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

成云瑞

（三和數碼測繪地理信息技術有限公司，甘肅 天水 741000）

地形圖作為航攝4D 產品之一，在實際生產生活中有著廣泛的用途。早期大比例尺地形圖測繪，主要是利用全站儀、GPS-RTK 等進行采集，這種方式作業效率低，作業成本高，周期長，而且長期外業工作，存在較高的風險性，因此已經無法滿足當今社會的發展需求。近年來，隨著遙感技術和低空航空攝影測量的迅速發展，采用低空無人機搭載垂直相機獲取地面影像，然后通過對影像解算，得到每張影像的外方位元素，并結合相機的內方位元素，將影像創建為立體像對，并基于立體像對采集地形圖成為了一種地形圖生產的重要作業方式[1]。但是立體測圖，本身對硬件配置要求高，要求必須采用專業的立體顯卡、立體眼鏡和立體發射器，而且對作業人員水平要求高，因此這種方式存在了一段時間后，也逐漸被淘汰了。隨著傾斜攝影測量技術的出現，采用裸眼的方式采集地形圖成為了一種主要的作業方式[2]。目前，主流的地形圖采集數據類型可以分為3 種：點云數據、DOM+DSM、實景三維模型。其中點云數據是指機載LIDAR 或者地面LIDAR 等方式獲取的LIDAR 數據，將其導入專業的點云數據處理軟件，進行點云數據的拼接、糾正等操作，然后基于點云采集地形圖[3-4]；DOM+DSM 是指利用DOM 和DSM 2 種數據成果疊加進行地形圖的測繪，其中DEM 提供平面位置數據，DSM 提供高程數據；實景三維模型是指基于傾斜攝影方式得到的成果，具有三維真實的視覺，精度高，可以作為地形圖采集的一種很好的作業方式。基于此，本文首先深入探討了傾斜攝影測量技術，其次以流程圖的形式對其作業流程進行了簡單說明，并采用實景三維模型和虛擬立體相結合的方式，完成大比例尺地形圖的采集。最后，用檢測點對成果精度進行了檢測統計，分析了統計結果，得出本文方案生產的地形圖，可以滿足1∶500 精度要求的結論，可以為大比例尺地形圖的測繪帶來一定的參考價值。

1 傾斜攝影測量技術

隨著無人機技術的迅速發展，傾斜攝影測量技術取得了矚目的成績。傾斜攝影測量是指在飛行器上（通常指無人機）搭載傾斜航攝儀，從空中對地面，從多個角度獲取地面影像，如圖1 所示。然后采用專業的軟件，對影像數據進行解算，并生產得到一系列測繪產品的技術。對于目前的無人機來說，有多旋翼和固定翼2種，對傾斜相機來說，有2 鏡頭、3 鏡頭、5 鏡頭甚至9鏡頭等。其中最常見的是5 鏡頭相機，其由1 個下視和4 個側視組成，在作業時，從不同角度獲取被攝物體的不同影像紋理信息。相機時，下視影像分辨率是側視的1.414 倍，這不利于數據的準確解算。為了解決這一問題，在進行5 拼相機組裝時，人為對側視相機焦距進行調整，并且永久性對其固定，以防作業過程中相機焦距發生變化，造成航攝成果無法使用的問題發生。

圖1 傾斜攝影示意圖

2 作業流程

采用傾斜攝影方式生產地形圖，其主要包括前期的數據航攝、像控點布設等，對于內業數據解算來說，其作業流程如圖2 所示。

圖2 傾斜攝影生產大比例尺地形圖流程

3 案例分析

如圖1 所示，可知在作業時，下視鏡頭是垂直地面拍攝的，側視相機是以一定的傾角進行拍攝的。當傾角為45°時，由圖1 可知，側視相機中心點距離被攝物體的距離是下視相機中心點距離被攝物體的1.414 倍（假設地面平坦），由此可知，當采用同一款相同焦距的

3.1 像控測量

就目前技術來說，采用免像控技術生產的地形圖，其精度還是很容易超限的，因此本次在數據生產時，需要采集像控點。首先是將數據生產范圍和已有影像資料進行套合，然后在ArcGIS 軟件中，按照400 m 左右的間隔，均勻布設一些像控點，在測區邊緣和拐角區域均加密布設像控點，并對像控點進行統一的編號。布設完成后，將套合的成果輸出為紙質圖，提供個外業進行像控點數據的采集。為了提升像控點轉刺精度，在實際作業過程中，均采用油漆噴涂的方式進行像控點的確定。一般常見的有“L”形靶標和對三角靶標，“L”形一般采用一種油漆噴涂，對三角通常采集2 種油漆噴涂。噴涂的點位一般選取四周遮擋少、不易被損壞的地方，這樣對于側視影像來說，像控點被遮擋的比率就會降低，點位使用率就會提升。本次采用紅白油漆噴涂對三角靶標，然后在2 個相連的點位上采集坐標值，具體如圖3 所示。

圖3 像控點坐標值測量

為了防止偶然誤差帶來的影響，在坐標值采集時，每個點位采集次數不少于3 次，每次平滑次數不少于20 次，然后每次采集的坐標值，彼此較差在1 cm 內，最后取平均值作為最終的測量值。

3.2 航空攝影

航空攝影主要包擴航線規劃和影像數據的航攝2部分內容。本次航線規劃采用WapPointMaster 軟件，導入任務區范圍，設置航向、旁向重疊度為75%和80%，影像地面分辨率為0.05 m，選用下視焦距為35 mm，側視為50 mm 的5 拼傾斜相機。沿著航向外擴2 條基線，平行航帶外擴2 條航線，從而保證任務區邊緣影像完整。在參數設置完成后，一鍵自動生成本次作業的航線軌跡數據。由于無人機續航時間短，本次生成的航線為多架次航線，部分規劃的航線如圖4 所示。

圖4 航線示意圖

其中孤立點點位曝光點，紅色的范圍為任務區范圍線。將規劃好的航線成果上傳至飛控，完成本次航攝任務。待影像數據采集完成后，對影像數據的質量進行查看。采用flycheck 軟件檢查下視影像的重疊度和姿態，人機交互形式查看影像的清晰度、對比度等。經查，本次成果質量良好，符合相關規范和項目要求。

3.3 模型生產

對于傾斜數據的解算和三維模型的生產，目前可以使用的軟件比較多，在綜合分析了多款軟件后[5]，本次選用國產的瞰景Smart3D 軟件進行數據的解算和三維模型的生產。首先對航攝的成果進行預處理，用拖把更名器更改影像的名字，確保無重名影像，然后按照影像名字更改對應的POS 名，確保影像和POS 準確對應。然后新建工程，加載影像數據和POS 數據，手動填寫相機的焦距，并快速對輸入的影像進行檢查，確保無損壞的影像。然后提交空三任務，開啟引擎，設置引擎路徑，完成空三數據的解算和平差任務。自由網空三完成后，轉刺像控點，完成加密點坐標系的轉換。本次空三成果質量良好，可用于本次實景三維模型的生產，并導出優化后的影像內外方位元素和未畸變照片，用于虛擬立體像對的構建。

3.4 地形圖測繪

本次地形圖生產采用實景三維模型和虛擬立體像對相結合的方式進行。

3.4.1 基于實景三維模型采集

對于模型精度高、模型完整的區域，采用EPS 軟件，直接在三維模型上進行地形圖的采集。在采集的過程中，將采集的地形圖成果和正射影像疊加，對測繪的成果進行查看，避免出現遺漏區域。由于模型可以從多個角度翻轉查看，因此在采集房屋時，按照要求直接對屋檐進行改正。在采集等高線、高程點時，可以根據不同地形選擇不同的采集方式。在植被稀少區域，可以通過畫線或畫面的方式，輸入高程點距離或者密度，自動在模型上提取高程點；對于地形復雜區域，則直接在模型上手動采集高程點。對于等高線的生產，可采用高程點生產等高線，也可采用“水面淹沒”的方式，設置高程值，然后同一高程值自動構成一個面，然后采集等高線。

3.4.2 基于虛擬立體像對采集

對于模型拉花區域，采用虛擬立體像對的方式進行地形圖的補充測繪。將導出的內外方位元素和未畸變照片加載到航天遠景MapMatrixGrid 軟件中，依據像片之間的相鄰關系，創建虛擬立體像對，然后導入已有的地形圖成果，對其中未采集的區域，基于虛擬立體像對進行采集，從而得到更加完整的地形圖成果。

2 種地形圖采集方式相結合，大大地減少了外業補充測量的工作量，并且在對電力線走向進行判斷時，模型上電力線查看模糊，可基于原始影像對電力線走向進行查看，從而減少外業屬性調查的工作量，極大地提高了地形圖的生產效率。

4 精度統計與評定

將檢測點導入到EPS 軟件中，對地形圖精度進行檢測，部分檢測統計數據見表1。

表1 地形圖精度檢測統計表

利用同精度中誤差計算方式，對本次地形圖精度進行檢測，計算得到本次地形圖平面位置中誤差為±0.168 m，高程中誤差為±0.196 m，并且均為出現粗差值，成果精度符合1∶500 地形圖精度要求。

5 結束語

本文介紹了傾斜攝影測量技術，并對其在大比例尺地形圖生產中的作業流程進行了簡單說明，以實際項目為例，對其中關鍵技術進行了詳細闡述，并用檢測點驗證了本文方案生產地形圖的可行性。通過對檢測結果分析可知，本文生產的地形圖，其精度可以達到1∶500 平地精度要求，可以為平地大比例尺地形圖測繪帶來借鑒。