无人机倾斜摄影测量在大比例尺测图技术中的应用研究

苗小芒

（郑州工业应用技术学院 河南 新郑 451100）

1 引言

无人机倾斜摄影系统即无人驾驶航空器，其采用无线电遥控设备及计算机程序进行自主操纵，系统中安装导航装置及自动驾驶仪，并搭载高分辨率多视角航空摄影设备，提前规划好拍摄线路实现对目标区域的拍摄，获取相关地物纹理信息。该系统可快速采集到野外影像数据，再通过数据处理软件批量处理采集到的原始数据，最终获得符合要求的数字化产品。飞机拍摄时会将摄影设备拍摄瞬间的姿态角及地理坐标同步记录下来，利用Context Capture等专业航空摄影测量软件处理数据，再通过密集匹配、构建三角网、纹理映射等步骤，最终构建出测量区域的实景三维模型。无人机倾斜摄影测量系统集无人机技术、遥感传感器技术、POS定位技术及GPS差分技术为一体，大大提高了数据测量及处理的效率[1]。

2 无人机倾斜摄影测量系统的组成

无人机倾斜摄影测量系统的主要构成包括以下几个部分。

2.1 无人机飞行平台系统

无人机倾斜摄影测量系统对无人机飞行平台系统的基本要求就是平稳的飞行姿态及更强的抗干扰能力。无人机飞行平台包括机体、飞行控制系统、发动机、起飞着陆设备及其他辅助结构等。目前，大部分无人机飞行平台机体都采用重量较轻的玻璃钢与碳纤维复合材料，能够保证飞行平台的稳定性。飞行控制系统主要控制无人机的整个飞行过程，发动机则为无人机提供动力，起飞着陆设备主要用于无人机的起飞与着陆等。

2.2 导航及控制系统

飞行导航系统与控制系统包括飞控系统、GNSS接收机、GNSS/INS惯性导航系统及各类传感器，包括红外姿态、高度及速度传感器。飞行导航与控制系统的主要作用就是对飞行器的飞行姿态及飞行轨迹进行控制，以保证飞行任务顺利完成。其中GNSS/INS惯性导航系统主要对移动目标的空间位置及姿态进行测量，该系统可以向地面控制中心实时反馈曝光时刻影像的经纬度、飞行高度及姿态等数据信息。

2.3 任务设备及数据传输系统

任务设备的主要作用是采集、存储测量到的影像数据，包括摄影机、摄影机控制系统及相关辅助装置。目前无人机倾斜摄影测量系统中采用的任务设备包括专业级与非专业级两种，前者通常用于数字城市的构建，其拍摄的影像幅面更大，但是其成本高，目前普及应用还不现实；非专业级的航摄相机精度基本可满足一般的摄影测量要求。数据传输系统的主要作用是向地面计算机存储系统输出数据，主要输出内容包括无人机与遥感设备的飞行参数及采集到的影像数据，实时测量无人机的高度、方位、航速、航向、飞行轨迹、飞行姿态等。

2.4 地面监控系统

地面监控系统的主要作用是对无人机的飞行姿态进行监控，规划测量区域的航线，并针对突发情况进行实时响应处理。地面监控系统根据无人机的应用领域不同可分为大型系统与小型系统两种，前者主要应用于军事领域，后者更适用于民用领域，成本低、实用性更强。小型地面监控系统可对无人机的飞行情况进行实时监控，记录相关飞行数据；监控系统还具备导航地图功能及航线制定功能，监控人员可根据导航地图制定飞行航线，并判断无人机的精确位置，保证无人机工作过程中的安全性，提高工作效率。

3 无人机倾斜摄影测量系统作业流程

无人机倾斜摄影测量系统的作业流程包括制订测量任务、申请空域、航线设计、飞行作业、数据检查、影像处理及成果提交等步骤。航拍前技术人员要对被测量区域的基本概况有一定了解，确定测量范围后选择适用的摄影设备，确定摄影比例尺、航高、拍摄时间、无人机起降具体位置等。无人机飞行作业需经过空域部门的批准才能进行，申请通过后开始设计航线及飞行作业，根据数字航空摄影规范调整无人机的航高、像片重叠度、航线参数等[2-3]。

3.1 航高确定

航高是无人机倾斜摄影测量系统参数设置中一个重要参数，其包括绝对航高与相对航高、真实航高与摄影航高等，其中绝对航高是无人机相对于平均海平面的高度，相对航高则是指无人机相对于某一基准面的高度，真实航高是指相对于实际地面的高度，摄影航高则是指相对于摄影分区的平均平面高度。不同的航高计算公式也有所差异，实际应用时通常选择摄影航高，可根据下式计算：

式（1）中：H：摄影航高

f：物镜镜头焦距，由相机系统设定

GSD：航摄影像地面分辨率，由测图比例尺决定

a：像元尺寸，由相机系统设定

其中，测图比例尺决定GSD，通常成图比例尺为1:500，影像地面分辨率小于0.05 m；成图比例尺在1:1000，影像地面分辨率取值0.18～0.12 m；成图比例尺1:2000，影像地面分辨率取值0.15～0.25 m。

3.2 设置相片重叠度及航线参数

相片重叠度分为两种，即航向重叠度（纵向重叠）与旁向重叠度（横向重叠），其中航向重叠度是指无人机作业过程中，同一航线上有前后两张相邻的相片对应同一部分地面影像，虽然两张相片重叠部分对应同一地面，但是由于拍摄位置不同，所以相片影像也存在差异；旁向重叠度是指旁向重叠部分长度与整个相片长度的比值。由低空数字航空摄影规范可知，一般情况下无人机的航向重叠度为60%～80%，旁向重叠度为15%～60%，最小要大于8%。

3.3 航线参数设置

航线参数设置主要包括飞行航向及航线长度的确定，可用下式计算得出：

上式中，Bx：实地摄影长度；Dx：实地航线间隔宽度；Lx：像幅长；Ly：像幅宽；px：航向重叠度；qy：旁向重叠度；H：航高；f：物镜镜头焦距。

3.4 数据处理

无人机倾斜摄影测量系统采集到被测区域的原始数据后，要先进行影像质量的检查，剔除不合格数据，补拍不合格区域。影像质量检查会对最终的成果效果产生直接影响，而飞地质量、影像质量则是影响影像质量的两大重要因素，因此要仔细检查航向重叠度、旁向重叠度、相片倾角与旋角、航线弯曲度与航高差等飞行质量，也不能忽略影像清晰度、色调的一致性、层次是否鲜明或者反差是否合理等。此外，还要剔除重影、模糊、位置偏移、阴影、反光及存在明显不清晰点等影像问题，剔除后的影像如果会对后续建模及测图产生影响需要补拍；影像质量检查完毕后即可进行几何校正、区域网联合平差等处理，保证数据在三维空间中呈现出空间位置与姿态数据，最后相片上每个像素对应真实的地理坐标位置[4]。

4 无人机倾斜摄影测量系统在大比例尺测图技术中的应用实例

无人机倾斜摄影测量系统的应用实例为测区面积约1.5 km2的山地，测区范围内高差150 m，一至二层房屋面积占测区总面积的2/3，余者为较裸露地形。

第1步规划航线，结合所用的无人机性能及测区地形，任务区分为两个架次，旁向重叠度、航向重叠度取80%，地面采样分辨率0.05 m，规划时为保证测区边缘模型的完整性可将航线外扩两个航高。第2步测量像控点，根据范围线与地形情况设置23个像控点，每个像控点间距300 m。采集像控点时在测区随机均匀采集35个平高点作为检测点，主要是可以明显反映在地形图上的点位，比如房角点、道路交叉口等。第3步获取影像数据，按照规划好的航线拍照，采集数据；数据采集完成后查看影像质量，经过剔除、处理最终获得有效影响15895张，整理POS数据，POS与影像一一对应。第4步采用Smart3D2019、EPS自动化建模软件进行建模，先对两架次影像进行重命名及预处理，整理POS数据，加载影像并将POS数据导入系统，提交空三任务，解算空中三解测量任务，导入23个像控点，并进行像控点点位转刺，提交平差任务，像控点平面中误差控制在0.005 m，高程中误差控制在0.003 m；提交重建任务，确定平面规则格网划分方式，最终完成实景三维模型。第5步制作大比例尺地形图，将第3步完成的三维实景模型恢复到EPS软件中，通过其中的三维采集功能的五点房命令采集模型数字线划图，采集完成后进一步完善房屋属性；基于模型上打点采集高程，经出裸露地形范围线设置高程点密度，系统可自动提取高程点；基于正射影像采集平面位置，通过淹没的方式采集等高线；如房屋有房檐直接在EPS软件中改正即可。针对无法精准采集的点位可以通过空三成果采集立体像；针对无法辨别的独立地物属性，则需要进行补测，最终得到完整的地形图成果。最后，利用35上平高检测点对采集地形图成果进行精度检测。本研究中，35个检测点很好地满足了1:500地形图的精度要求[5]。

5 结语

综上所述，在大比例尺地形图测绘工作中应用无人机倾斜摄影系统能够更好地满足测绘需求，获得详细的地形地貌资料。当然，在实际工作中技术人员要不断探索无人机倾斜摄影技术应用的新思路、新方法，以更好地改进大比例尺地形图的测绘质量。