無人機傾斜攝影測量在1:500地形圖測繪中的應用

孫儉文

(天水三和數碼測繪院有限公司,甘肅 天水741000)

隨著數字城市、智慧城市、美麗鄉村、國土空間規劃項目的開展，人們對測繪產品的需求越來越多，且精度要求越來越高，成果時效性越來越強[1]，但是傳統的作業方式效率低、風險高、成本高、外業工作量大[2]，對于有的地區，數據難以獲取，無法滿足產品的更新需求。傳統的垂直攝影方式，可以完成1:1000比例尺測圖任務，但是很難實現1:500地形圖的精度要求。隨著無人機技術和相機制造技術的迅速發展，傳統的垂直攝影方式逐漸被傾斜攝影所取代。傾斜攝影可以獲取更多的地物信息，且飛行航高低、重疊度高，可以更加充分地表現地形地物，利用傾斜攝影數據生產的實景三維模型，信息豐富，精度高[3]，可以嘗試用實景三維模型生產1:500比例尺的地形圖。本文依托國土空間規劃項目數據為實驗數據，進行傾斜航攝，然后生產實景三維模型，基于模型生產地形圖，并對地形圖的精度進行檢測，結果表明通過本文的作業方式，可以生產滿足1:500精度需求的數字線劃圖，且成產成本低、效率高、周期短，有效解決了目前對地形圖需求時效性強的難題，可以更好地為地形圖的生產提供保障。

1 無人機傾斜攝影技術

1.1 無人機傾斜攝影原理。無人機傾斜攝影是相對傳統的垂直攝影來說的，即在無人機飛行平臺上掛載多視角航攝相機，從前、后、左、右及下視五個角度采集影像[4-6]，獲取地物、建構筑物多個角度的視角信息。其中四個側視鏡頭主要獲取建構筑物的側面紋理信息，減少側面視角的盲區，下視鏡頭主要從垂直角度獲取建構筑物的頂部信息。考慮到側視相機獲取的影像變形嚴重，傾斜像片近點和傾斜像片遠點的地面分辨率不一致，側面紋理信息獲取更加豐富，側視鏡頭與垂直鏡頭最合理的夾角為45度。

1.2 傾斜攝影建模。傾斜攝影建模是指借助建模軟件，通過自動化或半自動化的方式將傾斜影像制作為三維模型，由于影像紋理信息被真實還原，所以該類模型被稱為“實景真三維模型”。建模過程中主要包括的關鍵步驟有：數據預處理、多視角空中三角測量（金字塔創建、特征點檢測與提取、特征匹配與自由網平差、像控點轉刺與平差）、多視影像密集匹配、多視影像聯合平差、稠密點云生成、點云抽稀與不規則三角網構建、白膜生成、紋理映射與格式轉換輸出。

2 基于傾斜攝影的大比例尺測圖流程

該部分主要包括外業數據獲取和內業數據處理，具體流程見圖1。

圖1 傾斜攝影大比例尺測圖流程圖

3 項目實例驗證

3.1 數據概況。本次實驗數據屬于核心城區，建筑物高度最高100米，航飛150米，垂直鏡頭獲取的影像分辨率為0.05 米。航向、旁向重疊度均為80%，像控點采用噴涂方式，間距400-500米均勻布設。采集10個特征點作為空中三角測量精度的檢測，采集35個特征點檢測后期生產的地形圖精度。

3.2 軟件概括。Context Capture軟件是目前用戶最多的一款軟件，具有自動化程度高、生產數據效率高、空三精度高、模型紋理真實細膩、輸出模型格式多等特點。

EPS軟件是目前主流的裸眼測圖軟件，其模塊多、功能完善，支持實景三維模型、DOM+DEM、點云數據直接采集地形圖，同時也支持基于立體像對的虛擬環境采集地形圖，并且是基于數據庫采集，帶有編輯質檢功能，可以實現采編入庫一體化。

3.3 空三加密及精度檢測。空三加密主要分兩部分：一是自由網下的空中三角測量，二是在控制點環境下，對自由網坐標系進行轉換，使空三成果符合生產要求。在本次數據生產中，結合以往生產經驗，對影像按照像控點分布進行分塊，每塊照片數量在1萬張左右，這樣可以確保在空三成功解算的前提下，使分塊數量最少，提高空三解算效率。對于像控點的轉刺，本次使用的是Context Capture V10.17 版本，可以對所有像控點點位進行預測，因此一次性全部進行了轉刺，對位于影像邊緣的點位未進行轉刺，這樣可以較好地提高空三的平差精度，獲得精度更高的空三加密成果。

本次使用10個特征檢測點對空三精度進行檢測。導出平差精度合格后的空三成果和未畸變照片，將空三成果恢復到DP軟件中，對10個特征點點位坐標進行提取，然后和外業采集的坐標值進行計算，求出其較差值，具體見表1。

表1 空三加密成果精度檢測表

通過表1可以看出，平面最大較差為20.6 cm，高程最大較差為17.6 cm，精度均滿足1:500地形圖精度要求，符合精度要求，可以在此基礎上生產三維模型。

3.4 三維模型生產。平差成果精度合格后，開始生產實景三維模型。首先設置成果坐標框架，選擇規則平面劃分瓦片方式，根據實驗電腦內存，設置瓦片大小為150m*150m，約占內存16G，本機電腦內存為32G，可以滿足對電腦配置的需要。設置瓦片坐標系原點，用于決定瓦塊命名的起點，確保后續生產的瓦片可以放到一起，做到瓦片不重不漏。貼圖質量設置為100%，確保生成的模型紋理分辨率最高。在幾何簡化設置里，選擇平面，容差設置改為0，單位為米，這樣可以最大程度上保留建筑物的邊緣信息，確保采集精度可以更高。選擇模型格式為*.OSGB，此格式金字塔層級多，可以更快瀏覽，加載迅速，且目前大多數采集軟件只支持此種格式。坐標原點需要設置為一個指定的數值，這也方便后期接邊處模型合并后，相對位置、絕對位置坐標合適。待模型生產完成后，再提交正射影像生產任務，得到正射影像成果。

3.5 大比例尺地形圖生產。打開EPS軟件，選擇1:500標準數據庫，將OSGB格式的實景三維模型加載到清華三維EPS軟件中，然后再加載超大正射影像，然后基于EPS軟件在實景三維模型上進行地形圖的采集。加載的正射影像，可以作為參考，查看采集的成果是否套合合適。根據個人習慣，也可基于正射影像圖采集平面地物，如道路、井蓋等。采集完成后，將成果以圖紙的形式輸出，提供給外業調繪組，對成果進行調繪。外業主要調繪井蓋屬性、丟漏的井蓋、路燈、電桿等，并對電線屬性等進行調繪，然后基于EPS軟件，結合調繪成果，對地形圖成果進行完善，利用EPS質檢模塊，對地形圖中存在的問題進行修改、編輯，直到成果合格。

4 地形圖精度檢測

此處精度檢測，主要是檢測傾斜攝影方式生產的成果是否符合1:500地形圖生產需求，利用35個檢測點，對地形圖成果精度進行檢測，檢測結果見圖2。

圖2 地形圖精度檢測柱狀圖

通過圖2中的柱狀圖可以看出，高程最大殘差未超過35cm，平面點位最大殘差未超過25cm，均滿足1:500地形圖精度要求，說明本文的方法可以滿足1:500比例尺地形圖數據的采集。

5 結論

本文以國土空間規劃需要生產DLG為目的，采用傾斜攝影方式，利用Context Capture軟件生產實景三維模型，然后利用EPS軟件基于實景三維模型進行地形圖采集，最后進行調繪和編輯。對完成后的地形圖精度進行檢測，檢測結果表明，此種方式生產的地形圖，可以滿足1:500地形圖精度需求，可以為生產大比例尺地形圖提供一種作業方式，減少外業工作強度，提高生產效率。