无人机倾斜摄影测量在1:500地形图测绘中的应用

孙俭文

(天水三和数码测绘院有限公司,甘肃 天水741000)

随着数字城市、智慧城市、美丽乡村、国土空间规划项目的开展，人们对测绘产品的需求越来越多，且精度要求越来越高，成果时效性越来越强[1]，但是传统的作业方式效率低、风险高、成本高、外业工作量大[2]，对于有的地区，数据难以获取，无法满足产品的更新需求。传统的垂直摄影方式，可以完成1:1000比例尺测图任务，但是很难实现1:500地形图的精度要求。随着无人机技术和相机制造技术的迅速发展，传统的垂直摄影方式逐渐被倾斜摄影所取代。倾斜摄影可以获取更多的地物信息，且飞行航高低、重叠度高，可以更加充分地表现地形地物，利用倾斜摄影数据生产的实景三维模型，信息丰富，精度高[3]，可以尝试用实景三维模型生产1:500比例尺的地形图。本文依托国土空间规划项目数据为实验数据，进行倾斜航摄，然后生产实景三维模型，基于模型生产地形图，并对地形图的精度进行检测，结果表明通过本文的作业方式，可以生产满足1:500精度需求的数字线划图，且成产成本低、效率高、周期短，有效解决了目前对地形图需求时效性强的难题，可以更好地为地形图的生产提供保障。

1 无人机倾斜摄影技术

1.1 无人机倾斜摄影原理。无人机倾斜摄影是相对传统的垂直摄影来说的，即在无人机飞行平台上挂载多视角航摄相机，从前、后、左、右及下视五个角度采集影像[4-6]，获取地物、建构筑物多个角度的视角信息。其中四个侧视镜头主要获取建构筑物的侧面纹理信息，减少侧面视角的盲区，下视镜头主要从垂直角度获取建构筑物的顶部信息。考虑到侧视相机获取的影像变形严重，倾斜像片近点和倾斜像片远点的地面分辨率不一致，侧面纹理信息获取更加丰富，侧视镜头与垂直镜头最合理的夹角为45度。

1.2 倾斜摄影建模。倾斜摄影建模是指借助建模软件，通过自动化或半自动化的方式将倾斜影像制作为三维模型，由于影像纹理信息被真实还原，所以该类模型被称为“实景真三维模型”。建模过程中主要包括的关键步骤有：数据预处理、多视角空中三角测量（金字塔创建、特征点检测与提取、特征匹配与自由网平差、像控点转刺与平差）、多视影像密集匹配、多视影像联合平差、稠密点云生成、点云抽稀与不规则三角网构建、白膜生成、纹理映射与格式转换输出。

2 基于倾斜摄影的大比例尺测图流程

该部分主要包括外业数据获取和内业数据处理，具体流程见图1。

图1 倾斜摄影大比例尺测图流程图

3 项目实例验证

3.1 数据概况。本次实验数据属于核心城区，建筑物高度最高100米，航飞150米，垂直镜头获取的影像分辨率为0.05 米。航向、旁向重叠度均为80%，像控点采用喷涂方式，间距400-500米均匀布设。采集10个特征点作为空中三角测量精度的检测，采集35个特征点检测后期生产的地形图精度。

3.2 软件概括。Context Capture软件是目前用户最多的一款软件，具有自动化程度高、生产数据效率高、空三精度高、模型纹理真实细腻、输出模型格式多等特点。

EPS软件是目前主流的裸眼测图软件，其模块多、功能完善，支持实景三维模型、DOM+DEM、点云数据直接采集地形图，同时也支持基于立体像对的虚拟环境采集地形图，并且是基于数据库采集，带有编辑质检功能，可以实现采编入库一体化。

3.3 空三加密及精度检测。空三加密主要分两部分：一是自由网下的空中三角测量，二是在控制点环境下，对自由网坐标系进行转换，使空三成果符合生产要求。在本次数据生产中，结合以往生产经验，对影像按照像控点分布进行分块，每块照片数量在1万张左右，这样可以确保在空三成功解算的前提下，使分块数量最少，提高空三解算效率。对于像控点的转刺，本次使用的是Context Capture V10.17 版本，可以对所有像控点点位进行预测，因此一次性全部进行了转刺，对位于影像边缘的点位未进行转刺，这样可以较好地提高空三的平差精度，获得精度更高的空三加密成果。

本次使用10个特征检测点对空三精度进行检测。导出平差精度合格后的空三成果和未畸变照片，将空三成果恢复到DP软件中，对10个特征点点位坐标进行提取，然后和外业采集的坐标值进行计算，求出其较差值，具体见表1。

表1 空三加密成果精度检测表

通过表1可以看出，平面最大较差为20.6 cm，高程最大较差为17.6 cm，精度均满足1:500地形图精度要求，符合精度要求，可以在此基础上生产三维模型。

3.4 三维模型生产。平差成果精度合格后，开始生产实景三维模型。首先设置成果坐标框架，选择规则平面划分瓦片方式，根据实验电脑内存，设置瓦片大小为150m*150m，约占内存16G，本机电脑内存为32G，可以满足对电脑配置的需要。设置瓦片坐标系原点，用于决定瓦块命名的起点，确保后续生产的瓦片可以放到一起，做到瓦片不重不漏。贴图质量设置为100%，确保生成的模型纹理分辨率最高。在几何简化设置里，选择平面，容差设置改为0，单位为米，这样可以最大程度上保留建筑物的边缘信息，确保采集精度可以更高。选择模型格式为*.OSGB，此格式金字塔层级多，可以更快浏览，加载迅速，且目前大多数采集软件只支持此种格式。坐标原点需要设置为一个指定的数值，这也方便后期接边处模型合并后，相对位置、绝对位置坐标合适。待模型生产完成后，再提交正射影像生产任务，得到正射影像成果。

3.5 大比例尺地形图生产。打开EPS软件，选择1:500标准数据库，将OSGB格式的实景三维模型加载到清华三维EPS软件中，然后再加载超大正射影像，然后基于EPS软件在实景三维模型上进行地形图的采集。加载的正射影像，可以作为参考，查看采集的成果是否套合合适。根据个人习惯，也可基于正射影像图采集平面地物，如道路、井盖等。采集完成后，将成果以图纸的形式输出，提供给外业调绘组，对成果进行调绘。外业主要调绘井盖属性、丢漏的井盖、路灯、电杆等，并对电线属性等进行调绘，然后基于EPS软件，结合调绘成果，对地形图成果进行完善，利用EPS质检模块，对地形图中存在的问题进行修改、编辑，直到成果合格。

4 地形图精度检测

此处精度检测，主要是检测倾斜摄影方式生产的成果是否符合1:500地形图生产需求，利用35个检测点，对地形图成果精度进行检测，检测结果见图2。

图2 地形图精度检测柱状图

通过图2中的柱状图可以看出，高程最大残差未超过35cm，平面点位最大残差未超过25cm，均满足1:500地形图精度要求，说明本文的方法可以满足1:500比例尺地形图数据的采集。

5 结论

本文以国土空间规划需要生产DLG为目的，采用倾斜摄影方式，利用Context Capture软件生产实景三维模型，然后利用EPS软件基于实景三维模型进行地形图采集，最后进行调绘和编辑。对完成后的地形图精度进行检测，检测结果表明，此种方式生产的地形图，可以满足1:500地形图精度需求，可以为生产大比例尺地形图提供一种作业方式，减少外业工作强度，提高生产效率。