无人机倾斜摄影技术在中小河流测量中的应用探索

郭超 韩光 邵艳超

（1.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南郑州 450016；2.河南思拓力测绘科技有限公司，河南郑州 450000）

随着3S、虚拟现实等技术的飞速发展，地理信息技术手段带来前所未有的变革：利用倾斜摄影技术对影像的平面、高程、结构、色彩、纹理等进行数字化处理，按照统一坐标无缝拼接，迅速建立测区实景三维模型，人们可以直观地从三维模型上判读山川、河流、房屋、道路等地物[1]。再利用EPS地理信息系统将测区三维模型矢量化后提供给设计部门进行参考设计，此作业流程与传统垂直航测系统相比，突破了双片立体测图对人员要求高，长久佩戴立体眼镜不适等限制，大大提高了生产作业效率。

中小河流治理项目多为带状地形，对测绘面积、局部建筑物地形精度要求较高，大多数地段要求测绘纵、横断面，无人机搭载多镜头的倾斜摄影技术较传统航测技术更能较好地满足这些要求。量测，每张斜片上的每个像素都对应真实的地理坐标位置[4]。总体的作业流程如图1所示。

图1 倾斜摄影总体流程图

1 倾斜摄影技术概述

倾斜摄影测量技术利用一个平台搭载五台传感器，可以从一个垂面、四个倾斜面这五个角度进行拍摄。同时，在拍摄过程中，可以一次性记录航向、航高、航速以及坐标等多个参数，通过这种多角度、全方位的拍摄，可以获得更多的地物结构和纹理特征信息[2]。

倾斜摄影测量生产三维模型的作业过程：首先，要对获取的影像进行质量检查，对不合格的区域进行补飞，直到获取的影像质量满足要求。其次，进行匀光匀色处理，在飞行过程中存在时间和空间上的差异，影像之间会存在色偏，因此需要进行匀光匀色处理[3]。再次，进行几何校正、同名点匹配、区域网联合平差。最后将平差后的数据（三个坐标信息及三个方向角信息）赋予每张倾斜影像，使得它们具有在虚拟三维空间中的位置和姿态数据，至此倾斜影像即可进行实时

2 EPS地理信息系统矢量化

实景三维模型的矢量化是倾斜模型的一项重要应用，EPS 3DSurvey 三维测图系统，是山维科技基于自主版权的GIS数据生产平台EPS地理信息工作站研发的三维矢量采编产品。它提供了基于正射影像、实景三维模型、倾斜影像、点云数据的二三维采集编辑工具，支持大数据浏览以及高效采编建库一体化，直接对接基础测绘、不动产、智慧城市等专业应用解决方案。

EPS 3DSurvey系统可以直接调用建模软件生产的三维实景模型，支持Dsm、Osgb等数据格式的载入。在数据转换过程中，自动构建八叉树，保证了大数据实景模型的流畅显示，还能以数字正射影像、实景表面模型数据为基础，实现数据叠加、多窗口、多视角、二三维联动等同步显示和测图[5]。

3 应用实例

3.1 工程概况

兰商干渠位于河南省兰考县北部，黄河水由三义寨引黄闸进入干渠，自西向东自流进商丘境内。干渠兰考段全长38.2公里，测区地势平坦，沿途植被稀疏。综合测区情况和测量内容，项目最终采用固定翼无人机和多旋翼无人机组合建模方法实施，测区内重点建筑物采用多旋翼五镜头进行小范围拍摄，河道和非重点建筑物采用固定翼无人机以纵横构架航线的形式进行大范围拍摄，获取的数据采用统一的坐标系统进行处理，并实测地面像控点加以控制。

3.2 模型处理

目前，在国内市场上主流的模型生产软件有Bentely公司的Context Capture，Skyline公司的PhotoMesh,Agisoft公司的PhotoScan等，综合考虑上述软件的精度、建模速度、纹理的精细度等方面，本项目最终采用Context Capture进行处理。

Context Capture处理流程为：新建工程项目→导入影像数据→输入pos→转刺像控点→空三加密处理→重建模型。空三加密处理过程中，由于线路狭窄，范围过大，因此采用先分块再合并区块的空三加密处理方法，使之顺利通过空三加密计算。

空三加密计算通过后，开始模型重建。按照项目要求依次设置好相应参数，模型重建采用分布计算方式，根据每台计算机的性能和内存大小，最后将瓦片的大小设置为80米×80米，软件将自动分配给每台计算机任务，并将剩余任务进行排队，等上一个瓦片计算完毕后，自动分配相应的任务。模型重建完成后，查看模型质量。本项目局部模型如图2所示。

3.3 模型的质量检验

实景三维模型的质量应满足完整性、几何精度、逻辑一致性的要求。

图2 项目三维模型局部展示界面

（1）实景三维数据产品应完整，数据要素不应有遗漏；

（2）实景三维数据产品的点位应满足设计精度要求，模型数据各组成部分的相对位置应真实准确；

（3）实景三维数据产品的数据在遵循的概念模式规则上应一致，存储格式应一致，模型数据空间位置应具有拓扑一致性；

（4）实景三维数据产品应按照技术规范划分细节层次，所有数据应在统一的参照系下，模型的坐标位置和高程数据应准确。

本项目采用三维模型通用OSGB格式，模型的细节和纹理展现与现实一致，空间位置具有拓扑一致性，所有数据坐标系统均采用项目规定的1980西安坐标系，高程系统为1985高程系统。

项目航飞外业布设像控点时，为满足内业质量检查的需要，在满足模型成图要求的像控点数量前提下，又在测区做了均匀分布的15组检查点。最后软件自动计算其检查点的残差大小。检查结果如表1所示。

表1 检查点残差计算表

经计算，上表平面位置中误差为0.049m，高程中误差为0.056m，15组检查点的残差数据满足《1∶500 1∶1000 1∶2000地形图航空摄影测量内业规范》（GB/T 7930—2008）中对于1∶500地形图平面和高程中误差的要求，达到了项目对相对位置和绝对位置的设计精度要求。因此本模型可以用于本项目的生产工作。

3.4 EPS矢量化

EPS总体生产流程：新建EPS工程—数据转换（影像）—数据加载（影像）—窗口设置—数据采集—数据检查—数据修改（合格）。

在数据加载前，需将OSGB格式的模型数据转换成软件自身的DSM格式数据，通过格式的转换，可以建立八叉树模型，从而实现模型的缩放、平移、选择功能的顺畅操作。实景模型本身具有真实地理位置和高程属性，因此可以直接采集地物的坐标和高程信息。

软件内置了各种比例尺的国标符号库，在模型矢量化过程中直接调用符号库，从而实现采编一体化。采编界面如图3所示。

图3 EPS采编界面

EPS软件具有输入输出线划图功能，提供了与CAD转换的相应脚本文件，可以将图形和属性一起输出，省去了再矢量化的步骤，大大减轻了工作量。

4 总结

通过论证，采用无人机倾斜摄影测制地形图的方式不仅可行，而且提高了效率，降低了成本。在有足够的地面控制点参与运算时，其精度可以达到1∶500的测图精度，这是大比例尺测图作业方式的一次巨大飞跃，在诸如水利地形图测绘、水利移民搬迁测量、水利防洪规划等相关测量工作中具有相当大的应用价值。

实景三维测图实现了真实的裸眼三维测图，能够解决困难地区数据采集难的问题，让测绘人员避免了危险作业，外业调绘工作量也大幅度减少。与传统立体测图相比更直观，软件操作更简单，从而让“办公室测绘”的愿景更近一步。

[1]孙柳,宫辉力,赵文吉.从数字摄影测量到城市三维景观模型的建立[J].首都师范大学学报,2005(6).

[2]王伟,黄雯雯,镇姣.Pictometry倾斜摄影技术及其在三维城市建模中的应用[J].测绘与空间地理信息,2011,34(3):181-183.

[3]孙宏伟.基于倾斜摄影测量技术的三维数字城市建模[J].现代测绘,2014,37(1):18-21.

[4]王卿,吴晓明,刘力荣等.倾斜影像的量测方法研究[J].测绘与空间地理信息,2013,36(9):54-55.

[5]李安福,吴晓明,路玲玲.倾斜摄影技术及其在国内的应用分析[J].现代测绘,2014,37(6):12-14.