無人機傾斜攝影測量在帶狀地形圖測繪的應用分析

李傳鋒 丁志廣 梁新權

江門市勘測院有限公司 廣東 江門 529000

引言

傳統的大比例帶狀地形圖測繪的主要方法有全站儀測量、GPS RTK測量以及傳統的航空攝影測量等。全站儀及GPS RTK數字測圖需要投入較多人力、物力，在地形復雜、植被茂密、建筑密集地區難以施測，且測量周期長，進而導致工程效率低、成本高。傳統航空攝影測量雖然技術成熟、應用廣泛，但對天氣和機場條件的依賴性大、成本較高、攝影周期較長。[1]隨著城市的更新發展速度的加快，采用傳統的全野外和航測法進行大比例尺地形圖更新與修測需要投入大量的人力、物力，成本高，作業周期長，更新效率低，已很難適應城市快速變化對基礎地理信息數據更新的需求。

無人機傾斜攝影測量技術是測繪遙感領域近年發展起來的一項高新技術，通過在同一無人飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、傾斜等不同角度采集地面影像，獲取地面物體更完整準確的正片和斜片信息。無人機傾斜攝影獲取的傾斜影像經過影像加工處理，通過專用測繪軟件進行幾何校正、連接點匹配、構建自由網和區域網平差等空中三角測量處理流程，可生成超高密度點云，通過高密度點云生成三角網，構建白模，自動映射紋理，得到傾斜攝影三維模型。[2]

本文通過在帶狀地形圖測繪項目中引入無人機傾斜攝影技術，實現了快速高效制圖，提高了作業的效率同時保證了成果的質量。

1 項目概況及基礎數據獲取平臺

本工程項目位于江門大道北鶴山連接線處，全長約3.8公里，沿途地形主要為快速路、高架橋以及山地、農田以及部分的居民地(見圖1)。由于測區范圍內的城市快速路已建成通車，如采用傳統的全站儀聯合GPS RTK進行全野外數字化測圖，外業的施測難度大，同時也十分危險，不利于安全生產。本項目采用無人機進行大部分外業數據的采集，將無人機傾斜攝影測量技術與傳統的數字測圖技術相融合，構建地空協同觀測的地形圖測繪作業模式，提高生產的效率同時保證作業的安全[5]。

圖1 測區范圍

2 無人機傾斜攝影測量與傳統數字測圖技術融合的作業流程

2.1 航線的設計

根據無人機的作業能力和路線走向進行航線設計，根據劃定測區，本次作業共設計飛行3個架次，每個架次根據測區寬度設計6條航線。在每個架次飛完后及時檢查影像拍攝質量。本項目航線設計如圖3所示:

圖2 無人機數據獲取平臺

圖3 無人機航線示意圖

2.2 像控點布設及測量

本項目像控點位置主要選在影像清晰的水泥、瀝青路面或橋面上，沿測區走向垂直方向成對均勻布設了6個像控點，編號為:XK001～XK006。同時選取了部分地物的特征點作為像控點的檢查點，利用GPS RTK分別進行像控點及地物特征點的坐標數據采集。

2.3 無人機外業數據采集

根據本項目作業區域的范圍、航攝分辨率要求、相機參數確定飛行比例尺、飛行高度、飛行重疊率、攝影基線等參數。本項目使用國產無人機平臺搭載穩定性較好的5鏡頭傾斜攝影系統進行傾斜航空攝影，航攝具體參數如表1所示。

表1 無人機航攝系統及航攝參數

2.4 利用全站儀及GPS RTK進行外業數據的補測

由于本項目工程有多處高架橋墩以及快速路下的涵洞，同時測區沿線有多處的山地植被及樹木比較茂密，對于無人機數據采集的精度有一定的影響。故對于測區范圍內，無人機傾斜攝影無法準確采集的數據，利用傳統的數字測圖方法進行外業的數據的補充采集。

2.5 傾斜攝影測量內業數據處理

本項目首先采用無人機管家對原始影像進行畸變矯正和POS數據高精度融合解算，然后采用專業的內業處理軟件Context Capture Center對獲取傾斜影像進行三維建模處理，通過GPS定位系統和姿態定位系統獲取的位置信息進行影像的坐標定位，添加像控點來提高數據的精度。處理流程包含數據預處理、空中三角測量、點云建模3大步驟。最終生成三維模型文件(格式為:*.osgb)，同時生成數字正射影像圖(DOM)，再利用CASS3D軟件加載實景三維模型和正射影像數據，實現二三維聯動一體化地形測繪。

2.6 帶狀地形圖二、三維聯動一體化地形測繪數據處理流程

2.6.1 帶狀地形圖平面數據的采集 南方CASS軟件作為一款內外業一體化測圖系統，其主要包括數據處理、地形地物編輯、地籍處理、土地利用、工程測量及質檢模塊等功能。CASS3D測圖系統是在原有CASS測圖軟件基礎上，以插件擴展的形式，重點增加了三維裸眼測圖、高清影像、三維模型加載以及二三維同步功能。[3]

通過CASS3D加載測區的三維模型，點擊“同步矢量”即可將數字線劃圖(DLG)與三維模型同步顯示，同時通過CASS3D中“插入影像”的功能可將測區的正射影像與地形圖數據疊加，即可進行地形圖平面數據的采集，對于局部不清晰的地方，可通過旋轉三維模型查看地物的相關情況，通過三維模型窗口繪制的地形要素，可以同步保存顯示在二維窗口的數字線劃圖中，真正實現二三維聯動制圖。

全站儀及GPS RTK的外業采集數據可同步展繪到地形圖上，同時結合正射影像及三維模型，可實現數字線劃圖(DLG)的快速制圖。

圖4 二三維聯動制圖

2.6.2 帶狀地形圖高程數據的采集 經過數據處理后生成的三維模型具有高程數據，對于無遮擋的地物可以直接在三維模型上點選位置，即可生成對應的高程點。同時對于山地，可以通過三維模型加密高程點，用于構建三角網，生成等高線。

2.6.3 地形圖的整飾及成圖編輯 將獲取的地形地貌要素進行綜合、整飾等處理，如對道路路名、道路材質的注記、居民地名稱注記、測區山地等高線的修剪與高程注記、刪除重復實體等，最終得到滿足要求的地形圖成果。

3 基于南方CASS3D成圖的帶狀地形圖精度分析

地形圖的成果精度參照《1:500 1:1000 1:2000外業數字測圖規程》(GBT 14912－2017)和《基礎地理信息數字成果1:500 1:1000 1:2000數字線劃圖》(CH/T 9008.1－2010)的要求，1:500平面位置精度為0.3m(城鎮、工業建筑區、平地、丘陵地，坡度＜6。)，高程注記點高程中誤差為0.4m(丘陵地，2°≤坡度＜6°)。

為了驗證CASS3D成圖方案的精度，通過三維模型提取了30個地形特征點和有代表性的高程點，并通過傳統的數字測圖方法進行外業數據采集進行對比計算得到檢核點的平面中誤差為0.074m(詳見表1)，高程中誤差為0.11m(詳見表2)，完全滿足限差要求。

表2 平面精度對比分析

表3 高程注記精度對比分析

通過對比分析可以發現，基于CASS3D成圖的無人機傾斜攝影測量數據模型，在成像清晰的快速路及無遮擋的平地平面和高程精度相對較高，在植被及樹木比較茂密的山地(采集無遮擋處)，高程精度相較差，高程點檢核數據發現一個高程注記的粗差，原因是該出植被較為茂密，無人機傾斜攝影測量數據得高程數據為植被上的數據，并不是實地真實的高程值。總體來說，本次通過無人機傾斜攝影測量獲取的帶狀地形圖數據符合規范的要求，成果質量是真實可靠的。

4 結束語

本文通過具體的實踐項目分析表明，將無人機傾斜攝影測量與傳統的數字測圖技術有機融合，大大提高了帶狀地形圖的作業效率，地空協同的作業方法構建了一種新型地形圖更新模式，有效改善了傳統地形圖測繪人工投入大、作業周期長、更新效率低等弊端。無人機傾斜攝影測量通過建立實景三維模型和正射影像數據將地形圖的數據采集通過數據處理軟件來完成。項目采用CASS3D軟件成功完成了帶狀地形圖的數據采集及地形圖成圖，同時該成果的精度符合生產的要求，表明這種地空一體化的地形圖更新模式是有效的。往后數據采集技術將進一步發展以及數據處理軟件將更成熟完善，降低人工處理數據的工作量，城市基礎地形圖數據的更新必走向更加高效、智能化的道路。