基于无人机实景三维技术进行地形图测绘的应用与研究

孙英杰

摘要：无人机倾斜摄影技术作为一个新兴的技术方法被广泛应用于三维建模和工程测量中，通过在高速飞行的载体上搭载GPS、IMU、倾斜相机等多种先进的传感器与设备，能够快速、精确、全面、实时的获取具有时空信息的倾斜影像。通过相应的倾斜影像数据处理软件，对采集到的倾斜影像进行预处理，形成符合应用需求的三维实景地图数据。本文结合实践应用，研究了如何利用这一技术进行实景三维建模，并基于VRMap三维信息软件进行1：1000地形图生产的过程。

关键词：无人机倾斜摄影测量技术；实景三维建模；定位定姿系统；像控测量；城市空间数据框架；智慧园区

引言

实景三维建模是智慧园区的重要组成部分，实景三维地图生产技术从更高层次上拓展了人工建模所欠缺的准确性和真实性，建模范围包括地表、地物、建筑、植被等。基于非常具有沉浸感的大场景实景地图的逼真仿真浏览，真实再现了地表各类建筑物、构筑物、地形地貌的原始形态和量化指标查询，为智慧园区信息系统提供了有力的数据支持。实景三维地图模型数据真正实现了一图多用，可以基于三维地图实现线划地形图（DLG）、正射影像图（DOM）、数字表面模型（DSM）的生产，实现对建筑物（所在位置、层数、结构属性、占地面积、建筑面积等）、内部道路、绿地、储备用地、管井位置等的详细测绘。

1技术原理

倾斜摄影测量技术集成了全球卫星定位、惯性导航、图像处理、摄影测量、地理信息及集成控制等技术，通过在高速飞行的载体上搭载GPS、IMU、倾斜相机等多种先进的传感器与设备，快速、精确、全面、实时的获取具有时空信息的倾斜影像。基于倾斜影像，制作园区三维实景模型，以高精真的数据为智慧园区提供有效的基础地理空间框架。倾斜摄影测量系统运用飞行的载体搭载高精度定位定姿（PPOI）系统、前后左右及正下方五个方向镜头的倾斜摄影相机，对测区进行全方位无控制测量，获取垂直影像及前后左右四个侧面可量测倾斜影像。所获取的倾斜影像具有全纹理、真环境、可视化、可浏览、可测量的特点。通过倾斜影像数据处理软件，对采集到的倾斜影像进行预处理，包括调色、纠偏、校正、镶嵌、融合等等系列处理，形成符合应用需求的三维实景地图数据。

2技术特色

高精度、可量测：数据模型可以达到坐标精度1：1000比例尺地形图的精度。数据成果可通过配套软件的应用，直接基于成果模型进行包括高度、长度、面积、角度、坡度等的量测；

多视角、真环境：具有五个不同方向的影像，从而得到地形地物更为详尽的侧面信息；影像中包含真实的环境信息，信息量丰富，可进行影像信息的数据挖掘；

可浏览、高效性：三维实景地图模型提供真实、实时、快速、全面的三维场景浏览。基于倾斜影像生产的三维模型相对于传统的手工建模，具有数据精确全面、效率高、成本低、场景真实等特点。

3数据的采集处理

3.1作业工序

作业工序分为像控点测量、无人机倾斜摄影测量、三维实景模型建模、1：1000地形圖内业成图。根据测图和像控需要加密图根控制点；全数字航测成图包括无人机航空摄影、外业像片控制测量、内业空三加密和倾斜模型测图、DLG图形数据编辑等。

3.2技术准备

技术准备阶段主要完成测区已有地形数据、控制点数据、测绘成果资料的收集，调查范围实地踏勘、了解测区情况，航飞技术实地验证，技术方案编写和技术力量与设备配置等。应对调查区域进行实地全面踏勘，了解建筑基本分布状况、建筑物高度、航飞难易程度、隐蔽分布状况、交通状况、当地风俗等可能对项目开展有影响的因素，同时根据测区情况选择无人机的起降场地。

3.3无人机航飞

（1）倾斜摄影基本参数设计

倾斜摄影平台和航空飞行器是倾斜摄影数据获取的主要设备，根据选定的航摄平台及飞行载体，完成倾斜摄影基本参数设计。

（2）确定航高：倾斜摄影航高取决于测区地面分辨率（GSD），以及使用传感器像元大小；此外，无人机飞行时航高还应该大于飞行区域建筑物的高度，以免飞机撞上建筑物，根据经验，飞行高度一般应该高于建筑物50米以上才能建出相对较好的倾斜模型。

（3）航摄分区

根据《地形图航空摄影规范》要求，视测区地形高差情况划分航摄分区。需要划设多个航摄分区时，单个航摄分区的航向方向超出航摄分区边界线不少于1像幅，旁向方向则需超出每个航摄分区边界不少三条基线，向以确保侧视相机能够有效获取到分个航摄分区边界影像。摄区以丘陵、山地居多时，或山地、丘陵、平原交错的摄区注意航摄分区的划分。

（4）航线方向和航线敷设

航线方向一般为东-西向，少数情况下根据地形走向和专业测绘的特点要求（如线路、河流、境界等）亦可为南-北向或任意方向。航线敷设时同时需要考虑地形环境因素的影响，保证航线及延长方向的地形高度不影响飞行安全高度。

（5）无人机航飞技术验证：在倾斜摄影三维建模工作开展之前，必须对无人机航飞方法在实地选定有代表性区域进行测试，以验证无人机技术、方法及设备的可靠性，为后续工作打下基础。

（6）无人机航飞

航空摄影飞行作业是一项十分繁重和细致的任务，要求每一个细节，每一个步聚都应务必追求完美，确保航飞作业安全、顺利是项目开展的提前。倾斜摄影航飞作业，由其是使用无人机作业时，应该严格按照法律法规申报审批，做到合法安全飞行。

3.4像控测量

倾斜摄影设备使用IMU/DGPS辅助测量时，可大大降低地面像控点的布设密度。像控点敷设时，摄区边界必须布设像控点，且要求每公里不少于3个，有航摄分区时，按照此要求进行布设。以上满足精度要求的点位均应提供项目要求的高程和坐标系数据，同时每个测区至少有10%的观测控制点，作为检校点。

1 像控布设

（1）像片控制点是航测内业加密和图的依据。本项目像片控制点采用基于JSCORS 网络 RTK 技术施测，一般情况下布设均为平高点。

（2）像片控制点按区域网布设，由于倾斜摄影重叠度高、有多视角影像，计算机密集点云数据匹配功能强等，外业布设像控点位基线跨度可适当放宽，但在加密过程中检查点精度需满足精度指标。

（3）鉴于目前使用的软件在空三加密区域网平差计算上已具备先进完善的功能，区域网大小根据航摄飞行情况、地形情况、计算机运算能力等进行综合划分，区域网之间的像片控制点应尽量选择在上、下航线重叠的中间，相邻区域网尽量公用像控点。

2像控点判刺

需要在200-300米的距离呈井字型均匀分布，用油漆在地面布设L型像控点标志，外角清晰且为直角，并标记清楚点号方便刺点。

3像控点联测

（1）像控点联测采用采用基于 JSCORS 的网络 RTK 作业方式联测。利用似大地水准面数据直接求定像控点高程。

（2）利用 GNSS 网络 RTK 作业模式进行像控测量时，应联测测区内高等级控制点，以提高成果的可靠性。

（3）GNSS 网络 RTK 作业时应遵循以下要求：

卫星截止高度角 15°；观测可用卫星个数≥5；PDOP 值≤6；RTK 观测前应设置平面收敛阈值不应超过 2cm，垂直收敛阈值不应超过3cm；观测次数≥2，每次观测应重新初始化；采用三角支架对中整平，每次观测历元数应不少于 10 个；各次测量的平面坐标分量较差不应大于 2cm，高程较差不应大于 3cm，各次结果取中数作为最后成果。

4：像控点联测结束后的坐标应及时展点检查，防止出现粗差，确保下工序的空三加密能得以顺利进行。

3.5全自动空三建模及模型修饰

由于倾斜航空摄影测量由于摄影倾角大，影像变形严重；分辨率变化大，尺度无法统一；重叠数多，需要多视处理等特点，使其空中三角测量有异于常规数码航空摄影测量中的空中三角测量方式。常规的空三加密软件一般都不能实施，需要多视角航空摄影测量空中三角测量专业软件进行数据处理。全自动三维建模采用多机多节点并行运算的 ContextCapture Center 软件进行，将空三后的成果数据直接提交生成三维 TIN 格网构建、白体三维模型创建、自助纹理映射和三维场景构建。

ContextCapture Center空三建模流程如下：

空中三角测量采用 ContextCapture Center 软件，将相机参数、影像数据、POS 数据进行多视角影像特征点密集匹配，并以此进行区域网的自由网多视影像联合约束平差解算，建立在空间尺度可以适度自由变形的立体模型，完成相对定向；将外业测定的像片控制点成果，在内业环境中进行转刺，利用这些点已有区域网模型进行约束平差解算，将区域网纳入到精确的大地坐标系统中，完成绝对定向。

利用空中三角测量得到的每张影像拍摄时刻的位置及姿态，对同名点进行多像前方交会，进行空三加密测量，获得大量地物点密集点云数据。

利用密集点云获得的大量有向点集根据隐式函数框架来构建表面模型，结合外部有效边界线及内部约束地性线，应用平面曲率和坡形组合法依照不规则三角网模型构建原理，建立表面TIN模型。

表面模型通过摄影测量获得的密集点云构建得到，同时对于模型上的每个最小平面均能在对应原始影像集上找到匹配的纹理映射区域集，通过对映射区域集的处理，获得模型每个平面纹理映射的最优解。

当目标覆盖屏幕较小区域时，可以使用该目标较粗的模型对该目标进行描述，以便对复杂大场景进行快速的绘制。该模块对已生成的精细模型进行LOD分级，通过剔除、多边形简化等方式建立静态LOD模型库以实现大场景三维模型的快速浏览。

生产的模型应满足以下要求：

三维模型是根据倾斜影像匹配确定体块构模而成，地形、建筑物等模型一体化表示，模型的纹理以获取的航空影像表现。建筑物三维体块模型应完整，位置准确、具有现实性，应于获取的航空影像表现一致。

建筑物三维模型应精准反映房屋屋顶及外轮廓的基本特征。在 200m 视点高度下浏览模型，模型没有明显的拉伸变形。当所在区域建筑物较为密集，或建筑物较高，存在相互遮挡时，则无法获取遮挡部分建筑物的侧视纹理，相应的模型无法表现其全部的细节，允许出现些许的拉伸变形。

建筑物模型的高度与平面尺寸应于实际保持一致的比例，建筑物模型高度误差不超过 10%，并且完成的三维图像能够清晰的分辨重点装置情况。

4基于VRMap三维信息软件的1：1000地形图生产

1）空三计算：用光束法加密软件对区域网进行平差，将加密和定向成果存入计算机，供测图时直接调用。

2）内业测图：在VRMap实景三维地理信息平台上进行内业地形要素数据采集。采编所有地物外轮廓，测定房屋各房角点。对立体判测有疑问或影像模糊不易测定的地物，要加以说明或做出记号供外业补调，尽量为下工序提供准确、可靠、完整的数据。点状地物中心位置要求准确，线状地物要求线段连续，面状地物的测定要求图形连续且封闭，内业能定性的地形要素可直接标注图式符号。

3）外业地形图调绘：在外业现场进行100%的调绘和修补测，对个别简单易补测的新增地物可利用相关地物（需先检验其正确性）直接补测上图，并标注相关距离尺寸；对于毗连或成片新增地物可先圈出其大概位置，用全站仪全野外采集数据，外业画草图，内业编辑后再巡视检查直至最终成图。在用全站仪全野外补测新增地物时，测站点点位误差和精度要求不低于10cm。

4）房屋属性调查：所有房屋均调查确认房屋建筑结构[分为钢、砼、混、砖、简单房等五种结构；五种结构均要据实表示，一般规定为砼（7层以上）、混（4-7层）、砖（1-3层）]和层数，大楼有专有名称的注专有名称，无专有名称注单位名称、挂牌单位较多者选择主要的一个单位名称加注，农村地区的村委会所在地、企事业单位等需注名称。

5）将外业调绘修补测好的数字线划地形图在计算机上编辑成满足建库要求的1∶1000比例尺数字线划地形图（以下简称DLG）。

5对比分析

将基于无人机实景三维技术制作的DLG与采用全野外解析法实测的地形图进行比對，其坐标差值在允许范围内，能够满足1∶1000比例尺数字线划地形图精度要求。

6结束语

目前国内外已广泛开展倾斜摄影测量技术的应用，实景三维建模数据逐渐成为城市空间数据框架的重要内容。无人机倾斜摄影测量能在低空平稳飞行并获取获得高分辨率航空影像，具有机动灵活、高效快速、精细准确、作业成本低、适用范围广、生产周期短等特点，其三维建模成果直观反映地物的外观、位置、高度等属性，为真实效果和测绘级精度提供保证，是传统测量手段的有力补充。

参考文献

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（作者单位：江苏煤炭地质物测队）