無人機傾斜攝影測量在廣州白云區(qū)某鎮(zhèn)大比例尺測圖中的應用實踐

阮水聰

（廣州市城市規(guī)劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060）

1 引言

傳統(tǒng)大比例尺測圖多采用外業(yè)調繪與人工內業(yè)成圖的方式進行，具有精度高、要素信息精準等優(yōu)勢，但存在測圖成本高、效率低等問題，不適于大范圍測圖工作[1]。近年來無人機傾斜攝影技術的發(fā)展使得快速、高效、精準的大范圍大比例尺測圖成為現(xiàn)實[2]。無人機傾斜攝影測量技術能夠實現(xiàn)超低空、多視角作業(yè)，獲取測區(qū)范圍內近地、多視角高分辨率遙感數(shù)據(jù)，不僅能夠體現(xiàn)測區(qū)真實的地形、地貌情況，還能獲取測區(qū)目標物更為豐富的紋理信息，進而構建實景三維模型[3]。以構建的實景三維模型為數(shù)據(jù)基底，可實現(xiàn)測區(qū)地物、地形、地貌的提取分析，最終繪制地形圖。

本文以廣州市白云區(qū)某鎮(zhèn)為例，結合實地調研、地形分析、規(guī)范要求等，從航線布設、控制點選取測量、控制點約束空三加密、實景三維模型構建等流程，探討無人機傾斜攝影測量技術在大比例尺測圖中的應用。基于無人機傾斜攝影測量技術開展地形圖測繪，可有效減少外業(yè)調繪工作，具有測圖效率高、節(jié)約項目成本、靈活機動等優(yōu)勢，按照要素提取、屬性賦值等測圖要求，結合內業(yè)人機交互測圖，可確保要素完整、精確，在大比例尺測圖中具有較高的推廣應用價值。

2 無人機傾斜攝影大比例尺測圖流程

利用無人機傾斜攝影測量技術獲取測區(qū)影像數(shù)據(jù)，主要任務有數(shù)據(jù)獲取處理、三維模型創(chuàng)建、內業(yè)數(shù)字化成圖、外業(yè)補測、精度檢查、成果提交等，具體作業(yè)流程如圖1 所示。

圖1 具體作業(yè)流程

2.1 無人機航攝流程

2.1.1 航線任務規(guī)劃

無人機航攝前需規(guī)劃好航線、計算出相對航高、根據(jù)測區(qū)大小及高差判斷是否需要分區(qū)、設置好影像的航向和旁向重疊度等。

2.1.2 像控點布設與影像獲取

像控點是用有限的地面控制點計算影像模型外方位元素，然后用空中三角測量計算其余地面點坐標。像控點應選在航線重疊區(qū)域，以及易判讀、不易破壞移動、具有明顯特征、方便內業(yè)判讀區(qū)域。每個像控點共采集四組觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)像控點采集規(guī)范要求，四組觀測值平面差小于2cm，高程較差小于3cm，將四組觀測數(shù)據(jù)平均值作為像控點最終成果數(shù)據(jù)。影像獲取應選在天氣良好的時段，為保證作業(yè)時側視鏡頭能完整覆蓋測區(qū)邊界，航線布設時，航向、旁向覆蓋應至少超出航攝分區(qū)邊界一個相對航高的距離。

2.2 三維模型建立

三維模型構建需對外業(yè)采集的高分多視角影像數(shù)據(jù)、像控點數(shù)據(jù)進行聯(lián)合處理，采用Inpho 等專業(yè)軟件構建三維模型，三維模型構建流程如圖2 所示。

圖2 實景三維構建作業(yè)流程

三維模型構建的步驟主要有：（ 1 ）空三加密。基于少量實測野外控制點，對航攝影像進行控制點加密處理，實現(xiàn)多視角影像的定向。（ 2 ）影像密集點匹配。通過計算機解算生成高密度三維點云信息，對影像數(shù)據(jù)進行密集匹配。（ 3 ）三維傾斜模型構建。從影像中抽取特征點形成密集點云組合為海量三角TIN，再經(jīng)優(yōu)化構建出目標物白膜，將同時期獲取的像片紋理信息映射到相應白膜上，構建實景三維模型，得到符合真實色彩視覺的三維模型[4]。三維模型數(shù)據(jù)包含3 種信息，分別是真實影像紋理、不規(guī)則三角網(wǎng)、高密度點云。

2.3 內業(yè)測圖

將三維模型數(shù)據(jù)導入生產(chǎn)平臺，對模型進行矢量化，采集地物、地貌等目標信息，并結合影像、真實場景對地物、地貌進行判讀，獲取目標物屬性信息。完成內業(yè)數(shù)據(jù)采集后，對因數(shù)據(jù)遮擋等導致信息丟失、屬性無法判讀的，需外業(yè)實地調繪，確保數(shù)據(jù)完整性。

3 項目實踐

以廣州市白云區(qū)某鎮(zhèn)為測區(qū)，測區(qū)地勢平坦，建筑物分布集中，且建筑高低有一定差異性，植被分布較少，航飛空域良好，在數(shù)據(jù)獲取方面優(yōu)勢明顯。測區(qū)最大地形差約為46m，面積約36km2，航攝地面分辨率為5cm，根據(jù)任務書要求施測1∶1000 地形圖。

3.1 測區(qū)數(shù)據(jù)采集

3.1.1 航空攝影測量儀器設備

采用CW30 垂直起降無人機搭載飛思IXU-RS1000相機獲取5cm 分辨率傾斜影像，滿足1∶1000 比例尺測圖，無人機數(shù)據(jù)處理采用Inpho、EPS 三維測圖系統(tǒng)等設備。航攝平臺的主要技術參數(shù)如表1 所示。

表1 航攝平臺技術參數(shù)

3.1.2 測區(qū)控制點布設

無人機傾斜攝影測量技術在數(shù)據(jù)獲取時，受飛行平臺飛行高度、搭載傳感器性能等限制，所獲取航空影像數(shù)據(jù)幅寬較小，為滿足后期處理需求要確保一定的重疊度，這就導致影像數(shù)量較多。為保證后期糾正精度，需根據(jù)測區(qū)范圍、地形地貌，布設地面像控點，作為后期影像糾正的控制資料。利用地面像控點與影像物點的對應關系，計算出相機的外方位元素，聯(lián)合相機內方位元素，實現(xiàn)傾斜攝影三維模型數(shù)據(jù)幾何校正，完成空中三角測量。

采用GNSS RTK 技術獲取像控點精確坐標，像控點布設細節(jié)如圖3（a）所示。航飛任務開始前需確認儀器正常運行，并記錄航線高度、飛行速度、單架次飛行航程等信息，確認完畢后升空作業(yè)。本次實驗結合測區(qū)地形、地物特征，將飛行高度設置為65m，航向重疊設置為75%，旁向重疊設置為70%，地面分辨率為5cm[5]，部分影像概略如圖3（b）所示。

圖3 像控點布設細節(jié)及部分概略影像

3.2 實景三維建模

3.2.1 三維模型構建

三維模型構建主要采用瓦片技術，根據(jù)數(shù)據(jù)情況合理分配瓦片數(shù)量、大小，最大瓦片紋理不超過100 Mpixels。基于空三加密結果，從影像中抽取特征點形成密集點云，組合為海量三角TIN，再經(jīng)優(yōu)化構建出目標物白膜，將同時期獲取的像片紋理信息映射到相應白膜上，得到符合真實色彩視覺的三維模型[4]，紋理映射成果如圖4 所示。

圖4 紋理映射成果

3.2.2 三維實景數(shù)字化測圖

將制成的三維模型導入地形圖生產(chǎn)平臺，基于傾斜模型數(shù)據(jù)獲取各要素三維特征點、線及相關空間屬性信息。采用清華山維EPS 專業(yè)測圖軟件進行數(shù)字化采集，該軟件可將OSGB 模型數(shù)據(jù)轉換為DSM，加載入三維測圖系統(tǒng)，完成參數(shù)設置后，經(jīng)人機交互實現(xiàn)點、線、面等要素的采集、編輯，并按照相關測圖規(guī)范要求賦予屬性信息[4-5]。為保證測圖成果的準確性，內業(yè)完成數(shù)據(jù)采集后，對部分無法確定屬性信息及受遮擋區(qū)域進行外業(yè)實測、補測，保證測圖成果符合項目需求及相關規(guī)范要求。部分線劃圖成果如圖5 所示。

圖5 數(shù)字線劃圖（部分）

4 精度分析

基于實景三維模型的數(shù)字化成圖不僅要保證要素完整、屬性信息準確，還要確保測圖成果精確。完成數(shù)字化信息采集后，對測圖成果進行精度分析，保證測圖精度滿足相關規(guī)范要求。首先利用CORS 測量獲取圖根點，再利用全站儀在圖根點上架站，后視定向后采集建筑物角點、道路特征點的平面坐標。為了對測圖成果進行精度驗證，對此次生產(chǎn)的DLG 數(shù)據(jù)分批次采集檢查點，并與外業(yè)實測點位進行對比分析，計算平面中誤差與高程誤差，精度檢查結果如表3 所示。

表3 精度檢查（單位：m）

5 結語

本研究通過實地調研、地形分析、相關規(guī)范查詢等，制定了無人機傾斜攝影大比例尺測圖的整體技術流程，并以廣州市白云區(qū)某鎮(zhèn)為測區(qū)，采用無人機飛行平臺搭載飛思IXU-RS1000 相機，獲取測區(qū)全域5cm 分辨率傾斜影像，通過內業(yè)專業(yè)處理軟件構建測區(qū)實景三維模型，并基于實景三維模型制作數(shù)字線劃圖。 通過外業(yè)補測、實地調繪方式驗證了測圖成果的準確性，實驗成果滿足國家1∶1000 大比例尺測圖要求。與傳統(tǒng)人工外業(yè)實測方式相比，無人機傾斜攝影測量技術具有高效、便捷的數(shù)據(jù)獲取與內業(yè)成果快速、高精度的數(shù)字化能力，提高了測圖效率、降低了項目成本，為大比例尺測圖提供了一種新方法，具有一定的推廣應用價值。