無人機傾斜攝影技術在山區地區大比例尺地形圖測繪中的應用研究

閆令軍，申小兵，季曉菲

（1.三和數碼測繪地理信息技術有限公司，甘肅 天水 741000；2.甘肅林業職業技術學院，甘肅 天水 741020）

采用航空攝影測量技術生產的測繪成果主要包括4D 產品，其中數字線劃圖（DLG）是非常重要的一項測繪成果，其也被稱為地形圖，被廣泛用于規劃項目中。地形圖測繪，目前主流的作業方式有全野外作業和內外業相結合作業2 種方式。全野外作業，就是利用GPS-RTK 設備，在現場進行測繪，主要采集特征點，并在采集的過程中，繪制對應的草圖，以便后期內業進行數字化成圖。這種作業方式，勞動強度大，作業效率低，數據生產周期長，而且野外作業風險高，其精度的高低主要和采集點的數量相關。內外業相結合作業其實是指基于航空攝影測量的作業方式，外業獲取任務區影像數據和少量像控點，內業采用專業的攝影測量數據處理軟件，對獲取的影像數據進行解算，得到少量的加密點和精確的內外方位元素，然后基于虛擬立體像對地形圖進行采集，這種方式對作業人員要求高，現在逐漸被傾斜攝影技術所取代。傾斜攝影是在獲取多視影像的基礎上，采用專業數據解算軟件生產三維模型，并基于三維模型進行地形圖的測繪[1-3]。由于地形圖精度和航攝影像分辨率有關，為了提升地形圖的精度，本次將仿地飛行技術用于傾斜攝影航攝中，并對本文方案的可行性進行了驗證。通過實際項目可知，采用本文方案生產的山區地區地形圖，其精度可以滿足1∶500 精度要求，可以給山區地區大比例尺地形圖的生產帶來參考。

1 無人機傾斜攝影技術

這種技術是指在攝影測量時，無人機上搭載了多臺數碼相機，分別從垂直角度和側視角度對地面進行拍攝，并獲取多角度、全方位、信息豐富的影像數據[4-6]。目前無人機上搭載的傾斜設備主要有2 鏡頭、3 鏡頭、5 鏡頭和9 鏡頭，其中最常見的為5 鏡頭，其由1 個下視相機和4 個側視相機組合拼接而成。在航攝時，飛控控制5 個相機同時曝光拍照，并將下視相機的位置和姿態記錄下來。5 鏡頭相機在空中曝光時，拍攝照片的示意圖如圖1 所示。

圖1 傾斜5 鏡頭航攝示意圖

2 無人機仿地飛行技術

仿地飛行是指無人機在飛行的過程中，其高度始終與被攝物體保持不變[7-9]。其主要參照的數據是數字表面模型（DSM）。對于航空攝影測量來說，相對航高、相機焦距、像元大小和影像地面分辨率四者之間存在式（1）的關系。

式中：H 為相對航高，f 為相機焦距，a 為像元大小，GSD為影像地面分辨率。由式（1）可知，對于同一款相機，其像元大小是固定的，在航攝時，相機焦距都是固定的，因此變量只有H 和GSD。要想獲得的影像地面分辨率不變，則必須保持H 不變。對于平坦地區而言，飛機距離地面的高度可以看作一個常數，因此獲得的影像分辨率是相同的，但是對于地形高低起伏變化的區域，要想獲得的影像分辨率一致，則必須保證飛機距離地面的高度是不變的，因此無人機在飛行時，其必須隨著地形的變化而改變其絕對航高。圖2 為仿地飛行示意圖。

圖2 仿地飛行示意圖

3 作業流程

將傾斜攝影技術和仿地飛行技術結合起來用于山區地區大比例尺地形圖的測繪。其主要作業流程包括測區勘探與已有資料收集、像控點布設與測量、航線規劃與影像數據航攝、空中三角測量解算、實景三維模型生產和地形圖測繪，具體的作業流程如圖3 所示。

圖3 作業流程示意圖

4 案例分析

本項目位于甘肅隴南某地區，要求生產1∶500 地形圖。通過對測區勘察可知，任務區內高差約600 m，采用傳統固定航高飛行方式，搭配焦距為35 mm 的相機，確保在航攝安全距離范圍內，其在低處區域獲取的影像分辨率無法滿足項目需求。收集到的數據有0.2 m分辨率的影像和現勢性強的DSM 成果數據。為了采用航空攝影方式生產得到高精度的數字線劃圖，本次采用仿地飛行技術和傾斜攝影技術相結合的作業方式，對任務區內的數字線劃圖進行生產。

4.1 像控點布設與測量

首先將任務區范圍線導入LSV 軟件中，選用LSV軟件中的距離量測工具，按照500 m 的間隔均勻布設點位，并對點位進行統一編號。像控點布設完成后，將布設的像控點點位和收集的0.2 m 影像套合，制作成路線圖提供給外業像控點測量人員，通過路線圖對作業路線進行規劃，可以提高作業效率，避免像控點漏測情況發生。外業人員根據路線圖找到點位，再結合實際地形，選擇合適的區域進行點位噴涂與坐標值的測量。在像控點點位選擇時，要求點位噴涂在不易毀壞的地方，且四周較空曠，無遮擋，點位與周邊地物反差大。點位噴涂完成后，利用GPS-RTK 進行點位坐標的采集，每個點采集3 次，取3 次的平均值為最終成果，在采集時，從不同視角對點位進行拍照，以供內業進行點位判讀。圖4 為實地噴涂的像控點點位。在采集時，采集隨機分布較均勻的35 個平高特征點，用來對后期的地形圖成果精度進行檢測。

圖4 像控點噴涂與測量

4.2 航線規劃與影像數據采集

本次航線規劃選用WapPointMaster 軟件，將任務區kml 格式的范圍線和tif 格式的DSM 數據導入精細仿地航線設計對話框中，選用下視焦距為35 mm，側視焦距為50 mm 的相機，設置地面影像分辨率為50 cm，坡向角度為30°，起飛點高程為1 550 m，旁向及航向重疊度均為80%，得到仿地飛行相對航高為388.72 m。具體設置界面如圖5 所示。

圖5 精細仿地航線設計

將規劃好的航線成果上傳飛控，外業人員對任務區進行航空攝影作業。由于任務區落差較大，選擇上午10 點到下午2 點的這段時間進行航攝，此時太陽高度角較高，地面上形成的遮擋較少，產生的陰影區域就少，而且這段時間光照充足，獲取的影像成果亮度適中，對比度明顯，信息豐富，成果質量高。

4.3 數據解算與模型生產

在對目前主流的幾款建模軟件進行對比分析后[10]，最終選用Context Capture Center 軟件進行本次數據的解算。首先新建工程，將航攝得到的影像數據和POS 數據導入到軟件中，再手動錄入相機焦距和傳感器尺寸，設置工程路徑和引擎路徑。快速對影像進行檢查，確保輸入的影像無損壞。提交空三解算任務，開啟引擎，完成數據的解算。采用人機交互方式查看解算成果，未出現分層、彎曲等問題，成果可用。將像控點導入到軟件中，完成像控點的轉刺與平差。然后在此基礎上，設置切塊方式和瓦片大小，選擇模型輸出格式為OSGB，提交重建任務，生產實景三維模型成果。

4.4 地形圖測繪

本次地形圖生產使用EPS 軟件。首先將OSGB 格式的三維模型和對應的元數據xml 文件加載到軟件中，并快速得到EPS 軟件能夠識別的DSM 數據。對于模型結構完整、無拉花變形的區域，直接在實景三維模型上進行地形圖測繪；對于模型變形嚴重，精度無法保證的區域，則將該部分對應的虛擬立體像對加載進來，在立體環境下，對地形圖進行采集。實景三維模型上的坐標都是真實坐標，可以直接通過模型獲得房屋等的屬性信息，如房屋類型、層數、高度等，并且填在數據庫中。充分發揮實景三維模型的優勢，將實景三維模型測圖和虛擬立體像對測圖相結合，可以減少外業調繪、補測的工作量，提升作業效率。EPS 軟件自帶數據庫，并且地形圖的生產都是在數據庫里完成，按照入庫要求，對地形圖進行拓撲檢查等，最終得到高質量的地形圖成果。

5 精度分析與評定

利用外業采集的35 個平高檢查點，對本次生產的地形圖精度進行檢測，并將平面較差和高程較差制作成散點圖，如圖6 所示。

圖6 檢測點精度檢測散點圖

按照現有大比例尺規范可知，1∶500 山區地區地形圖，其平面位置中誤差為0.4 m，高程中誤差為0.35 m，平面和高程最大較差不超過2 倍中誤差。通過圖6 可知，35 個檢測點中，其平面較差最大的未超過0.6 m，高程較差最大的也未超過0.6 m。采用高精度中誤差計算公式

式中：M 為中誤差，n 為檢測點個數，Δx 和Δy 為在X方向和Y 方向上的較差，Σ 為累計求和符號。采用式（2）對本次生產的地形圖精度進行計算，得到其平面位置中誤差為±0.357 m，高程位置中誤差為±34.4 m，成果精度滿足1∶500 山區地區地形圖精度要求。

6 結束語

本文介紹了傾斜攝影技術和仿地飛行技術，并以實際生產項目為例，將2 種技術用于山區地區大比例尺地形圖測繪中。利用外業采集的高精度檢查點，對本文生產的地形圖成果精度進行了驗證。結果表明，采用本文方法生產的地形圖，其精度均勻可靠，并且作業效率高，作業成本低，具有一定的推廣應用價值。