無人機傾斜攝影測量技術在基礎測繪中的應用

程 穎

近年來，隨著我國信息技術的蓬勃發展，使無人機技術在各個領域得以廣泛應用。無人機傾斜攝影測量技術結合了無人機和傾斜攝影技術兩者的優勢，在無人機飛行過程中，采用傾斜攝影的方式獲取高重疊地形地貌影像數據的采集，利用自動實景三維建模和三維模型立體測量技術，實現免或少外業調繪。無人機傾斜攝影測量技術保障了影像信息的準確性和完整性，且相比于傳統測量，不需要耗費更多的人力，具有更高的靈活性和便捷性，帶來了更高的工作效率，節省了生產成本。相信在未來，無人機傾斜攝影測量技術定然能夠獲得更廣的發展空間。

1 項目概況

本文以某城鎮開發邊界內1：500地形圖更新測量項目為例。項目在建設時，提出在較短的時間內保證作業測圖等工作能夠完成。整個項目工期相對比較緊張，同時在精度方面要求比較高。因此采用傾斜攝影測量技術進行1：500數字化地形測量，同步生產實景三維立體模型、數字線劃圖（DLG）、正射影像圖（DOM），不僅項目可以在較短的時間內完成，還能滿足精度方面的要求。

2 無人機傾斜攝影測量

利用南方測繪SF700A無人機搭配南方測繪五鏡頭T53P對某項目現場進行三維模型采集，采用攝影測量2D飛行，航向重疊度和旁向重疊度保證百分之七十。然后采集回來的數據用ContextCapture軟件進行空三計算并生成三維模型。

2.1 航攝航線規劃設計

根據測區形狀、地形起伏、現場建筑物的高度和分布情況以及無人機性能和相機參數等因素綜合考慮規劃航線，按攝區地形走向用直線方法敷設，航線的密度允許不一致，測區邊界線的始末航線必須保證側視鏡頭能獲取測區有效影像。

采用五鏡頭布設航線時需東西航線布設后再進行往返飛行，保證多個角度都能獲取傾斜攝影的影像照片。

具體航線敷設要求如下：

（1）航向覆蓋超出攝區邊界線五條基線，旁向覆蓋超出邊界線大于兩條航線，分區邊界覆蓋滿足分區模型生產的要求。

（2）相片航向重疊度和旁向重疊度分別為80%和70%。航飛中出現漏洞時，繼續采用前一次航攝飛行的數碼相機，對相對漏洞和絕對漏洞進行補飛，補飛航線的兩端要超出漏洞之外的兩條航線。

（3）按照設計的航飛高度飛行，實際航飛高度與設計航飛高度之差控制在50m以內。同一航線上相鄰像片的航飛高度差控制在30m以內，最大航飛高度與最小航飛高度之差控制在50m以內。

（4）同一攝區內有地形高度差，要保證影像地面分辨率及相鄰像對正確連接的情況下，一般不大于四分之一航攝航高。

（5）考慮空三加密和內業數據處理可行性，將同一分區最高點分辨率和最低點分辨率控制在2倍以內。

2.2 像控點

2.2.1 像控點布設

像控點一般按航線全區統一布設，像控點在測區內構成一定的幾何強度。像控點要均勻布設在整個測區，選點要求：地面平整、點固定、點位無陰影、易識別且清晰、點區域無遮擋。如斑馬線角點、如房屋頂角點，方便內業數據處理人員查找（如無明顯地標可人工噴油漆或撒白灰的方式設置地標）。

大面積規整區域，像控可按照品字形布點。如果在面積很大且精度要求較低時，可適當抽稀測區內部像控。如果是帶狀測區，則在帶狀測區的左右側位置布點，布點路線可以按照“S”或“Z”字型布置。

2.2.2 像控點布設的密度

像控點布設首先要考慮測區地形和精度要求。按照規范要求，1：500地形圖測量，影像分辨率2cm,像控點密度為200m/個～300m/個。如地形起伏較大，地貌復雜，需增加像控點的布設數量（10%～20%）。很多飛機有RTK或者PPK后差分系統，理論上可以減少地面控制點的數量，可以根據項目測試經驗自行調整。

2.2.3 像控點的采集

平面控制點和高程控制點的像控點采集，其測量工作遵循“從整體到局部，先控制后碎部”的原則，即先進行整個測區的控制測量，再進行碎部測量。常用的像控點采集方式有全站儀、GNSS靜態、RTK方式。本項目根據實際情況，采用RTK動態采集像控點，其精度達到相關標準，滿足相關要求。

2.3 傾斜航空攝影

傾斜航空攝影航飛方案的執行階段。首先對無人機設備和各項材料進行飛行前的認真檢查核對，確認設備的參數設置和安裝正確無誤；然后項目負責人和飛手需要提前了解周邊的地形，并且要嚴格掌握天氣情況，保證無人機飛行的安全和符合航飛方案設計要求。

航攝階段。抵達測區后，先為正式飛行做準備，進行無人機飛行前的試飛調試。開始作業后，航攝時要保證光照度足夠并且太陽高度角大于45°，光照下的物體陰影不超過1倍，嚴格控制無人機航攝時間，宜在10min～15min以內。如果所測區域建筑物有高層密集情況，適合在中午十二點前后1h內攝影。

航攝結束后，應現場檢查數據的質量和完整性，進行照片、機載POS、機載GPS數據、基站數據的下載拷貝。

航攝影像色彩飽和鮮明，色差反差適中，相同地物的色調基本一致，影像圖片清晰。影像豐富有層次，能辨別與地面分辨率相適應的細小地物影像，能夠建立清晰的立體模型。影像不能有缺陷，如污點、云煙、大面積陰影反光等。部分影像可以有少量的缺陷，但不影響立體模型之間的連接和三維模型建立，保證三維模型輸出可以正常使用。拼接后的影像無明顯模糊和重影錯位現象。

航攝中出現漏洞時，需要及時進行補攝和重攝。按原設計采用前一次航攝飛行的數碼相機對相對和絕對漏洞進行補攝，補飛航線的兩端要超出漏洞之外的兩條航線。

本項目航攝航高為180m，像片航向重疊度80%，旁向重疊度70%，每平方公里飛行照片數量平均為10000張，影像圖片清晰，無明顯模糊、重影、錯位現象，精度達到項目要求，后期技術處理時間較長。

3 三維建模

3.1 空三加密

由于傾斜航空攝影測量攝影傾角大，影像變形嚴重；分辨率變化大，尺度無法統一；重疊數多，需要多視角處理等特點，使其空中三角測量有異于常規數碼航空攝影測量中的空中三角測量方式。常規的空三加密軟件一般都不能實施，需要多視角航空攝影測量空中三角測量專業軟件進行數據處理，一般采用ContextCaptureCenter軟件。

在空中三角測量前，先對原始影像的亮度、對比度、色彩的調整和勻色進行預處理。進行勻光勻色處理后，達到縮小影像間色調差異，使影像色調層次均勻分明，色差反差適中，保持影像中地物的色彩不失真，避免有勻色處理的痕跡。

將相機參數、預處理后影像、pos文件、像控點坐標等數據導入軟件建立工程。軟件自動進行多視角影像特征點密集匹配，并以此進行區域網的自由網多視影像聯合約束平差解算，建立起在空間尺度可以適度自由變形的立體模型，完成相對定向；將外業測量的像控點在軟件中刺點，利用這些點的坐標對區域網模型進行約束平差解算，將區域網納入到精確的大地坐標系中，完成絕對定向。

空三完成后，要及時查看精度報告，對精度超限的像控點進行原因分析，適當調整像控點位后重新進行平差計算，直至所有點位結果符合項目精度要求。

3.2 三維建模和模型修飾

本項目采用ContextCaptureCenter軟件在計算機集群下進行全自動三維建模。在CC軟件中完成空三后，直接提交模型生產，軟件自動執行三維TIN格網構建、白體三維模型創建、紋理映射和三維場景構建等步驟，最終生成實景三維模型。

模型修飾原則上只對水域空缺或模型漏洞進行修補，采用Smart3D軟件和水面或補飛數據進行約束干預后重新生成模型，使模型不存在漏洞。

模型的生產需滿足以下要求：

（1）三維模型的體塊構模是根據傾斜影像匹配確定而成的，可以對地形、建筑物等模型進行一體化表示，模型的紋理通過獲取的航空影像表現。建筑物三維體塊模型應位置準確且完整，具有現實性，與獲取的航空影像表現一致。

（2）建筑物模型要精準反映外輪廓及房頂的基本特征。將模型置于200m視點高度下瀏覽，沒有明顯的紋理漏洞或拉伸變形。當建筑物高度較高較為密集且有相互遮擋時，建筑物遮擋部分的側視紋理不能完全獲取，導致三維模型的細節不能全部表現出來，可以出現局部位置的拉伸變形。

（3）建筑物模型的比例，高度和平面尺寸要與實際保持比例一致，建筑物模型高度的誤差不能大于百分之十，完成的三維圖像，重點部位紋理情況可以清晰的分辨出來。

3.3 基于三維實景模型的數字線劃圖制作

基于三維實景模型，采用裸眼測圖方式，在實景三維模型上勾繪建筑物、道路、水系等各類地物要素，同時記錄屬性值。對由于房屋、屋檐、門檐、樹木等遮擋導致生成的模型局部變形，三維測圖時不能準確采集的地物，用特殊符號標記，在下一工序中安排實地補測。

建（構）筑物輪廓提取。通過采集點智能附著于模型表面，可以結合采用直角采集、直線采集和房棱采集多種繪制方式完成，三者分別通過線面直角關系、直線相交和房棱關系來確定建筑物輪廓。繪制方法如下：①房棱繪房法。此方法適合用于比較簡單的房屋，用鼠標點擊房屋的每一條棱，形成閉合圖形來確定房屋的輪廓；②直角繪房法。原理與房棱繪房相同，但僅適用于每個面都相互垂直的房屋；③直線繪房法。是通過在房屋的每個面點擊任意兩點來確定一條直線，通過直線的相交形成閉合圖形以確定房屋輪廓，適用于結構比較復雜的房屋。結合三種繪房方式綜合處理各種復雜結構房屋和被遮擋房屋，保證采集精度。

線狀要素包括水系線、陡坎、道路、地類界等，利用模型細節豐富的紋理特征，再通過高精度傾斜模型的旋轉與縮放，來識別上述地物的類型和走向，基于采集點直接附著于模型表面的特性，獲取平面位置和高程。

點狀要素包括井蓋、路燈、電線桿、控制點等，對點狀物進行高精度采集，采用軟件采集點自動捕捉點狀地物中心點功能。高程點通過線實體和面實體進行提取，輸入控制參數控制面內區域或線上高程點進行密度的自動提取。

4 總結

4.1 取得的成果

4.1.1 項目取得的成果

本項目在較短的時間內，投入較小的人力物力，完成1：500數字線劃圖（DLG）面積85km2，同步生產實景三維立體模型、正射影像圖（DOM），實現了純內業的數字化成果。在分批次隨機抽取的樣本圖幅中，平面位置中誤差最弱值為MS=±0.14m，高程注記點高程中誤差最弱值為MH=±0.14m,檢驗結果均滿足技術要求。

4.1.2 無人機傾斜攝影測量的優勢與缺點

（1）無人機傾斜攝影測量的優勢。

①自動化程度高。根據測區實際情況規劃好航線，無人機起飛后可根據設計的航線自動拍攝影像。②相同的測量任務，使用無人機傾斜攝影測量技術開展基礎測繪測作業，效率明顯比傳統實測更高。③作業能夠更快的進行視覺轉換。無人機機身較輕，幾乎可以在限定的高度內完成任何飛行視覺的轉換。通過無人機內部的POS數據，測繪時可以完成數據模式的現場分析。通過無人機搭載的核心芯片，可以遠程傳輸自動化程序的處理物體數據，以便計算機更好的進行三維建模。④降低生產成本。傳統測繪與無人機傾斜攝影測量對比：外業數據采集。傳統測繪0.016平方公里/人·天，而無人機傾斜攝影測量外業數據采集可以達到2平方公里/人·天～3平方公里/人·天；空三建模。傳統測繪無需建模，無人機傾斜攝影測量單機0.3平方公里/天；內業采集。傳統測繪不額外計算工時，內外業同步，無人機傾斜攝影測量內外業分離，需0.06平方公里/人·天；外業調繪及上圖。兩者都需要0.2平方公里/人·天；傳統測繪外業工作量大，易受天氣影響，進度不可控，而無人機傾斜攝影測外業工作量小，進度可控性高。因此使用無人機作業人員數量能夠減少50%，生產周期縮短50%，節省下來的時間可以幫助內業技術人員更好地進行內業數據的工作，降低人工誤差。⑤多樣化產品。通過對無人機傾斜攝影測量技術的合理利用，不僅能夠從根本上促使地形圖自身的精準性得到提升，還可以結合現實要求，對符合實際情況的三維模型進行有效落實。除此之外，成果資料在規劃和建設等各方面的工作開展中，都可以為其提供可靠的數據信息，保證提供的數據信息具有真實性、準確性、有效性。

（2）無人機傾斜攝影測量的缺點。①無人機受高溫或低溫、雨雪、大霧、大風等天氣的影響，都不適宜飛行。②無人機續航能力短，單塊電池只能作業30min～50min。③影像數據量大，處理時間長，對計算機配置要求高。

4.2 前景與展望

就現階段無人機技術的發展情況進行分析，能夠看出，無人機傾斜測繪技術已經得到了普及，在基礎測繪中都發揮了重要的作用。無人機技術以其自身的技術優越性，靈活、高效的進行數據采集和圖像拍攝，靈敏地進入各種地區地形進行作業等特點，讓基礎測繪工作取得了更好的效果。同時能夠看出無人機技術的廣闊應用領域以及更加寬泛的發展空間，未來其能夠朝著更加規范化和高水平的方向進一步發展，在多種領域都能夠發揮出重要的作用。而對于無人機的軟硬件設施進行研發，也是未來一段時間內重要的研究工作，需要不斷提升無人機飛行的工作性能，提供更清晰的圖像指導，同時也要讓數據的準確度進一步提高，不斷減少制作成本，提升測繪收集的數據的安全性，不斷提升后期的數據傳輸和處理能力，讓無人機在未來得到更好的發展，在技術上取得較高的技術突破。

5 結語

隨著數字城市、智慧城市建設的全面發展，城市規劃及建設對地形圖的需求與日俱增，且更新周期越來越短。無人機傾斜攝影憑借機動靈活的操控性、高分辨率、高效率、低成本等特點，讓無人機傾斜攝影測量技術在基礎測繪中發揮出重要作用。無人機航攝系統軟硬件技術難點不斷突破，已達到實用化階段，且成為現代化數據采集的主要手段，將無人機傾斜攝影測量技術應用于基礎測繪中，具有作業效率高、適應范圍廣等特點，將是未來新型基礎測繪體系服務的發展趨勢。本文通過對現階段我國應用無人機的發展現狀和無人機傾斜攝影測量方法、實際應用及技術優勢介紹分析，論證了無人機傾斜攝影測量技術應用于基礎測繪的適用性和高效性。