無人機傾斜攝影測量在實景三維模型測圖中的應用

田振東 秦少林 杜新紅 李艷貴

（1.輝縣市春誠測繪有限公司，河南 輝縣 453600；2.輝縣自然資源和規劃局，河南 輝縣 453600）

1 引言

近年來，無人機航測技術憑借機動靈活、作業高效迅速、可高頻監測關鍵區域、成本低廉等特點，在應急保障和小區域地形圖測繪領域具有明顯優勢[1]。但傳統航測技術只能從垂直角度獲取影像，且影像畸變嚴重，傾斜角和旋偏角較大，外業工作量大。無人機傾斜攝影技術作為一項新興的測繪手段，其獲取的傾斜影像可讓用戶從多個角度觀察地面上的各種建筑、自然景象等，更加真實反映實際物體的情況，利用傾斜攝影測量技術進行三維測圖成為了一種可能[2]。

無人機傾斜攝影測量技術通過無人機搭載傳感器設備，從多角度獲取高分辨率和多方位影像數據，通過內業處理軟件生成實景三維模型，并在此基礎上運用裸眼三維采編軟件在模型中直接測量坐標、采集成圖[3]。通過實景三維模型能多角度查看地物，房屋結構、屋檐、飄樓、陽臺、層數等細節信息，都可直接在三維場景下采集、標注，大大減少了外業調繪的工作量。無人機傾斜攝影裸眼三維測圖，相比傳統測量具有機動靈活、外業工作量少、勞動強度低、生產效率高、精度高、測量限制少等優點，避免了野外測量受天氣影響大、勞動強度大、安全隱患多、工序復雜、成本高等缺點，在智慧城市、不動產測繪、城市規劃、國土資源管理、拆遷建設、全域土地綜合整治等需要大比例尺地形圖的項目中具有廣闊的應用前景[4]。

本文通過無人機飛行平臺搭載傾斜相機，采用傾斜攝影的方式獲取高重疊度影像數據，利用集群處理影像數據，輸出實景三維模型，采用裸眼三維模型立體量測技術，實現外業調繪的高精度大比例尺地形圖測繪，并通過具體實驗驗證此技術路線的可行性。

2 傾斜攝影三維測圖技術

傾斜攝影三維測圖是基于實景三維模型對地形、地貌數據進行“裸眼”測圖。用低空無人機搭載多臺傳感器，同時從垂直、左側、右側、前方、后方五個不同的角度采集影像，獲取豐富的建（構）筑物頂面、側視及地形的高分辨率紋理，通過自動化三維建模軟件，制作實景三維模型。在內業測圖中，裸眼即可清晰看到地物的特征及細節，直接觀測立體影像，采集地形圖各類要素，如房檐改正距離、建筑物層數、植被屬性、路寬等，在實景三維模型上即可準確判斷，極大減少了外業工作量，提高成圖效率和成圖質量[2]?；跓o人機傾斜攝影測量的大比例尺三維測圖技術流程如圖1 所示，主要包括無人機傾斜攝影數據采集、空三加密、模型構建、裸眼立體測圖、外業調繪。

圖1 傾斜三維測圖作業流程

（1）傾斜數據采集。根據作業區地形類型和成圖精度要求的不同采集外業數據，踏勘研究區，選取飛行器與相機，設計無人機飛行航線、飛行時間，以獲取地表影像數據、像控點信息。航攝完成后對航攝影像、POS 數據、像控信息等各項參數進行全面檢查，檢查無誤后，及時將航攝數據提交內業處理。

（2）空三解算。傾斜攝影數據空中三角測量使用多視角聯合平差，空三解算自動化程度更高，算法復雜，計算量大，人工干預少。將機載POS 提供的6 個外方位元素引入攝影測量區域網平差中，利用后處理軟件采用統一的數學模型和算法實現對多視影像的自動匹配，得到同名連接點，構建自由網，實現傾斜攝影影像的空三加密。

（3）模型構建。采用分塊計算，經過空三加密后，自動選擇不同視角上的最佳像對模型，生成三維尺度的密集點云。然后采用不規則三角網方法，對點云數據成果進行分割，構建TIN 數據，進而生成白模數據。根據三維TIN 的空間位置信息，獲取最佳視角影像紋理，自動賦予模型紋理，輸出osgb 格式三維模型成果。

（4）裸眼立體測圖。目前國內大多數實景裸眼三維采集軟件均能實現360°無死角視圖作業，對同一地物可通過不同角度進行點線量測。將傾斜攝影建立的高精度實景三維模型加載到三維測圖軟件中，裸眼直接觀測立體影像，采集地形圖各類要素。內業數據采集采用二三維聯動一體化測圖模式，加載實景三維模型數據，實現二維或三維環境下采集各種地物類型的特征點或特征線、地貌、高程信息，完成地形圖繪制。

（5）外業調繪。以內業采集數據為底圖進行實地調繪，對內業不能準確繪制的地形地物進行查缺補漏，最終完善地形圖。

3 應用實例

3.1 測區概況

鹿邑縣位于豫皖交界的河南省東部，屬河南省周口市。地理坐標介于北緯33°43′～34°51′，東經115°25′～115°37′。鹿邑東西長54.6 公里，南北寬40.5 公里，總面積1238 平方公里，耕地面積124 萬畝，境內地勢平坦、低緩傾斜，西北高、東南低，地面要素主要以居民地、耕地為主。鹿邑縣全域地形圖測繪項目需要獲取地面分辨率優于0.03 米傾斜影像數據。本文選取張店鎮為生產區進行分析，技術路線如上文所述。測區DOM 如圖2 所示。

圖2 測區局部DOM

3.2 無人機數據獲取與處理

結合測區地形地貌，項目采用飛馬V10 垂直起降無人機系統，全畫幅傾斜攝影五拼相機作為航攝儀，設計適宜的飛行時間段進行航飛，飛行平均航高為400m；影像地面分辨率為3cm；航向重疊度為75%，旁向重疊度為70%。航攝完成后，首先全面檢查航攝影像、POS 數據等各項參數，檢查無誤后，對外業航攝數據進行預處理，包括創建工程，導入影像、飛行文件、像控點坐標，對原始影像數據進行勻光勻色和畸變差改正。其次，使用Context Capture 軟件經過影像匹配、空三加密、生成TIN 和紋理貼圖等工序，建立高精度實景三維模型。最后經核查修改，提交下一步高精度測圖工作。實景三維模型成果如圖3 所示。

圖3 測區局部實景三維模型

3.3 三維數字測圖

地形圖要素采集采用航天遠景裸眼三維測圖模塊，該系統直接與AutoCAD、南方CASS 等軟件結合，擺脫了傳統三維采編中立體眼鏡的束縛，通過創建并加載傾斜攝影實景三維模型，分別對房屋、道路、植被、斜坡、獨立地物、管線、水系等地物地貌以及等高線進行繪圖，實現多窗口二三維聯動一體化聯動采編。二三維聯動采編如圖4 所示。

圖4 二三維聯動采編

內業數據采集完后，需對無法測量、識別的地物進行實地調繪與補繪，主要包括：①對內業漏測和難以準確判繪的圖形信息（如遮蓋區域、光纜標），尤其對地物遮擋造成的實景三維模型局部模糊、變形，少量地物要素難以準確采集的情況；②部分線狀懸空的地物，如電力線、通訊線等，實景三維建模較難，難以準確辨別其走向和連接關系；③對內業難以獲取的屬性信息進行調繪，如單位名稱、路名、村莊名字等，最終上圖編輯形成數字化地形圖，如圖5 所示。

圖5 局部實景三維模型+DLG

4 精度分析

為檢驗基于三維模型量測地形圖的可行性和精度，在測區采用RTK技術均勻量測平面和高程點各50個點。以這些實地量測的檢查點坐標作為已測地形圖的檢核點，分析地形圖的平面和高程精度（如圖6、圖7 所示），地形圖的平面精度統計如表1 所示，高程精度統計如表2 所示。經對比分析，得出平面中誤差0.083m，高程中誤差0.132m，滿足大比例尺測圖精度要求。

表1 檢查點部分平面精度統計

表2 檢查點部分高程精度統計

圖6 平面誤差分布

圖7 高程誤差分布

5 結語

本文討論了基于無人機傾斜攝影測量構建裸眼實景三維模型測圖的方法，并以鹿邑縣張店鎮1∶500 地形圖測量為例，分析了地形圖所能達到的精度水平，表明該技術路線可行，精度符合相關規范要求，相較傳統測繪大大減少了外業工作，整體效率有所提高，同時還得到了高分辨率DOM、實景三維模型等成果。