无人机倾斜摄影测量技术在基础测绘中的应用

程 颖

近年来，随着我国信息技术的蓬勃发展，使无人机技术在各个领域得以广泛应用。无人机倾斜摄影测量技术结合了无人机和倾斜摄影技术两者的优势，在无人机飞行过程中，采用倾斜摄影的方式获取高重叠地形地貌影像数据的采集，利用自动实景三维建模和三维模型立体测量技术，实现免或少外业调绘。无人机倾斜摄影测量技术保障了影像信息的准确性和完整性，且相比于传统测量，不需要耗费更多的人力，具有更高的灵活性和便捷性，带来了更高的工作效率，节省了生产成本。相信在未来，无人机倾斜摄影测量技术定然能够获得更广的发展空间。

1 项目概况

本文以某城镇开发边界内1：500地形图更新测量项目为例。项目在建设时，提出在较短的时间内保证作业测图等工作能够完成。整个项目工期相对比较紧张，同时在精度方面要求比较高。因此采用倾斜摄影测量技术进行1：500数字化地形测量，同步生产实景三维立体模型、数字线划图（DLG）、正射影像图（DOM），不仅项目可以在较短的时间内完成，还能满足精度方面的要求。

2 无人机倾斜摄影测量

利用南方测绘SF700A无人机搭配南方测绘五镜头T53P对某项目现场进行三维模型采集，采用摄影测量2D飞行，航向重叠度和旁向重叠度保证百分之七十。然后采集回来的数据用ContextCapture软件进行空三计算并生成三维模型。

2.1 航摄航线规划设计

根据测区形状、地形起伏、现场建筑物的高度和分布情况以及无人机性能和相机参数等因素综合考虑规划航线，按摄区地形走向用直线方法敷设，航线的密度允许不一致，测区边界线的始末航线必须保证侧视镜头能获取测区有效影像。

采用五镜头布设航线时需东西航线布设后再进行往返飞行，保证多个角度都能获取倾斜摄影的影像照片。

具体航线敷设要求如下：

（1）航向覆盖超出摄区边界线五条基线，旁向覆盖超出边界线大于两条航线，分区边界覆盖满足分区模型生产的要求。

（2）相片航向重叠度和旁向重叠度分别为80%和70%。航飞中出现漏洞时，继续采用前一次航摄飞行的数码相机，对相对漏洞和绝对漏洞进行补飞，补飞航线的两端要超出漏洞之外的两条航线。

（3）按照设计的航飞高度飞行，实际航飞高度与设计航飞高度之差控制在50m以内。同一航线上相邻像片的航飞高度差控制在30m以内，最大航飞高度与最小航飞高度之差控制在50m以内。

（4）同一摄区内有地形高度差，要保证影像地面分辨率及相邻像对正确连接的情况下，一般不大于四分之一航摄航高。

（5）考虑空三加密和内业数据处理可行性，将同一分区最高点分辨率和最低点分辨率控制在2倍以内。

2.2 像控点

2.2.1 像控点布设

像控点一般按航线全区统一布设，像控点在测区内构成一定的几何强度。像控点要均匀布设在整个测区，选点要求：地面平整、点固定、点位无阴影、易识别且清晰、点区域无遮挡。如斑马线角点、如房屋顶角点，方便内业数据处理人员查找（如无明显地标可人工喷油漆或撒白灰的方式设置地标）。

大面积规整区域，像控可按照品字形布点。如果在面积很大且精度要求较低时，可适当抽稀测区内部像控。如果是带状测区，则在带状测区的左右侧位置布点，布点路线可以按照“S”或“Z”字型布置。

2.2.2 像控点布设的密度

像控点布设首先要考虑测区地形和精度要求。按照规范要求，1：500地形图测量，影像分辨率2cm,像控点密度为200m/个～300m/个。如地形起伏较大，地貌复杂，需增加像控点的布设数量（10%～20%）。很多飞机有RTK或者PPK后差分系统，理论上可以减少地面控制点的数量，可以根据项目测试经验自行调整。

2.2.3 像控点的采集

平面控制点和高程控制点的像控点采集，其测量工作遵循“从整体到局部，先控制后碎部”的原则，即先进行整个测区的控制测量，再进行碎部测量。常用的像控点采集方式有全站仪、GNSS静态、RTK方式。本项目根据实际情况，采用RTK动态采集像控点，其精度达到相关标准，满足相关要求。

2.3 倾斜航空摄影

倾斜航空摄影航飞方案的执行阶段。首先对无人机设备和各项材料进行飞行前的认真检查核对，确认设备的参数设置和安装正确无误；然后项目负责人和飞手需要提前了解周边的地形，并且要严格掌握天气情况，保证无人机飞行的安全和符合航飞方案设计要求。

航摄阶段。抵达测区后，先为正式飞行做准备，进行无人机飞行前的试飞调试。开始作业后，航摄时要保证光照度足够并且太阳高度角大于45°，光照下的物体阴影不超过1倍，严格控制无人机航摄时间，宜在10min～15min以内。如果所测区域建筑物有高层密集情况，适合在中午十二点前后1h内摄影。

航摄结束后，应现场检查数据的质量和完整性，进行照片、机载POS、机载GPS数据、基站数据的下载拷贝。

航摄影像色彩饱和鲜明，色差反差适中，相同地物的色调基本一致，影像图片清晰。影像丰富有层次，能辨别与地面分辨率相适应的细小地物影像，能够建立清晰的立体模型。影像不能有缺陷，如污点、云烟、大面积阴影反光等。部分影像可以有少量的缺陷，但不影响立体模型之间的连接和三维模型建立，保证三维模型输出可以正常使用。拼接后的影像无明显模糊和重影错位现象。

航摄中出现漏洞时，需要及时进行补摄和重摄。按原设计采用前一次航摄飞行的数码相机对相对和绝对漏洞进行补摄，补飞航线的两端要超出漏洞之外的两条航线。

本项目航摄航高为180m，像片航向重叠度80%，旁向重叠度70%，每平方公里飞行照片数量平均为10000张，影像图片清晰，无明显模糊、重影、错位现象，精度达到项目要求，后期技术处理时间较长。

3 三维建模

3.1 空三加密

由于倾斜航空摄影测量摄影倾角大，影像变形严重；分辨率变化大，尺度无法统一；重叠数多，需要多视角处理等特点，使其空中三角测量有异于常规数码航空摄影测量中的空中三角测量方式。常规的空三加密软件一般都不能实施，需要多视角航空摄影测量空中三角测量专业软件进行数据处理，一般采用ContextCaptureCenter软件。

在空中三角测量前，先对原始影像的亮度、对比度、色彩的调整和匀色进行预处理。进行匀光匀色处理后，达到缩小影像间色调差异，使影像色调层次均匀分明，色差反差适中，保持影像中地物的色彩不失真，避免有匀色处理的痕迹。

将相机参数、预处理后影像、pos文件、像控点坐标等数据导入软件建立工程。软件自动进行多视角影像特征点密集匹配，并以此进行区域网的自由网多视影像联合约束平差解算，建立起在空间尺度可以适度自由变形的立体模型，完成相对定向；将外业测量的像控点在软件中刺点，利用这些点的坐标对区域网模型进行约束平差解算，将区域网纳入到精确的大地坐标系中，完成绝对定向。

空三完成后，要及时查看精度报告，对精度超限的像控点进行原因分析，适当调整像控点位后重新进行平差计算，直至所有点位结果符合项目精度要求。

3.2 三维建模和模型修饰

本项目采用ContextCaptureCenter软件在计算机集群下进行全自动三维建模。在CC软件中完成空三后，直接提交模型生产，软件自动执行三维TIN格网构建、白体三维模型创建、纹理映射和三维场景构建等步骤，最终生成实景三维模型。

模型修饰原则上只对水域空缺或模型漏洞进行修补，采用Smart3D软件和水面或补飞数据进行约束干预后重新生成模型，使模型不存在漏洞。

模型的生产需满足以下要求：

（1）三维模型的体块构模是根据倾斜影像匹配确定而成的，可以对地形、建筑物等模型进行一体化表示，模型的纹理通过获取的航空影像表现。建筑物三维体块模型应位置准确且完整，具有现实性，与获取的航空影像表现一致。

（2）建筑物模型要精准反映外轮廓及房顶的基本特征。将模型置于200m视点高度下浏览，没有明显的纹理漏洞或拉伸变形。当建筑物高度较高较为密集且有相互遮挡时，建筑物遮挡部分的侧视纹理不能完全获取，导致三维模型的细节不能全部表现出来，可以出现局部位置的拉伸变形。

（3）建筑物模型的比例，高度和平面尺寸要与实际保持比例一致，建筑物模型高度的误差不能大于百分之十，完成的三维图像，重点部位纹理情况可以清晰的分辨出来。

3.3 基于三维实景模型的数字线划图制作

基于三维实景模型，采用裸眼测图方式，在实景三维模型上勾绘建筑物、道路、水系等各类地物要素，同时记录属性值。对由于房屋、屋檐、门檐、树木等遮挡导致生成的模型局部变形，三维测图时不能准确采集的地物，用特殊符号标记，在下一工序中安排实地补测。

建（构）筑物轮廓提取。通过采集点智能附着于模型表面，可以结合采用直角采集、直线采集和房棱采集多种绘制方式完成，三者分别通过线面直角关系、直线相交和房棱关系来确定建筑物轮廓。绘制方法如下：①房棱绘房法。此方法适合用于比较简单的房屋，用鼠标点击房屋的每一条棱，形成闭合图形来确定房屋的轮廓；②直角绘房法。原理与房棱绘房相同，但仅适用于每个面都相互垂直的房屋；③直线绘房法。是通过在房屋的每个面点击任意两点来确定一条直线，通过直线的相交形成闭合图形以确定房屋轮廓，适用于结构比较复杂的房屋。结合三种绘房方式综合处理各种复杂结构房屋和被遮挡房屋，保证采集精度。

线状要素包括水系线、陡坎、道路、地类界等，利用模型细节丰富的纹理特征，再通过高精度倾斜模型的旋转与缩放，来识别上述地物的类型和走向，基于采集点直接附着于模型表面的特性，获取平面位置和高程。

点状要素包括井盖、路灯、电线杆、控制点等，对点状物进行高精度采集，采用软件采集点自动捕捉点状地物中心点功能。高程点通过线实体和面实体进行提取，输入控制参数控制面内区域或线上高程点进行密度的自动提取。

4 总结

4.1 取得的成果

4.1.1 项目取得的成果

本项目在较短的时间内，投入较小的人力物力，完成1：500数字线划图（DLG）面积85km2，同步生产实景三维立体模型、正射影像图（DOM），实现了纯内业的数字化成果。在分批次随机抽取的样本图幅中，平面位置中误差最弱值为MS=±0.14m，高程注记点高程中误差最弱值为MH=±0.14m,检验结果均满足技术要求。

4.1.2 无人机倾斜摄影测量的优势与缺点

（1）无人机倾斜摄影测量的优势。

①自动化程度高。根据测区实际情况规划好航线，无人机起飞后可根据设计的航线自动拍摄影像。②相同的测量任务，使用无人机倾斜摄影测量技术开展基础测绘测作业，效率明显比传统实测更高。③作业能够更快的进行视觉转换。无人机机身较轻，几乎可以在限定的高度内完成任何飞行视觉的转换。通过无人机内部的POS数据，测绘时可以完成数据模式的现场分析。通过无人机搭载的核心芯片，可以远程传输自动化程序的处理物体数据，以便计算机更好的进行三维建模。④降低生产成本。传统测绘与无人机倾斜摄影测量对比：外业数据采集。传统测绘0.016平方公里/人·天，而无人机倾斜摄影测量外业数据采集可以达到2平方公里/人·天～3平方公里/人·天；空三建模。传统测绘无需建模，无人机倾斜摄影测量单机0.3平方公里/天；内业采集。传统测绘不额外计算工时，内外业同步，无人机倾斜摄影测量内外业分离，需0.06平方公里/人·天；外业调绘及上图。两者都需要0.2平方公里/人·天；传统测绘外业工作量大，易受天气影响，进度不可控，而无人机倾斜摄影测外业工作量小，进度可控性高。因此使用无人机作业人员数量能够减少50%，生产周期缩短50%，节省下来的时间可以帮助内业技术人员更好地进行内业数据的工作，降低人工误差。⑤多样化产品。通过对无人机倾斜摄影测量技术的合理利用，不仅能够从根本上促使地形图自身的精准性得到提升，还可以结合现实要求，对符合实际情况的三维模型进行有效落实。除此之外，成果资料在规划和建设等各方面的工作开展中，都可以为其提供可靠的数据信息，保证提供的数据信息具有真实性、准确性、有效性。

（2）无人机倾斜摄影测量的缺点。①无人机受高温或低温、雨雪、大雾、大风等天气的影响，都不适宜飞行。②无人机续航能力短，单块电池只能作业30min～50min。③影像数据量大，处理时间长，对计算机配置要求高。

4.2 前景与展望

就现阶段无人机技术的发展情况进行分析，能够看出，无人机倾斜测绘技术已经得到了普及，在基础测绘中都发挥了重要的作用。无人机技术以其自身的技术优越性，灵活、高效的进行数据采集和图像拍摄，灵敏地进入各种地区地形进行作业等特点，让基础测绘工作取得了更好的效果。同时能够看出无人机技术的广阔应用领域以及更加宽泛的发展空间，未来其能够朝着更加规范化和高水平的方向进一步发展，在多种领域都能够发挥出重要的作用。而对于无人机的软硬件设施进行研发，也是未来一段时间内重要的研究工作，需要不断提升无人机飞行的工作性能，提供更清晰的图像指导，同时也要让数据的准确度进一步提高，不断减少制作成本，提升测绘收集的数据的安全性，不断提升后期的数据传输和处理能力，让无人机在未来得到更好的发展，在技术上取得较高的技术突破。

5 结语

随着数字城市、智慧城市建设的全面发展，城市规划及建设对地形图的需求与日俱增，且更新周期越来越短。无人机倾斜摄影凭借机动灵活的操控性、高分辨率、高效率、低成本等特点，让无人机倾斜摄影测量技术在基础测绘中发挥出重要作用。无人机航摄系统软硬件技术难点不断突破，已达到实用化阶段，且成为现代化数据采集的主要手段，将无人机倾斜摄影测量技术应用于基础测绘中，具有作业效率高、适应范围广等特点，将是未来新型基础测绘体系服务的发展趋势。本文通过对现阶段我国应用无人机的发展现状和无人机倾斜摄影测量方法、实际应用及技术优势介绍分析，论证了无人机倾斜摄影测量技术应用于基础测绘的适用性和高效性。