塊邊界不宜穿過居民地，精度要求較高的區域應當處于分塊中心；

⑤三維建模時應調取相鄰分塊一倍航高范圍內像片參與計算。

（3）相對定向 結合POS 數據，通過Bentley ContextCap?ture 軟件完成像片的自動化相對定向。相對定向精度應滿足：連接點上下視差中誤差不大于1/3像素，最大殘差不大于2/3像素，特別困難區域可放寬0.5倍。

（4）像控判刺

①像控點通過網絡RTK技術施測，均為平高點。

②像控點判刺是對傾斜攝影5 鏡頭所攝的5 組像片，每組挑選判刺不少于3 張像片的像片控制點。采用“隔4 取1”的判刺方法，每5張連續像片選取1張進行判刺，盡可能選取控制點位于像幅中心的像片。像控點判刺界面如圖3-圖6所示。

（5）絕對定向與區域網平差 空三絕對定向首先進行大量特征點的提取，其次對獲取的特征點采用多視匹配和密集匹配等技術進行同名點匹配，再次進行迭代平差優化、畸變差校正等步驟獲取精確的外方位元素，得到每一幅影像精確的空間位置和旋轉角度，以確定各個影像間的投影關系為下一步三維重建做好準備。

圖3 像控判刺

基于Bentley ContextCapture 全自動三維建模軟件，結合POS 系統提供的外方位元素和相機安裝位置關系，可以模擬包括傾斜影像在內的所有影像的地表投影范圍，采取由粗到精的金字塔匹配策略，在各級影像上進行同名點自動匹配和自由網光束法平差，得到較好的同名點匹配結果。

網平差計算時對連接點、像控點進行粗差檢驗，并對檢測處的粗差點進行剔除或返測；對于GNSS/IMU 輔助空中三角測量和GNSS 輔助空中三角測量，導入攝站坐標、像片姿態參數進行聯合平差。

圖4 同名點匹配

完成空中絕對定向，查看空三精度報告，要求控制點的整體中誤差為1/3 個像素，控制點的殘差最大不超過1/2 個像素；檢查點平面、高程殘差均不應大于2個像素。

圖5 空三整體誤差

3.2.2 .2 實景三維建模

完成空三加密后，通過密集匹配技術，根據高精度的影像匹配算法，自動匹配出所有影像中的同名點。根據空三加密成果，實現三維模型生產。采用全站儀實測方法對測區內主要建筑物進行精度檢測，精度符合1：500地形圖測繪的要求。

圖6 控制點精度報告

3.2.3 立體測圖

DLG 生產使用CASS 3D 成圖軟件實現裸眼三維測圖。根據三維模型獲取坐標信息，并進行地形成圖。

3.2.3 .1 測圖軟硬件

基于實景三維模型數據，利用高精度CASS 3D大比例尺測圖軟件，采用大疆M300搭載賽爾PSDK102S獲取高分辨率無人機影像，通過透視成像原理，在軟件中進行點、線、面等矢量信息繪制，按照大比例尺測圖國標標準設定圖層與符號，提取建筑等地面要素輪廓，可快速、精確地制作鐵路及沿線地物等要素矢量數據。

3.2.3 .2 測圖軟硬件

完成測區空三成果、糾正畸變差影像、實景三維模型等數據的制作后，采用測圖軟件對以上數據進行導入，制作工程文件，由作業員在工程中進行點、線、面測圖，并按照國標要求賦予圖層與屬性信息。測圖成果為初級線劃圖，經軟件導出為DWG格式，采用CASS10.1軟件進行圖形數據編輯，生產1∶500地形圖數據。測圖成果示例如圖7。

圖7 大比例尺測圖成果示例

矢量數據測圖完畢，經粗略編輯后的數字線化圖打印輸出進行外業調繪。

3.2.3 .3 外業調繪與修補測

外業調繪工作流程：資料準備、外業檢查、調繪補測、內業編輯、成果輸出。

野外調繪是航測外業的最后一道工序，也是確保地形圖數學精度和地理精度的重要環節。外業人員按規范、圖式、設計書的要求，利用航測初編的線劃圖對內業測繪的地形要素進行野外檢查、調繪及補測。

3.2.4 成果精度分析

表1 精度對比結果

為了保證測量成果的精度和可靠性，本次試驗采用全數字野外采集和傾斜航空攝影測量成果對比的方法進行精度評定，檢驗結果表明測量精度完全滿足地物點相對于鄰近控制點的點位中誤差與間距中誤差應符合《規范》8.1.3 中地物點平面測定精度要求。精度對比結果見表1所示。

4 結束語

實踐證明，使用無人機傾斜攝影測量既減少了項目在人力、物力上的投入，又極大地提高了工作效率，在有效質量控制下，其測量成果精度能滿足項目高精度要求。通過對多旋翼無人機傾斜攝影測量在地籍測量應用事例探討可以看出，無人機傾斜攝影測量在工程測量、地籍測繪等許多領域具有廣闊的應用空間。