無人機傾斜攝影技術在大比例尺地形圖測繪中的應用研究

收稿日期：2023-04-20

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2023.22.026

摘? 要：針對傳統全野外地形圖測繪存在的作業效率低、成本高、風險高的問題，文章在分析了傾斜攝影測量技術后，提出采用傾斜攝影方式獲取多視角傾斜影像，然后解算空三，創建生產模型，在模型的基礎上采集地形圖的作業方案。并利用檢測點對地形圖精度進行檢測。結果表明：基于文章方案制作的地形圖，其精度符合1：500平地區域地形圖精度要求，并且外業工作量少、風險低、作業成本低，具有一定的實用性，可為大比例尺地形圖生產提供參考。

關鍵詞：傾斜攝影測量；無人機航空攝影；大比例尺地形圖；實景三維模型

中圖分類號：P231? ? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-4706（2023）22-0119-04

Research on the Application of UAV Tilt Photography Technology in Large Scale Topographic Map Surveying and Mapping

ZHOU Jinjie

（Sanhe Digital Surveying and Geographic Information Technology Co.， Ltd.， Tianshui? 741000， China）

Abstract： In view of the problems of low efficiency， high cost and high risk in traditional field topographic map surveying and mapping， this paper analyzes the tilt photogrammetry technology， and proposes an operation scheme of obtaining multi-angle oblique image by using the tilt photography method， and then solving the null three and creating production model， and collecting topographic map on the basis of the model. The accuracy of topographic map is tested by the detection point. The results show that the topographic map produced based on the scheme in this paper meets the accuracy requirements of 1：500 flat area topographic map， and the field work is less， the risk is low， the operation cost is low， has certain practicability， and can provide a reference for large-scale topographic map production.

Keywords： tilt photogrammetry; UAV aerial photography; large scale topographic map; realistic 3D model

0? 引? 言

數字線劃圖也被稱為地形圖，是航空攝影4D產品中重要的一個產品。傳統的地形圖測繪，是利用RTK在外業進行坐標采集，然后現場繪制草圖，并將每個點之間的關系表示出來，而且需要對實際地物屬性進行調繪，并標注到草圖上。有時候為了方便區分，采用不同顏色的筆進行草圖的繪制。這種方式作業效率低，而且草圖極易繪制錯誤，并且全野外作業，成本較高，風險也高，對于大面積的數據生產來說，工期太久，生產的成果現勢性不強。而且采用全野外作業方式生產地形圖，其精度和外業采集點的數量密切相關，采集的點多則精度高，但是繪制草圖工作量大；點少則對地形的變化擬合較差，但是繪制草圖工作量相對而言較小。隨著航空攝影測量技術的發展，采用垂直攝影測量方式獲取影像數據，解算得到每張影像的外方位元素，然后恢復立體像對，基于虛擬立體像對測繪地形圖成為一種主要的地形圖生產方式。這種作業方式較傳統的RTK全野外測量來說，雖然其減少了外業工作量，并且作業效率有了一定的提升，降低了作業風險，但是其設備必須是專業的，不是所有電腦都可以用來在立體環境下生產地形圖數據，并且對于作業人員水平要求較高，測繪的地形圖成果，其質量和作業人員的立體采集能力息息相關，對作業人員水平要求較高。為了在提升地形圖精度的同時又提高作業效率，降低生產成本的同時又減小作業風險，本文在深入研究了傾斜攝影測量技術后，提出采用無人機搭載多鏡頭傾斜相機，獲取傾斜影像數據，解算空三和生產模型，并基于模型生產地形圖的作業方案。為了驗證方案的可行性，選擇某一生產項目為研究對象，驗證本文方案的可行性。結果表明：本文得到的地形圖，精度符合1：500平地精度要求。

1? 傾斜攝影測量技術

傾斜攝影測量技術是指在作業時，航攝儀與地面呈一定的夾角，從不同角度獲取被攝物體的影像，然后采用專業的影像數據解算軟件，生產多種測繪成果[1]。就目前傾斜設備來說，最常見的是五鏡頭，其由4個側視和1個下視組成，且側視與下視夾角通常為45°[2，3]。在作業時，下視相機和側視相機分別獲取建構筑物頂部信息和側面信息。傾斜相機連續曝光多次獲取影像的示意圖如圖1所示。

在傾斜影像數據解算時，傾斜空三解算的精度，和輸入影像的分辨率關系非常密切。而在航攝過程中，獲取的影像分辨率和航飛的相對航高、相機焦距以及像元大小有關。對于5拼相機來說，在航線規劃時，都是以下視鏡頭的參數為依據來進行航線規劃的。這樣當側視鏡頭與下視鏡頭夾角為45°時，側視相機獲取影像的距離則是相對航高的1.414倍。對于5拼相機，通常都是選的同一款相機，因此其像元大小是相同的。這樣一來，相對航高和相機焦距呈正相關的關系[4，5]。相機距離地面的距離，很明顯是無法改變的，因此為了獲取分辨率一致的影像，對于傾斜相機來說，要對其焦距進行改動。當下視焦距為35 mm時，要調整側視相機焦距為50 mm，從而得到分辨率相同的影像，在傾斜空三解算時，才能得到精度更高的空三解算成果。

2? 方案實施流程

采用傾斜攝影測量技術制作大比例尺地形圖，其主要包括外業數據獲取和內業數據處理。具體的生產作業流程如圖2所示。

3? 案例分析

3.1? 任務區概況

本次任務要生產1：500全要素地形圖，任務工作量大，工期緊，采用傳統作業方式，不但效率低，而且工期久，無法按時完成任務。任務區內地勢平坦，采用航空攝影技術的話，獲取的影像分辨率基本一致，也能保證生產的地形圖成果精度均勻。鑒于此，本文在分析了傾斜攝影技術后，決定采用傾斜攝影方式生產1：500地形圖。

3.2? 像控點采集

像控點采集主要包括像控點選取、噴涂和坐標采集。首先打開圖新地球軟件，加載任務區范圍線，加載已有的高清影像，按照500 m左右的間隔，均勻的布設像控點點位。在布設點位時，要便于外業工作人員易到達實地，且布設的點要盡可能的構成銳角三角形，這樣在后期平差時，平差網絡更加穩定，成果精度更高。像控點點位布設完成后，將布設的成果導出為kml文件，提供給外業作業人員。并將像控點點位和高清影像套合，輸出成紙質版文件，便于外業人員根據紙質影像完成像控點測量的路線規劃，提高像控點采集效率，防止像控點被漏掉。外業人員在拿到布設的點位后，也可以將控點點位導入到奧維APP中，通過導航的方式，快速找到實際點位，采用紅白油漆進行“對三角”點位噴涂，并用油漆噴涂對應的點位編號，采用RTK進行點位坐標的采集。為了提升像控點在影像上的轉刺率，外業現場在像控點點位選取噴涂時，點位應盡可能地布設在四周空曠，無遮擋，點位不易被損毀的地方。在采集前，首先對輸入的各項參數進行檢查，尤其是中央子午線和高程異常值，確保輸入數據無誤后，待水準氣泡居中，進行點位坐標的采集。每個點位至少采集3次，且每次較差在1 cm內，取多次測量的平均值作為最終的點位坐標值。在采集的時候，從遠近不同視角對實際點位進行拍攝，方便內業對點位進行準確判斷。為了對地形圖成果精度進行檢測，評價地形圖成果的質量，本次在實地隨機均勻測量了30個檢測點。本次實地噴涂采集的點位如圖3所示。

3.3? 傾斜影像數據獲取

主要包括航線規劃和影像數據獲取。首先將范圍線導入WapPointMaster軟件中，設置地面影像分辨率為1.5 cm，航向重疊度為80%，旁向重疊度為75%，航向外擴2條基線，旁向外擴2條航帶，選擇本次作業相機的型號，輸入準確的焦距數值，指定起點位置，然后軟件自動計算航飛高度并生成軌跡參數。航線自動生成后，將其上傳飛控，完成影像數據的航攝采集。在正式作業前，先對電池電量、內存卡和相機等均進行了檢查，一切設備符合航飛要求。影像數據采集過程中，通過地面站實時觀察無人機航飛狀態，所有航攝均按照航線完成。影像數據采集完成后，采用Flycheck軟件對影像的重疊度和姿態進行檢查，人機交互方式對影像表征質量進行檢查。通過軟件檢測和人工檢查可知，本次航攝成果質量較高，符合項目要求。

3.4? 實景三維模型生產

本次數據解算選用Context Capture Center軟件。首先將外業采集的數據進行整理，包括影像重命名和POS制作等。新建工程，加載影像數據和導入POS數據，輸入每個相機對應的焦距，然后設置引擎路徑，提交空三任務，開啟引擎，完成空中三角測量解算。對解算成果進行檢查，未發現分層、彎曲等常見問題，影像全部參與解算。將外業采集的像控點導入軟件中，結合實地照片，進行像控點的轉刺，提交平差任務，完成加密點坐標從自由網坐標系向大地測量坐標系下的轉換。通過查看平差報告可知，本次空三解算得到的加密點重投影中誤差的值為0.31個像元，較規范要求的2/3像元來說，其完全滿足規范要求，像控點的三維中誤差為0.002 m，成果精度質量較高。

基于空三加密成果完成實景三維模型的生產。本次模型空間框架坐標系和像控點的一致，均為2 000國家大地坐標系，按照3°分帶，中央子午線為105°。瓦片分塊方式有多種，本次瓦片劃分方式選擇“規則平面格網”，綜合考略集群電腦內存的配置，設置瓦片大小為100 m×100 m。選擇shp或kml格式的任務區范圍線并導入軟件中，自動選擇模型輸出范圍，設置模型貼圖分辨率為1.5 cm，本次模型輸出格式選擇OSGB，其他各項輸出參數默認即可，然后提交三維重建任務，進行實景三維模型的集群生產，本次重建得到的部分三維模型如圖4所示。

3.5? 大比例尺地形圖測繪

本次地形圖生產選用EPS軟件。首先基于OSGB和XML成果，得到任務區DSM成果，并加載DSM成果到EPS軟件中進行地形圖的生產。在生產規則的四邊形房屋時，選擇“五點房”命令工具，可以快速繪制房屋并完成屬性的錄入。在生產等高線時，可采用高程點反生和水面淹沒分析方式繪制。對于裸露區域，直接采用框選方式進行高程點的自動采集，然后利用高程點構建三角網，然后生產等高線；對于植被密集區域，采用水面淹沒分析的方式，調整高程值，同一高程的點就會構成一個面，然后按照構成面的邊界進行采集，得到等高線。對于道路、植被等地類，按照軟件中已有的層分類方式，選擇對應的層命令，在模型上直接矢量化，并完善對應屬性，本次得到的部分地形圖成果如圖5所示。

由于目前傾斜攝影的局限性，對于生產的模型，由于航攝時存在遮擋，因此在遮擋區域，模型會出現拉花變形問題，這導致模型精度不受保障，在這種情況下，需要采用外業方式進行補充測繪，然后將外業采集的成果導入到地形圖成果中，來完善已有地形圖成果。雖然模型分辨率很高，很多屬性可以通過模型反映出來，但是對于一些模型上無法查看的屬性，如井蓋的用途，電力線的走向和電壓，通信線的權屬，遺漏的路燈等，都需要外業進行調繪，獲取準確的地物屬性，然后將外業調繪屬性在地形圖上進行填寫，得到符合項目要求的高質量、高精度、完整性好的地形圖成果。

3.6? 精度評定

將外業采集的30平面高程檢測點導入到EPS軟件中，然后雙擊每個檢測點，就可以快速跳轉到預測的點位，然后手動調整到實際的點位進行刺點，對生產的地形圖精度進行檢測。通過檢測得到每個點在平面和高程上的較差，并將其平面位置較差和高程較差轉換成如圖6所示的二維柱狀圖，其中縱軸單位為m，橫軸代表檢測點的編號。

采用同精度中誤差公式 ，對本次生產的地形圖精度進行計算，其中n是檢測點個數，本次是30；?x和?y是在x方向和y方向上的較差，（?x）2 + （?y）2是實測點位和地形圖點位上較差的平方和，Σ是累計求和函數，高程中誤差也采用此公式。通過計算可知，本次基于實景三維模型生產的地形圖，其平面位置中誤差為±0.146 m，高程中誤差為0.151 m。按照規范GB/T 7930—2008中的規定，對于1：500平地區域，規定其平面位置中誤差為±0.3 m，高程中誤差為±0.35 m。

4? 結? 論

本文介紹了傾斜攝影測量技術和作業流程，并以實際生產項目為例，對作業過程中相關重點技術做了深入分析，并利用GNSS-RTK采集的實地特征檢測點，檢測本文方案制作得到的地形圖。由檢測報告可知，本次生產的地形圖，其平面和高程中誤差，均符合1：500平地地形圖精度指標，可為平地區域生產大比例尺地形圖帶來借鑒。

參考文獻：

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作者簡介：周槿潔（1996—），女，漢族，甘肅定西人，助理工程師，本科，主要研究方向：無人機攝影測量、測繪地理信息、國土空間規劃、土地規劃、不動產測量等。