无人机倾斜摄影技术在1∶500地形图中的应用

宁朝阳 李忠朋 朱文康

（河南思拓力测绘科技有限公司，河南 郑州 450000）

1 引言

城市1∶500 地形图测量是基础地形图测绘工作中要求最高、工作量最大的测绘工作。但因其含有详细的地形地物要素，又是城市规划、土地管理等工作必不可少的基础资料。目前，该项工作主要是利用全站仪、RTK 仪器等传统方式进行测量，测量时需要分成很多小组进行，工作量较大，对人员的数量和技术能力都有很高要求，经常会出现成果质量较差、精度分布不均匀和后期外业调绘工作量极大等问题。无人机倾斜摄影测量作为近年来测绘领域的热点新技术，主要利用多镜头倾斜相机搭载无人飞行平台，打破传统无人机航飞只能从垂直角度获取数据信息的局限，能够快速获取不同角度影像数据，建立实景三维模型，从而真正将外业实景和计算机相结合。

国内外对此 做了很多研究，《三维地理信息模型生产规范》（CH/T 9016—2012）中明确，三维地理信息模型是指能可视化反映有关地理要素在立体空间中的位置、几何形态、表面纹理及其属性的信息，包括各种地上主要地理信息的外表及地下空间，不含地上各建筑物地理信息内部[1]。朱庆、徐冠宇、杜志强等在《倾斜摄影测量技术综述》[2]一文中应用新型多线（面）阵、多角度数码相机（如ADS40/80、SWDC-5 等）为多视影像和大角度影像的获取提供了可能；同时高性能倾斜摄影测量处理系统（OPS，如Pictometry、MultiVision 等）的不断改进让倾斜影像的处理更加便利。利用最新的裸眼三维测图技术开展内业测量，可生产出满足精度的1∶500 地形图。

本文以河南思拓力测绘科技有限公司承接的湖北某市城区30 平方公里1 ∶500 测图项目为例，研讨整个项目作业过程，并对项目成果质量进行分析评价，以论证无人机倾斜摄影技术在1∶500 地形图测量中的应用优势。

2 技术流程

利用无人机倾斜摄影技术开展1∶500 地形图测量的技术流程如图1 所示。

图1 技术流程

（1）区域内控制点的精度符合以及补增控制点观测，提供合格的控制资料。

（2）采用多镜头数码航摄仪带 POS（IMU/GPS）辅助航摄系统，实施优于0.03 米地面分辨率的航空摄影。

（3）通过空三加密计算，利用建模软件生产实景三维模型。

（4）采用裸眼立体数字摄影测量技术测绘1∶500数字线划图（DLG），利用DLG 套合影像进行外业调绘、补测、编辑整理。

（5）利用测图成果文件编辑生成数字高程模型，制作正射影像图。

（6）将最终数字线划图进行数据入库。

3 项目实施及具体工作方案

3.1 项目概况

项目位于湖北省某地区，地处长江北岸，江汉平原东向边缘，地势东南高、西北低，沿河高、腹部低，东北局部丘岗星罗棋布，小湖交错，港汊纵横，东南部、南部及西部为江河冲积平原以及由湖泊淤积而成的宽阔平原，地势平坦，其高程在海拔20.7 ～26 米之间，总面积约30 平方公里，工期为3 个月。测区概况如图2 所示。

图2 测区概况

3.2 技术要求

建筑物模型的高度与平面尺寸应与实际保持一致比例，建筑物模型高度误差不能超过10%[1]。数字线划图精度应满足城市规划建设1∶500 地形图的需要。图根点相对于图根起算点的点位中误差不应大于5cm；地物点相对于邻近图根点的点位中误差不能超过0.25m；邻近地物点间距中误差不超过0.20m；图根点相对于图根起算点的高程中误差不应大于0.05m ；高程注记点相对于邻近图根点的高程中误差不应大于0.17m[3]。

3.3 外业航飞数据获取

3.3.1 航飞设备

测区已有D 级、E 级控制网可直接使用，外业飞行平台采用大疆生产的专业六轴飞行器M600Pro，无风环境飞行速度为18m/s，最高飞行高度2500 米。航摄仪采用成都睿铂RIY-DG3 五镜头倾斜相机，这是目前市面质量最轻的APS-C 画幅倾斜相机，镜头使用复消色差技术，能够大幅度提高镜头的锐度值，有助于与空三建模同名点匹配；正摄相机等效焦距为40mm，倾斜相机等效焦距为60mm，倾斜/正摄镜头比值为1.5倍，保证了倾斜和正摄采集分辨率基本一致。航飞设备如图3 所示。

图3 航飞设备

3.3.2 飞行计划

测区面积约30 平方公里，大疆M600Pro 一个架次飞行面积约为0.35 平方公里。为保证测区内重叠度，飞行时需外扩飞行高度80%的距离。计算得出飞行总架次约为126 架次。航高根据地表采样精度3cm 计算为214 米，地表采样精度4cm，飞行高度280 米。飞行计划如图4 所示。

3.3.3 像控点布设

外业像控点是数字三维模型精度的来源，为保证三维模型的数学精度，根据数字倾斜三维模型地籍测量项目的经验，采取飞行之前人工喷涂的方式布设像控点，布设间距控制在200 米左右。

3.4 数据处理及实景三维模型输出

将外业航飞采集的影像数据导入预处理软件，检查测区重叠度及照片质量。对于重叠度不合格及照片质量不达标的架次及时重飞。

图4 飞行计划

将预处理好的原始影像及POS 数据导入建模软件进行处理。经过空三计算、刺点、模型生产等步骤。利用ContextCapture 软件进行三维重建，通过多视影像联合平差、多视影像密集匹配以及真正射纠正[2]，利用计算机集群进行计算，最终获取生成osgb 格式的实景三维模型。空三建模如图5 所示，实景三维模型如图6 所示。

图5 空三建模

图6 实景三维模型

3.5 裸眼三维测图

将得到的DOM 和三维模型在EPS3D Survey 中经过简单的格式转换后进行加载。按照1∶500 测图规范要求，快速进行模型浏览和全要素DLG 数据采集，并同步编辑属性，最后的成果直接入库。测图流程如图7所示。

图7 测图流程

在实景三维模型下进行测量采集，可对模型进行各种角度的调整，以便采集的点位更加准确，采集信息更加全面，极大地减少后期外业调绘的工作量。裸眼三维采集如图8 所示。

图8 裸眼三维采集

3.6 外业调绘与图幅整饰

外业调绘按外业规范的相关要求进行。调绘内容包括测量控制点、独立地物、居民地、道路、水系、管线、垣栅、工矿建（构）筑物及其他设施、植被、地貌要素、居民地名称及各种注记说明调绘，以及新增地物的补测等。外业调绘结束后将内容上传到DLG中，同时对DLG 图面进行整理。

3.7 作业方法比较

如果采用传统方法开展1∶500 地形图测量，假设投入30 名技术人员，3 人为一个测量小组，每组每个月完成0.7 平方公里测图任务，那么，完成30 平方公里项目大约需要4.5 个月，如果考虑天气因素对外业工作的影响，工期将会更长。

而利用无人机倾斜摄影技术开展1∶500 地形图测量，前期外业航飞及像控测量只需投入4 名技术人员，数据处理三维建模投入1 名技术人员，内业采集投入10 名技术人员。各工作环节可以相互交叉，不等前一项工作完成即可开展下一阶段工作；大量工作转入室内作业，不受天气影响，极大保证项目进度，可确保3 个月内完成任务。

此外，和传统方法相比，利用无人机倾斜摄影技术生产的DLG 成果，极大减少了外业调绘工作量，以前1∶500 测图需要耗费大量时间的房檐改正等工作无需再做，很多路名、地名在内业采集时已经识别，外业调绘工作相对简单。

4 精度检验

为了验证利用无人机倾斜摄影技术作业的成果精度和质量，采用全站仪和RTK 开展野外作业进行实测验证，随机选取地物点进行平面精度、高程精度、间距精度检验，并邀请河南省质检部门对最终成果进行了质检。

4.1 平面点精度和高程点精度要求

一般地区、城镇建筑区地形摄影测量的基本精度如表1 所示。

表1 一般地区、城镇建筑区地形摄影测量的基本精度

4.2 平面精度检查

在测区平地、丘陵地任意选取10 个地物点，采用GPS（思拓力S3）进行高精度检测。平面精度检测结果如表2 所示。

表2 平面精度检测结果

4.3 高程精度检查

在测区平地任意选取10 个注记点，采用GPS（思拓力S3）进行高精度检测。高程精度检测结果如表3所示。

表3 高程精度检测结果

4.4 结果分析

分析对比发现，利用无人机倾斜摄影技术完成的1∶500 测图项目，平面和高程精度均满足相关规范要求，个别点位精度超限是由于通视度不够、三维模型质量下降造成的，可在后期调绘时进行实测改正。

5 结论

本文将无人机倾斜摄影技术应用于1∶500 城市地形图测绘中，以30 平方公里的实际项目为例进行验证，项目精度和质量均满足相关规范要求，证明了该技术应用的可行性。研究发现，利用无人机倾斜摄影技术开展1∶500 地形图测量的优势有：①外业技术人员投入和成图时间大幅度减少；②模型数据处理主要靠计算机完成；③内业全要素采集时可采集信息非常全面；④极大降低了外业调绘工作量；⑤用航测方法测绘高程精度达到规范要求；⑥全图精度统一均匀，不受外业技术人员水平影响。但是，利用该技术，地物遮挡严重或纹理单一时模型效果不好，存在空洞、拉花等现象，影响内业矢量采集判断，无法保证精度，需要对该技术进行进一步研究。