傾斜航空攝影在大比例尺地形圖測量中的應用

后劍秋

（長沙市規劃勘測設計研究院，湖南 長沙 410000）

0 引言

在大比例尺地形圖測量中，可以利用搭載傳感器的無人機，以傾斜航空攝影的方式，獲取地表及附著物的多視角紋理信息，并借助傾斜航空攝影模式下的先進的自控飛行技術、三維模型生成等技術，生成實景三維模型，由此得到更加詳盡、精準的地形圖測量結果，為后續的地形圖繪制提供依據。為此，應積極探索傾斜航空攝影的應用，以不斷總結相關的應用經驗，充分發揮傾斜航空攝影在地形圖測繪上的效能。

1 傾斜航空攝影概述

傾斜航空攝影是一種新型的航空攝影方式。這種航空攝影方式通過在無人機上設置或搭載傳感器，可以實現四個側視角度、一個垂直角度的多角度地物影像信息采集，而這種多角度的地物影像采集模式相較于傳統僅支持正射影像采集的豎直航空攝影方式，能夠更加完整、精準獲取地形圖數據測量結果，因此，傾斜航空攝影在大比例尺地形圖測量中具有更加明顯的應用優勢，可以為地形圖的測繪提供更具體、準確的地物的外觀和形態信息。

就目前來看，傾斜航空攝影系統通常包括無人機、專業航飛人員和傳感器等。其中，傳感器由多鏡頭相機、GPS 定位裝置和姿態定位系統等部分組成。多鏡頭相機的拍攝方向為左右、前后、下方共5 個方向，且支持同時進行5 個方向的拍攝，與此同時，在實際飛行中，各個相機還可以根據對應的曝光點坐標進行自動曝光拍攝，因此，傾斜航空攝影模式支持一次性完成幾十平方公里范圍內地形模型、建筑構筑物的獲取，極大地提高了建模效率，而且建模質量較高，紋理真實性強。此外，傾斜航空攝影還能獲得正射影像和數字高程模型，方便后續的正射糾正與立體測圖等處理工作[1]。結合之前做過的項目，對傾斜攝影所得1:500 地形圖上的特征同名點，進行外業實測檢測，再經過平面精度統計（圖1）、高程精度統計（圖2），分析得出，應用傾斜攝影測量技術所得出的測量結果精度，能夠滿足1:500 地形圖繪制所需的精度要求。

圖1 平面精度統計

圖2 高程精度統計

2 傾斜航空攝影在大比例尺地形圖測量中應用的流程

在大比例尺地形圖測量中，首先，需要充分收集所測區域的信息資料，如坐標系統、控制點成果、高程基準參數等，然后根據這些參數，制定出航空攝影無人機飛行路線方案，并借此確定地面分辨率、傳感器搭載方案、飛行高度、拍攝間隔等參數條件，同時還要辦理好相關的空域申請手續[2]。其次，需根據上述方案，進行測區像控點布設，再用搭載了傳感器的無人機，進行傾斜航空攝影，以實現從多個不同角度進行待測地區的地形數據采集[3]。再次，將通過傾斜航空攝影獲取到的地形數據，導入專業的軟件中，然后軟件即可通過對數據的密集匹配，完成高密度真彩色點云的產出，再利用闡述的點云，建立TIN 三角網，由此產出高精度、高分辨率的數字表面模型。之后，再對該模型采取濾波處理操作，同時融合差異性的匹配單元，構建出最終的實景三維模型。最后，基于該模型進行大比例尺地形圖測量，并采用補測的方法，對測量結果進行簡單的補充，即可完成地形圖測量，為后續的地形圖繪制提供依據，如圖3所示。

圖3 傾斜航空攝影在大比例尺地形圖測量中應用的流程

3 傾斜航空攝影在大比例尺地形圖測量中的應用策略

3.1 做好前期準備

在傾斜航空攝影應用中，前期準備是第一項程序。該程序中主要包括設備選用、測繪區域信息收集、飛行范圍確定、像控點布設等操作。在前期準備中，常用的無人機有兩種，即垂直起降固定翼無人機、單鏡頭多旋翼無人機。其中，垂直起降固定翼無人機一般是搭載五拼裝相機，垂直起降固定翼無人機技術參數如表1 所示，五拼裝相機技術參數如表2 所示，其的主要優勢在于，相較于傳統固定翼的無人機，其無須手拋、彈射，就能夠直接借助4 個旋翼進行垂直起降，規避了硬著陸、起飛事故等因素損壞設備的問題，而且其的配套軟件支持筆記本安裝使用，并可以在傾斜攝影過程中，通過地面電臺，保持數據鏈連接[4]。

表1 垂直起降固定翼無人機技術參數

表2 五拼裝相機技術參數

而單鏡頭多旋翼無人機自帶云臺相機，單鏡頭多旋翼無人機參數如表3 所示，此種無人機支持-90°～30°的鏡頭仰俯，以及對同一區域的多架次、多角度拍攝，同時還可以直接用專業的飛控軟件對其進行控制。在此過程中，只需要在軟件中選好航高、航向、旁向重疊度，軟件即可自動設置拍照間隔、航線間距、飛行時間等參數[5]。

表3 單鏡頭多旋翼無人機參數

在準備工作中，首先，需要根據大比例尺地形圖測量工作的實際條件進行上述兩種無人機的選用。其次，再結合地形圖繪制要求，根據當地的大致地形狀態，界定測量范圍，以及無人機飛行范圍，再立足于此，進行布設像控點。一般來說，布設像控點需要在配套的軟件中進行，并按照一定距離，進行像控點的均勻布設。在像控點的選擇過程中，需要根據測繪像控點布設的距離要求，盡量選擇空曠、交通便利的區域布設像控點，同時也要確保像控點所在地平整、無陰影、無遮擋、方便查找，避免設置在房角、樹下等容易遮擋的地方。最后，待像控點布設完畢后，即可前往現場，尋找標志性的地面特征，或制作地標，作為像控點位置的標志，再使用GNSS-RTK 按照圖根點精度進行像控點的測量。之后，即可通過將測圖范圍、像控點參數輸入飛控軟件中，得出航線規劃方案，完成前期準備，為后續的傾斜攝影應用提供依據。但在上述過程中，需要注意，需做好航測分區，并確保各個分區內的地形高差在1/4 相對行高以內，而且應盡量將地貌類型相同、地物景反差一致的區域劃分為同一個分區，同時，也要做好架次的選擇，并根據實際測繪需求，以及當地地形、條件情況，進行架次的設置。

3.2 落實外業航攝

傾斜航空攝影的應用中，待上述前期準備工作完畢后，即可進行外業航攝。在此環節中，需要運用無人機配套的飛控軟件，按照規劃好的航線對無人機的航攝進行控制。但應注意，為了更好地控制無人機的飛行方向，需要確保無人機迎風起飛，并在起飛時根據風向調整方向，而且在起飛同時要對飛行時間進行記錄，以監控無人機的飛行時長，以便于在其電量耗盡之前，加以召回。一般來說，在前期遙控飛行的模式下，需每隔5～10s 記錄飛行高度、速度等數據，以及時調整無人機的運行狀態，保持其平穩飛行。待無人機狀態良好、確認無問題后，即可調整至自動控制的模式，但需要注意，當無人機在視距外飛行時，需要密切監視其的飛行高度、電源電壓、發動機轉速等運行參數，一旦出現異常，應立即發送控制指令進行干預，以免其故障，造成損失。

待無人機完成傾斜航空攝影任務之后，即可做好無人機降落準備。在此過程中，需根據風向、風速等實際情況，在合適的時間點，將自動飛行模式調整為遙控飛行模式，以控制無人機順利落地。無人機落地后，需要從無人機中影像存儲卡取出，然后對存儲卡中的數據進行攝影精度核準，同時，還要對無人機的油量、電量、機載設備進行檢查，以及時發現和處理使用過程中產生的損耗故障，確保無人機后續的正常應用。

3.3 推進攝影精度核準

攝影精度核準是傾斜航空攝影應用中的關鍵環節。工作者需要借此確認此次傾斜攝影操作所獲得的數據信息是否能夠支持地形圖測繪應用，并篩除不滿足精度要求的數據信息內容，以確保地形圖測量結果的準確、有效。

在攝影精度核準過程中，考慮到傾斜攝影的成果數據是數字三維模型，而該模型作為傾斜攝影模式下的地形圖測量結果，其需要服務于大比例尺地形圖的繪制，因此，需要確保傾斜攝影所獲取的數據信息精度，優于大比例尺地形圖測繪精度要求。基于此，精度核準一般立足于兩個維度，即平面精度、高程精度，而這兩個維度對應的衡量標準分別為平面位置中誤差、高程中誤差。其中，在平面中誤差的計算中，首先，提取數字三維模型中的平面檢查點坐標數據，以及平面檢查點實測坐標。其次，將兩個坐標進行較差運算。最后，用中誤差公式，對上述較差結果進行運算，得到中誤差。而在高程中誤差的計算中，也需要運用三維模型中的檢查點高程，以及檢查點實測高程進行較差運算，再用中誤差公式計算得出中誤差。當檢查點數量在20 個以內時，上述兩個中誤差計算公式如下：

式中：M——中誤差；n——檢查點數量；Δi——較差值。

當檢查點數量超過20 個時，上述兩個中誤差計算用的中誤差計算公式如下：

式中：M——中誤差；n——檢查點數量；Δi——較差值。

3.4 根據需求進行補測

在傾斜航空攝影的應用中，經常會出現對一些地物的漏測，而出現這一情況的主要原因在于，部分地物較為細小，如鋼絲鐵網、路燈、電線桿等，但拍攝時的影像分辨率較低，無法支持細小地物的測量。對此，就需要根據實際情況進行補測。在此過程中，考慮到傾斜航空攝影所得到的影像，經過建模紋理映射處理后，所生成的DOM 在分辨率方面會比原始影像更低，所以，在補測過程中，可以先查看原始影像，并用原始影像得出補測結果，以提高傾斜航空攝影成果的完整性。在補測時，可以考慮采用傳統的垂直攝影測量方式，對傾斜航空攝影的垂直方向影像進行處理，再采用立體測圖的方式，完成補測。

此外，在補測過程中，針對因高程打點被植被覆蓋造成的漏測，可以考慮重新進行打點，將打點位置轉移到植被覆蓋的空隙處，再進行傾斜航空攝影補測即可。但如果植被分布密集、覆蓋范圍較大，找不到合適的空隙處，則可統一在植被頂部打點，再將這些點的測繪結果減去植被的高度即可。但如果植被覆蓋密集，同時僅有局部地區被覆蓋，那么則可以考慮對被覆蓋地區進行專門的測量，再將測量結果與整體傾斜航空攝影結果進行結合，由此得出漏測部分的數據。不過應注意，如果被大面積高度不一致的稠密植被所覆蓋，就無法通過上述傾斜航空攝影的方法進行補測，則需要進行實測，來補充地形圖繪制所需的測量結果，以支持大比例尺地形圖測量工作的有效推進。

4 結語

綜上所述，在大比例尺地形圖測量中實現對傾斜航空攝影的有效應用，能夠提升地形圖測繪工作水平。在大比例尺地形圖測量中，采取有效措施，精準落實各項傾斜航空攝影操作程序，可以讓傾斜航空攝影的應用效果順利達到預期，從而在更短的時間內，獲取更加完整、安全、精確的區域地形信息，加快推進大比例尺地形圖的繪制。