无人机倾斜摄影测量技术在大比例尺地形图测绘方面的应用

郑方亮

摘    要：在无人机技术产生之前，相关的地理获取工作主要使用的就是人工进行采集，而这种工作模式，存在着许多的问题，成本高，生产时间长，以及程序复杂等等，而这些问题对整个地理信息获取的工作，带来了巨大的难度。而随着科技的逐渐发展，对于地理信息的精度和时效性要求也越来越高，所以随着科技的不断发展，人们逐渐发明了无人机，而无人机在使用在地信息获取的工作中，成本较低拍或拍摄范围较广，飞行速度慢等各种各样的优点，比以往的人工作业模式，更加的适合地理信息获取的工作。总体来说使整个地理获取工作变得更加容易，为地理信息获取工作，提供了巨大的发展。本文以海宁大比例尺地形图采集项目为例进行试验分析，证明利用无人机倾斜摄影测量技术采集的大比例尺地形图精度满足规范要求，成图效率大大提高。

关键词：倾斜摄影;数字正射影像;数字三维模型;无人机

1  引言

大比例尺地形图测绘方法较多，但常规的方法相对费时费力，很难满足当下测绘市场的需求。倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术，它颠覆了传统航空摄影技术，融合了正射和倾斜影像，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、倾斜等不同角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息。特别是近年来，随着小型低空无人机技术的快速发展，搭配以高分辨率非量测型数码相机，使得低空无人机航摄技术在大比例尺地形图测绘方面得到广泛的应用，也因为其具有方便快捷、成本低、工作量小、反应迅速等特点，使得它在小区域、地形条件复杂、人难以到达等地区的高分辨率影像获取方面具有明显优势，成为对传统航空摄影测量技术的有效补充。低空无人机倾斜摄影测量技术可以快速，准确地获取一定精度的大比例尺地形，是现阶段测绘地理信息行业内探讨较多的话题。

2  倾斜摄影原理及特点

2.1  倾斜摄影原理

无人机摄影技术的原理就是在无人机飞行平台上，通过多个数码相机，以垂直或者倾斜等多种角度来对地物进行拍摄。而在拍摄过程中，比较常用的五镜头倾斜摄影系统充分结合了无人机平台的GPS/IMU系统，由此来获得POS数据以及相关图像控制点的数据，然后再通过相应软件来对数字表明模型和数字正摄影图像和3D模型进行有效的处理。

2.2  倾斜摄影测量技术特点

其一就是其拍摄的图像立体效果更加真实，能够对人类的感知能够以更加真实的状态反应出来;其二就是能够为建模提供的纹理信息更加真实而且丰富;其三就是能够充分实现高精度的测量工作。此外，无人机能够充分实现低空遥感操作，而且不仅操作起来比较简单，而且可操行也比较强，图像采集的周期大幅度缩短。由此我们可以看出，通过无人机摄影技术来获得真实的三维模型，同时使用矢量绘图平台来获得地形图所需要的相关元素，能够在很大程度上改变传统测量技术所存在的不足，在很大程度上提高了测量的效率和测量的质量。为工程建设的顺利开展提供了更加有效的数据支持。

2.3  倾斜相机的性能要求

在倾斜摄影系统中，其镜头的数量和类型有很多中，不仅有多头的，而且还有单头的，能够通过不同角度来获得图像，并且能够实现单架次操作的广度和深度。一般在无人机实施航空测量工作时，其像素会控制在3500万以上，因为倾斜摄影技术是对一次曝光获得影像像素实施控制，所以在测量过程中不能对单一相机的像素进行固定，而对其工作的时间，电池的寿命以及曝光的功能和图像的采集等功能则可以实施限制，虽然器械曝光能够获得更好的更高的像素，但是因为成本，还需要对其进行适当的控制。通常情况下，单个镜头的像素要控制在2000万以上，而一次曝光的像素也要控制在1亿。此外为了满足特定条件下的测量需要，相机的作业时间也要控制在90分钟以上，并且要确保其能够全天候的作业，而且只有具有曝光功能的相机才能充分满足影响重叠度的具体要求。

3  无人机倾斜摄影测量技术在大比例尺地形图测绘中的应用

3.1  关键技术

3.1.1  倾斜影像数据获取

倾斜影像数据获取是在同一飞行平台上搭载多台传感器（通常是采用5台相机或五镜头相机），同时从各个角度获取地物、地貌的垂直和倾斜影像以及位置信息，垂直地面拍摄的影像称为正片，镜头朝向与地面成一定夹角拍摄的影像称为斜片。

3.1.2  倾斜影像密集匹配

与传统摄影测量相比，倾斜摄影测量使地面上的物体几何变形大，分辨率变化大。而这样一来，就使相关的匹配工作十分难以完成。所以为了更好的使用倾斜摄影的方法，解决相关的问题，就提出了密集匹配技术，使用密集匹配技术可以，获得高精度和高密度的数据。使整个地面上的物体呈三维立体。这种方法比以往的传统摄影测量方法更加便捷，对于物体的描述也更加的清晰，精度更高，更加适合目前地理信息获取的方式。能够进一步促进这个行业的发展。

3.1.3  生产三维模型

再对所拍摄的影像进行处理后，就可以进行三维模型的生产，利用所获取的影像数据，将数据进行加工，使其变成三维模型，而三维模型主要分为两种，一种是作为纹理生产的三维模型，而另外一种，利用相关软件获得三维模型，而这两种三维模型在不同的领域中都可以发挥着不同的作用，为整个行业进一步的发展提供了技术保障。

3.1.4  倾斜影像数据处理

倾斜影像数据处理是将正片与斜片进行多视角影像联合平差、多视角影像密集匹配、TIN三角网构建、3D纹理映射等过程，以此生成基于倾斜影像纹理的“全要素、全纹理”实景三维模型，实现三维可量测。与人工建模相比，倾斜摄影自动化建模具有高效率、高精度、高真实感和低成本的优势。

3.2  精度分析

利用倾斜摄影测量技术生产大比例尺地形图，其精度是否符合相应的《规程》、《规范》的要求，我们通过在海宁项目的测区范围内利用RTK技术，采集相关明显地物的特征点与倾斜摄影测量技术采集的相应特征点进行比较分析，结果如下：（1）高程精度统计。高程点检查，共检查1503个，经计算，粗差点9个（按一类地物），粗差率0.6%，中误差为±11.0cm，精度达到规范要求。（2）平面精度统计。地物平面点位检查，共检查5374个，经计算，粗差点77个（按一类地物），粗差率1.4%，中误差为±2.6cm，精度达到规范要求。

4  结束语

本文采用无人机倾斜摄影建模方法进行大比例尺测图技术路线具有可行性，精度能满足大比例尺测图规范要求。但其在大比例尺测绘领域的应用处于起步阶段，应用深度和广度还有待于进一步拓展，但其高分辨率和高机动性是其它遥感技术无法比拟的。因此，值得对其工程化应用做进一步研究。

参考文献：

[1] 徐思奇，黃先锋，张帆等.倾斜摄影测量技术在大比例尺地形图测绘中的应用[J].测绘通报，2018（2）：111～115.

[2] 王明，黄文钰，贺春林等.四旋翼无人机航摄技术在大比例尺地形图测绘中的应用[J].西北水电，2017（6）：34～36.

[3] 谭金石，黄正忠.基于倾斜摄影测量技术的实景三维建模及精度评估[J].现代测绘，2015（5）：21+24.

[4] 康学凯，王立阳.无人机倾斜摄影测量系统在大比例尺地形测绘中的应用研究[J].矿山测量，2017（6）：44+47.

[5] 马静，石莹.浅谈倾斜摄影测量在大比例尺地形图测绘中的应用[J].测绘标准化，2017（3）：46～48.