无人机倾斜摄影测量关键技术及工程应用探究

赖春晓

广东省测绘技术公司 广东 广州 510075

引言

倾斜摄影测量技术是近年来发展起来的一项高新技术，倾斜摄影技术三维数据可真实反映地物的外观、位置、高度等属性，比传统测量技术更优异，它是利用三维空间的立体模式对测量模型进行创新，这种技术具有很大的应用价值。本文分析倾斜摄影测量技术的相机标定、图像定位、飞行计划、影像采集、产品生成等关键技术流程，同时结合工程实例综述了目前无人机测量技术应用的研究进展，并指出了无人机测量技术的未来发展方向。

1 无人机倾斜摄影测量技术概要

无人机摄影技术的特点是能够在同一平台上安装多个影像采集传感器，还可以从各个方向拍摄图像，超越了传统航空摄影的范围。无人机倾斜摄影测量技术是按照倾斜的4个方位加上竖直方向的观测来提供有效的信息图像，比传统的航空摄影更具有真实性，能够从各个方位获得高分辨率的图像信息，突破了传统航测单相机只能从垂直角度拍摄获取正射影像的局限。还能自动生成三维数字模型，节约人力、效率高，能极大地缩短测绘外业的协同工作，解决了由于天气等外因造成的工作延误，把原本大量的外业工作转变成内业工作，极大地缩短了测量人员的劳动时间，降低了外业劳动强度[1]。

2 无人机倾斜摄影测量关键技术流程

人机倾斜摄影测量技术的实施流程包括相机标定、图像定位、飞行计划制定、影响采集、三维模型与4D产品生成等步骤，如图1所示。

图1 倾斜摄影测量技术实施流程

相机标定又称相片内定向，目的是复原相片与镜头的位置关系。主要有自检校、预检校和两者相结合的三种方式。自检校精度较低、可靠性较差，目前多使用预检校的方法，该方法多基于室内的标定板和标定场，利用不同主距下的内方位元素值，获得畸变系数随主距变化的规律。

图像定位也称为影像的外定向，目的是确定影像间的相对姿态和位置关系。Onyango等（2017）提出一种无人机倾斜摄影的匹配定位方法，为增加数量和提高通信质量，使用滤波器对图像进行预处理，并对不同的方案和相应的精度进行了比较。

飞行计划包括飞行高度、线路和速度、影像采集角度、相机参数、拍照频率、影航向和旁向像重叠度的设计。Shen等（2017）利用混沌遗传算法改进的人工鱼群算法可避免动态目标的打击，能够有效地避免在飞行空间中随机移动的目标，并验证了该方法的可行性和有效性。

影像采集。无人机平台的负载能力和飞行平稳度是影响影像采集质量很重要的因素。连蓉等（2014）利用四旋翼无人机系统的低空航空摄影技术，通过两种不同的POS系统与历史数据进行对比，研究了四旋翼无人机在空中三角测量后获得正交投影图像的可行性，并对结果进行了评估。

产品生成。无人机倾斜摄影测量的产品生成过程包含表面重建、4D产品生成和特征提取。Turner等（2014）对用于生成产品的后期处理软件进行了比较研究，采用搭载佳能550D相机的Oktopter无人机获取超高分辨率影像，用Photoscan、Pix4D web service和一种内部打包机方法对同一组影像进行处理，发现Photoscan不仅操作最容易、运算速度最快，而且处理的结果具有较高的精度[2]。

3 无人机倾斜摄影测量技术的工程应用

无人机倾斜摄影测量技术具有低成本、灵活机动、实时性强等特点，在数字城市建设、桥梁检测、滑坡调查、地形图测绘等多个工程领域得到广泛的应用，下面重点结合倾斜摄影测量技术在大比例尺地形图测绘中的应用进行分析。

3.1 测区数据获取

依照倾斜摄影测量的技术参数和流程，选取广东省某县部分区域进行地籍数据采集和精度评定。所选测区面积1.08km2，地物类主要是房屋建筑、道路、耕地，地势平坦，无复杂地形。选取晴朗、能见度高、风力小的天气进行数据采集，保证像片无大面积云影、烟和反光等缺陷。将相片导入软件中完成三维建模和地籍要素采集。试验使用六旋翼航测无人机搭载倾斜双相机，利用两台全画幅相机依次前下后摆动60°，一个周期采集6张不同角度的地物航空影像，达到6台相机同时工作的效果，原理如图2所示。

图2 倾斜双相机周期摆动设计工作原理

3.2 测量关键技术

无人机倾斜摄影测量系统自身特点决定影像处理方式与传统航测方法不同，本文采用Smart3D Capture软件完成空三、实景三维模型建立、点云生成，导入Geoway 3D Mapping软件完成地理要素矢量化、地形图分幅整饰等。

试验第一个关键技术是将POS检校解算后的倾斜像片导入Smart3D Capture软件中进行空三加密、模型快速化一体生产、模型数据局部修整及少量人工干预处理，联机运算一周由9236张1km2的真彩色航空相片生成点云和OSG格式的实景三维模型[3]。

试验第二个关键技术是将实景三维模型和点云导入Geoway 3DMapping软件中，按照《国家基本比例尺地图图式第1部分：1∶500、1∶1000、1∶2000地形图图式 GB 20257.1—2007》规范中 1∶500 地形图要求，参照点云和三维模型完成全要素矢量化采集。

测区在县城中心，地物类主要是房屋、道路和植被，没有复杂地形。1km2的测区由5名采编员耗时5d手动采集整饰，得到6.08MB的DWG文件。

整理完成的数字线划图，汇集需补测的问题交给外业调绘补测，最后修改整饰地形图，完成测图工作。

3.3 大比例尺地形图精度评定

为确保试验数据的精确性，需要对成果图进行数学精度的验证。为保证界址点点位精度检验的准确性，依照“均匀分布”的原则在测区内选取219个界址点做精度评定，对利用倾斜摄影进行大比例尺地籍测量所获界址点坐标数据进行精度检验，计算图上获取的点位坐标数据与实地对应点坐标数据差值。计算可得界址点的点位等精度中误差为±2.3cm，高精度中误差为±3.3cm，界址点点位中误差满足国家规范要求，通过实测冗余数据充分证明倾斜摄影测量可以在大比例地籍图上应用。

本试验选取30组界址点进行间距精度评价，利用卷尺和钢尺等测量工具实地测量界址点之间的距离数据，与大比例尺图上获取的数据进行较差计算，计算可得界址点，间距等精度中误差为±2.7cm，高精度中误差为±3.8cm，界址点间距中误差满足国家规范要求，数据有效证明倾斜摄影测量在大比例地籍图上应用的可行性[4]。

4 无人机倾斜摄影的发展和应用展望

目前，无人机倾斜摄影测量技术已经取得了长足进步，精度、效率、成本上的优势有了进一步的增强。在未来的发展中，除了需要在加强软硬件方面来改进倾斜影像处理能力和提高信息提取能力；在行业规范方面，更需要解决无人机使用服务和管理监督不规范问题。而随着倾斜摄影技术的进一步发展，原有的很多应用都将迁移到倾斜摄影技术上，并且还将继续开拓出更多新的应用模式。譬如利用效果好的倾斜摄影真实模型结合三维眼罩等虚拟现实装备可实现实现沉浸式三维体验；随着倾斜摄影技术精度的提高和倾斜模型数据的丰富，基于完全符合现实状况的倾斜模型数据将可能实现对汽车自动驾驶和无人机快递，再一次对行业进行颠覆；倾斜摄影技术在互联网方面将随着倾斜模型的保密性问题解决，以及 5G 网络的发展，中国互联网地图很快升级为三维地图，地图上所见即所得的真三维场景将被广泛普及[5]。

5 结束语

倾斜摄影作为在传统航空摄影之上发展起来的新技术，由于其增加了不同角度的相机拍摄，使得采集的信息更全面，并在自动化建模软件的支撑下能快速、低成本的构建出逼真的三维模型，从而使得倾斜摄影技术得到蓬勃发展，并具备广泛的应用前景。可以说，倾斜摄影开辟了一条地理信息应用的新道路。

综上所述，随着科学技术的发展，无人机倾斜摄影测量技术已得到广泛应用，且在多个领域都发挥着重要作用。通过无人机航空摄影测量技术在倾斜摄影测量技术在大比例尺地形图测绘中的应用和研究，探索出更加高效方便快捷的测绘途径。高效、低成本的无人机航空摄影测量技术必将在高精度的测绘方面将得到更广泛的应用。