淺談無人機傾斜攝影測量在地形圖測繪中的應用

李永紅

［廣州市從化區規劃和測繪地理信息中心（廣州市從化區地下管線信息管理中心），廣東 廣州 510000］

0 引言

無人機傾斜攝影測量學是一門研究利用數碼相機或攝像機等拍攝地面景物的新型學科。它不僅能夠直接獲取照片中所包含的地物輪廓及其相關參數，而且能有效解決由于人為干擾導致無法獲得準確地圖的問題。因此，近年來在我國迅速發展起來，并得到了廣泛應用。目前，隨著遙感、航空攝影測量技術和計算機技術的不斷成熟，傳統測繪模式已不能滿足現代城市建設與管理要求，所以需要采用新方式進行城市規劃工作，而這也將為該領域提供一個廣闊的市場空間。

1 傾斜攝影

1.1 航線設計

無人機的飛行航線是確定無人機目標位置和速度以及實現自動航跡規劃等功能的基礎。航線設計必須考慮到各種環境條件，包括高空、低空、地面及水面障礙物等因素對其性能產生影響；同時要滿足一定程度上的安全要求。傾斜攝影無人機航線的設計不僅需要了解飛機在空中姿態變化情況，而且還要考慮不同地形地貌下的坡度特征和起伏規律，從而得出合理可行的最佳航向點選擇方案。這樣才能提高無人機系統的飛控系統整體可靠性與安全性。

1.2 無人機起降點的選擇

利用無人機航拍，一般起降架次都較高，起降點并不是固定不變的，所以，無人機起降點選擇至關重要，有必要考慮如下6 個方面：①場地開闊，可對無人機飛行狀態四周100m 內的信號發射塔進行全程監測。②避開干擾源，如高壓電線：起降點的場地不得低于10m。并要平坦，不受外在干擾。③遇到突發事件的處理方式，能快速趕到事故現場。④航攝效率是指起降點及站攝起點，起點遠離時，可以點并口兼作臨近架次起降點。⑤在確定降落地點時還要根據當地地形特點進行合理布置，如圖1 所示。⑥選樓頂做起降點，應重視航高設定，航高不正確，將直接影響到精度[1]。

圖1 根據地形特點確定降落地點

1.3 航高的確定

航高決定了成圖精度，決定了所用相機的解析度，決定了主角傾斜攝影相機上由幾個不同視角的鏡頭構成，可以在同一天內得到若干組不同視角的圖像。通過分析航高數據特點及現有方法存在問題，提出一種基于雙鏡頭的大比例尺航空數字正射影像制作技術方案。相對于傳統的單鏡頭成像模式而言，采用多鏡頭成像模式，可以降低成像死角的問題，并且顯著提高了結果的準確性。利用無人機平臺進行大比例尺測圖時如何選取最佳航線以達到最優測繪效果。一般120～200m航高可以滿足1:500 地形圖的成圖要求：200～400m 航高可以滿足1:1000地形圖的成圖要求。因此，在大比例尺測圖領域內使用無人機進行測繪時，必須要考慮其對航空相片分辨率的影響。

1.4 像片重疊度的確定

無人機由于具有自重小，抗風能力差，飛行時姿態維持不良，像片重疊度設計稍微高一點，則不容易產生航攝漏洞。重疊度設計如圖2 所示。在城市測繪工作中，由于地形復雜，地物密集，所以要對無人機進行合理控制，確保航空攝影測量精度。常用于影像、地形圖成圖等的航向重疊度不得小于70%，旁向重疊度不得小于40%；在地面場景重構中，一般區域航向重疊度不得小于75%，旁向重疊度應不低于65%。在旁向重疊度的設計中，應注意航線間距不宜太小，一般航線間距宜在30m 以上，以避免無人機急速轉彎的意外情況[2]。

圖2 重疊度設計

1.5 航程的控制

航線轉向的次數愈多，作業效率愈高。一般航線是按照長方形的地區來布放的，航線與長方形長邊并行，為了降低無人機轉彎數量，提高工作效率。同時，要根據無人機續航能力，對航線長度進行適當設計，千萬不要把航線長度設計成無人機最大航程，應為應對突發事件預留空間，保證無人機有充足的功率進行安全返航。當遇到緊急情況需要返回地面后，必須立即啟動備用電源，否則會影響無人機的正常工作[3]。一旦無人機功率耗盡會直接造成炸機和事故。因此，必須對現有無人機上配備的電源進行升級改造或更換新件，使其能夠滿足應急任務中所要求的各種條件。以電池為無人機供電，新電池投入使用前，要測準其續航能力，每一次飛行前都要對電壓進行檢測，保證電池在充滿電狀態下飛行時，對電池電壓變化進行實時監控，一旦出現異常變化，立即返回，遇到低溫大風天氣時，要據此縮短航程。

2 像控

2.1 像控點的點位選取

像控點有兩個好壞，也就是點位質量與測量精度的關系。由于受地理、環境等因素的影響，像控點往往是不穩定的。以當前測繪技術為例，以網絡基準站及似大地水準面精化為基礎的RTK 測量平面及Ⅰ高程精度均小于5cm，完全可以滿足像控點測量需要。所以，在目前的技術情況下，像控好壞主要看像控點位好壞。如果要達到較高的點位定位精度，必須有足夠多的像控點作為保障。防護站點位質量有多種影響因素，如距設計點位遠近抵擋狀況、點位特征、測點精度等。由于像控點位置一般比較固定，而且受地形限制較大，所以對其選擇也有一定難度。在實踐中，要想尋找理想點并非易事。所以在像控點選取時應該盡量避開這些不利因素，選擇合理可行的方法來確定像控點。選擇點難區域，在航拍前設置像控點標志。對于控制點數量較少的區域，可采用像控來替代測圖。像控可先于航拍，還可將航拍所得圖片首先用于內業選點，然后對外業進行坐標、高程采集。本文結合具體工程實例對如何合理地選擇像控控制點進行探討分析。選擇航拍之前的監測，在選點時，需考慮點的遮擋和偏移、損壞的概率，盡可能選擇在對比強烈的地物或者標志特征上，以黑，白，藍為主、紅色地物的成像特征比較引人注目，黃色地物的成像特征比較模糊，銳角頂點的成像較鈍角頂點清晰，光滑的視角若三面材質一致，由于成像特征并不顯著，不適合選擇作為像素點[4]。一般情況下，選好像素點后就能確定出目標物所在區域，然后通過計算得出測區內所有測點對應于該目標物所需控制范圍的距離，進而繪制成線圖。

2.2 像控點的布設案例

像控布測的最經濟實用方案，就是在滿足精度與可靠性的前提下，布測出最少個數的像控點，以確保最終結果的準確性與可靠性，常規攝影測量均有相關規范要求。但在攝影和影像處理技術蓬勃發展的今天，特別適用于傾斜攝影及影像自動匹配，實踐證明，上述標準太苛刻了，不利于提高測繪效率，降低成本。因此，如何合理布設監控點成了當前亟待解決的難題之一。以某地區1:500 數字地形圖測繪與數據庫項目為例，對監控點布置進行闡述。無人機航空遙感數據采集方法，無人機航攝系統主要由機載數碼相機、相機支架、圖像傳感器以及控制計算機組成。首先，要確定區域測區內有無地貌和水系等其他地形要素。其次，計算區域間距離，同時，根據實際情況，合理選擇合適的控制點坐標（等高線與高程差）。在此基礎上，結合已有的數據信息以及地理信息資料建立起一個較為完整的數字化測圖模型。最后，利用GPS 控制網在地圖中標出目標點，如圖3 所示。

圖3 目標點

3 空三與三維場景重構

在整個無人機傾斜攝影測量中，空三是一個至關重要的環節，對于最終結果的好壞起決定性作用。由于空中三角網具有良好的精度與可靠性，因此，其成為無人機傾斜攝影測量技術最主要的數據源之一。為便于計算，一般一個測區需分成多個空三加密區，對傾斜攝影而言，為確保場景紋理網格和接邊，要求空三加密區重疊度不小于兩倍航高，并在外業測量時進行間距相控。在進行空中三角網布設后，由于地形起伏較大往往要多次調整控制點才能完成數據采集工作。在地面、房角及其他符號的測量中，儀器的高參數需經常更換，易因輸錯儀器參數而造成成果錯誤。若監控點附近存在大量類似物，也容易在內業檢修時，出現輸錯的情況。

另外，由于建筑物密集造成像控點周圍影像上可能存在大量噪聲影響到最終結果精度，也會引起錯判或漏判。像控越密時，在三約束解算過程中，該錯誤越易被察覺。像控點分布密集的話，由于像控點間相互重疊比較多，所以其影響因素相對復雜，而且對數據精度要求也更高。若像控密度低，空三約束求解過程中，像控點粗差易于分配，不便于查找，若后續沒有測試，僅從空三約束平差報告中進行了分析，這個粗差不易察覺。所以像控點密度大可以提高空三成果的質量，但是像控點密度越小則會降低空三精確定算精度。即像控點越密集，控三成果越可靠，但像控工作量加大，由此加大了成本投入。

對不同類型像控點進行掃描得到大量影像圖，然后用計算機處理生成三維模型并計算其相對于地面坐標系的位姿信息，進而判斷每個相片是否為異常像控點。傾斜攝影自動控三具有非約束精度，約束平差中，首先，選取3～4 個像控點在邊緣處作為約束點（圖4），其余各點作為檢查點進行約束平差，若平差結果檢查點平面，高程誤差無明顯異常，說明像控點幾乎不可能出現粗差。如有個別檢查點錯誤太大，這些要點可繼續用作檢查的要點，剩下的點為監控點，再做約束平差，若這幾點還存在較大誤差，較大的概率說明，這幾點有粗差是無法利用的[5]。若檢查點誤差一般都過大，說明所選約束點具有較大粗差概率，約束點需替換后再檢測。其次，在最后生成三維模型中，若像控點周圍有模型扭曲，較大的概率說明像控點具有粗差；反之，如果形狀較小或角度過大，則證明像控點屬于正常情況。

圖4 約束點

4 調繪與編輯成圖

無人機傾斜攝影測量的測繪與編輯成圖是最后一項任務，也是整個過程中最重要的環節之一。由于傾斜攝影測量作業涉及多種專業技術知識和復雜數據處理方法，而且其質量直接影響著工程精度，為此必須做好各項工作以確保最終完成成果。在對地形圖的測繪進行調繪和編輯成圖時，需要利用計算機來處理各種數據并建立數據庫，將這些數據文件轉換為相應格式后通過打印機打印出來。但是傳統方式下存在許多問題，例如，無法實現自動生成數字化地圖，并且還容易產生錯誤信息等，這就給后續的自動化加工帶來了很大的困難。為解決該問題，相關科研人員采用一種新的技術手段——基于云計算的GIS 平臺，構建一個高效、快速的遙感影像采集系統，并利用它實現傾斜攝影測量及后期編校成圖稿，從而提高工作效率。這對無人機傾斜攝影測量來說具有十分積極的意義，可以使大量不穩定數據得以恢復，同時還能有效地降低人工操作難度，降低錯誤發生概率。

5 結語

綜上所述，無人機傾斜攝影測量在地形圖測繪中的應用十分廣泛，其不僅可以滿足傳統地圖繪制精度要求，而且還能夠對地形進行更全面細致的分析。但是由于無人機傾斜攝影測量具有一定的特殊性，因此，必須要加強相關方面技術的研發和推廣工作，這樣才能為我國國土資源管理部門提供更加完善有效的服務。