无人机倾斜摄影测量在三维模型测图中的应用

原明超，仇 俊

(湖南省第一测绘院，湖南 长沙 410000)

无人机航摄系统通过无人机搭载传感器设备，从多角度获取高分辨率和多方位的影像数据，通过相应的内业处理软件建立真实的带有精确地理坐标值的三维可量测实景模型，并在此基础上运用裸眼三维采编软件在模型中直接测量坐标、采集成图。由于实景三维模型能多角度查看地物，在正射影像中无法采编而需要到现场调绘的房屋结构、屋檐、飘楼、阳台、层次等细节信息，都可以直接在三维场景下采集、标注，这就大大减小了外业调绘的工作量。无人机倾斜摄影裸眼三维测图，相比传统测量具有机动灵活、节省外业工作量、劳动强度低、生产效率高、精度高、测量限制少等优点，避免了野外测量受天气影响大、劳动强度大、安全隐患多、工序复杂、成本高的缺点。该技术手段在数字城市、智慧城市、不动产测绘、城市规划、国土资源管理、拆迁、建设等需要大比例尺地形图的项目中具有广阔的应用前景。

1 技术路线

利用无人机倾斜摄影技术，实现大比例尺裸眼三维高精度测图的技术流程大体包括倾斜摄影、像控点测量、空三加密及建模、内业采编、外业调绘5方面内容。

1.1 倾斜摄影

1.1.1 前期准备

收集和分析航摄区域的自然地理概况、技术设备情况，制定详细的航摄计划，根据测图需要提出航摄要求，得到相关部门批准后，划定航摄分区，分析确定航摄精度指标、主要技术参数，并确定分区摄影基准面的高度。分区摄影基准面的高度以分区内具代表性的高点平均高程与低点平均高程之和的1/2求得[1]。

1.1.2 试飞、试摄

按要求敷设航线，确定飞行高度，铺设地面航摄标志后进行试飞、试摄。选取视野开阔且地势平坦处作为飞机停机位，此时视场内障碍物高度角不应大于15°。试飞、试摄后应对所获成果进行分析研究，确认各项设备符合正常工作状态后，方可开始正式航摄[1]。

1.1.3 正式航摄

选择本摄区最有利的气象条件开展航摄，确保航摄照片能真实地显现地面细部。飞行期间机载GPS接收机数据采样间隔不应大于1 s,飞机上升、下降速度不能大于10 m/s[2]。航摄飞行过程中应及时观察无人机作业情况，注意无人机蓄电池耗电情况及航摄像片连续性等，重点观察GPS信号失锁现象，如出现异常情况应及时作出相应处理。航向重叠度一般应达到60%～65%，建筑遮挡问题严重的建筑密集区域，航向重叠度可增加到80%～90%，以减少因航向重叠度设计不足而造成的建筑模型几何结构粘连[3]。当高层建筑物的高度大于航摄高度的1/4时，可采取增加影像重叠度和交叉飞行增加冗余观测的方法[3]。旁向重叠度一般设置为30%～35%，航线弯曲度不大于3%。飞行时应尽量保持同一航高，同一航线上相邻像片的航高差不应大于20 m，最大航高与最小航高之差不应大于30 m。航向覆盖应超出摄区边界线不少于一条基线，旁向覆盖超出摄区边界线一般不少于像幅的50%。航摄过程中出现的相对漏洞和绝对漏洞应及时补摄，漏洞补摄应按原设计要求进行[1]。

1.2 像控点测量

像片控制测量是在实地测定用于空三加密的像片控制点平面位置和高程的测量工作。利用航测方法实现1∶500地形图测绘，必须引入高精度的控制点参与空三解算。理论上高精度的像控点越多，空三解算越准确，但考虑到实际作业效率和生产成本，像控点应合理分布并保持合理数量。像片控制点选择时应注意以下问题：

(1)像片控制点的目标影像应清晰易判别，控制点应设在航向及旁向6片重叠范围内，如果选点困难，可以选在5片重叠范围内。

(2)像片控制点距像片边缘不小于1～1.5 cm。

(3)控制点应选在旁向重叠中线附近。

(4)控制点距像片的各类标志应大于1 mm。

(5)位于自由图边、待成图边及其他方法成图的图边控制点，一律布设在图廓线外。

1.3 空三解算及建模

相对传统垂直摄影而言，倾斜摄影空三解算自动化程度更高，算法复杂，计算量大，人工干预少。以POS辅助空中三角测量为例，将机载POS提供的6个外方位元素视为观测值引入摄影测量区域网平差中，利用后处理软件采用统一的数学模型和算法实现对获取的多视影像的自动匹配，得到同名连接点，构建自由网，实现倾斜摄影影像的空三加密。

以ContextCapture系统进行三维建模为例，新建工程，依次导入影像、像控点，选择合适的像片刺点，打开ContexrtCapture CenterEngine进行两次空三处理，新建重建项目，选择相应的坐标系统，软件会自动构建高分辨率的三维模型、DOM及DSM,并可通过Smart3D Capture Viewer查看生成的模型、提取坐标、量算距离等。

1.4 内业采编

目前国内已研发的大多数实景裸眼三维采集软件主要采用墙面获取建筑物拐角或直接采集建筑物拐角的方法获取建筑物轮廓范围线。相比传统测图，该作业模式能够实现360°无死角视图作业，对同一地物可通过不同角度进行点线量测，极大地节省了外业工作。

1.5 外野调绘

以内业采集数据为底图进行实地调绘，对内业不能准确绘制的地形地物进行查缺补漏，最终完善地形图。

2 应用实例

2.1 整体实施情况

湖南省桂阳县数字桂阳地理信息基础工程建设项目需要测绘高精度的1∶500地籍图，本文选取桂阳县的欧阳海镇为生产区进行分析，技术路线如上文所述。测区城镇部分2.6 km2，地势相对平坦，地面要素主要以居民地、耕地为主。测区DOM如图1所示。

图1 测区DOM

本次无人机选用大疆精灵4RTK小型航测无人机，该机是一款小型多旋翼高精度航测无人机，具备厘米级导航定位系统和高性能成像系统，本次航摄飞行高度为80 m，数据建模选用ContextCapture软件，所建实景三维模型成果如图2所示,所获真正射影像如图3所示。

图2 实景三维模型

图3 真正射影像

内业采编选用湖南中图通地理遥感信息服务有限公司的PSG 3D 2019裸眼三维航测系统，该系统直接与AutoCAD、南方CASS等软件结合,摆脱了传统三维采编中立体眼镜的束缚，实现了多窗口二三维联动采编。二三维联动采编如图4所示。

图4 二三维联动采编工作界面

2.2 问题及解决方法

首次试飞建模后发现模型精度未能达到1∶500地籍测图的要求。经分析得出以下结论：

(1)地面像控点人工标志未采用标准的对三角形标志，导致内业刺点精度不高，且地面像控点密度不足。

(2)无人机航摄飞行方向不足，只飞行了1个正摄方向3个倾斜方向，导致模型出现较多粘连现象。

(3)林下房等遮挡地带无法实现内业完整采集。

综上所述，本文在正式航摄和后期作业过程中合理地加大了地面像控点的密度，并采用强制对中的方法实测地面像控点；采用标准的对三角形地面人工标志以便内业精准刺点，地面人工标志如图5所示；航摄采用1个正摄方向4个倾斜方向的5方向飞行方案；对于林下房等遮挡地物，通过三维模型的翻转选取合适的角度量取1～2个房角点，后期通过调绘补测的方法完善地形图。

图5 人工标志形状

3 精度分析

为保证精度的准确性及可靠性，验证倾斜摄影测量裸眼三维采集所能达到的精度，笔者对测区内的特征点进行了打点检查，包括平面点94个、高程点30个，见表1、表2。

表2 高程精度检验 m

表1 平面精度检验 m

经统计，检测点平面位置中误差为0.046 m，其中最大平面位置误差为0.097 m，最小平面位置误差为0.003 m；检测点高程中误差为0.048 m，其中最大高程误差为0.09 m，最小高程误差为0.02 m。由此可见，成果满足1∶500地籍测图精度要求。

4 结 语

本文讨论了基于无人机倾斜摄影测量构建裸眼实景三维模型测图的方法，并以欧阳海镇1∶500地籍图测量为例，分析了所绘地形图所能达到的精度水平。实践证明，该技术路线可行，精度符合相关规范要求。该方法相较传统测绘大大减少了外业工作，整体效率有所提高，同时还得到了高分辨率DOM、实景三维模型等附加产品。

目前无人机倾斜航空摄影测量仍然存在续航时间短、监控距离短等局限性。为了得到更高精度的模型往往以降低飞行高度的方式获取更清晰的像片，但航片增多的同时降低了建模效率，加大了数据冗余。以上局限将随着镜头像素的提升与电池续航能力的提高而逐步解决[4]。另外，采编成果的精度依赖于三维模型的精度，如何高效获取高精度三维模型是今后探索的趋势。