浅谈无人机倾斜摄影测量在地形图测绘中的应用

李永红

［广州市从化区规划和测绘地理信息中心（广州市从化区地下管线信息管理中心），广东 广州 510000］

0 引言

无人机倾斜摄影测量学是一门研究利用数码相机或摄像机等拍摄地面景物的新型学科。它不仅能够直接获取照片中所包含的地物轮廓及其相关参数，而且能有效解决由于人为干扰导致无法获得准确地图的问题。因此，近年来在我国迅速发展起来，并得到了广泛应用。目前，随着遥感、航空摄影测量技术和计算机技术的不断成熟，传统测绘模式已不能满足现代城市建设与管理要求，所以需要采用新方式进行城市规划工作，而这也将为该领域提供一个广阔的市场空间。

1 倾斜摄影

1.1 航线设计

无人机的飞行航线是确定无人机目标位置和速度以及实现自动航迹规划等功能的基础。航线设计必须考虑到各种环境条件，包括高空、低空、地面及水面障碍物等因素对其性能产生影响；同时要满足一定程度上的安全要求。倾斜摄影无人机航线的设计不仅需要了解飞机在空中姿态变化情况，而且还要考虑不同地形地貌下的坡度特征和起伏规律，从而得出合理可行的最佳航向点选择方案。这样才能提高无人机系统的飞控系统整体可靠性与安全性。

1.2 无人机起降点的选择

利用无人机航拍，一般起降架次都较高，起降点并不是固定不变的，所以，无人机起降点选择至关重要，有必要考虑如下6 个方面：①场地开阔，可对无人机飞行状态四周100m 内的信号发射塔进行全程监测。②避开干扰源，如高压电线：起降点的场地不得低于10m。并要平坦，不受外在干扰。③遇到突发事件的处理方式，能快速赶到事故现场。④航摄效率是指起降点及站摄起点，起点远离时，可以点并口兼作临近架次起降点。⑤在确定降落地点时还要根据当地地形特点进行合理布置，如图1 所示。⑥选楼顶做起降点，应重视航高设定，航高不正确，将直接影响到精度[1]。

图1 根据地形特点确定降落地点

1.3 航高的确定

航高决定了成图精度，决定了所用相机的解析度，决定了主角倾斜摄影相机上由几个不同视角的镜头构成，可以在同一天内得到若干组不同视角的图像。通过分析航高数据特点及现有方法存在问题，提出一种基于双镜头的大比例尺航空数字正射影像制作技术方案。相对于传统的单镜头成像模式而言，采用多镜头成像模式，可以降低成像死角的问题，并且显著提高了结果的准确性。利用无人机平台进行大比例尺测图时如何选取最佳航线以达到最优测绘效果。一般120～200m航高可以满足1:500 地形图的成图要求：200～400m 航高可以满足1:1000地形图的成图要求。因此，在大比例尺测图领域内使用无人机进行测绘时，必须要考虑其对航空相片分辨率的影响。

1.4 像片重叠度的确定

无人机由于具有自重小，抗风能力差，飞行时姿态维持不良，像片重叠度设计稍微高一点，则不容易产生航摄漏洞。重叠度设计如图2 所示。在城市测绘工作中，由于地形复杂，地物密集，所以要对无人机进行合理控制，确保航空摄影测量精度。常用于影像、地形图成图等的航向重叠度不得小于70%，旁向重叠度不得小于40%；在地面场景重构中，一般区域航向重叠度不得小于75%，旁向重叠度应不低于65%。在旁向重叠度的设计中，应注意航线间距不宜太小，一般航线间距宜在30m 以上，以避免无人机急速转弯的意外情况[2]。

图2 重叠度设计

1.5 航程的控制

航线转向的次数愈多，作业效率愈高。一般航线是按照长方形的地区来布放的，航线与长方形长边并行，为了降低无人机转弯数量，提高工作效率。同时，要根据无人机续航能力，对航线长度进行适当设计，千万不要把航线长度设计成无人机最大航程，应为应对突发事件预留空间，保证无人机有充足的功率进行安全返航。当遇到紧急情况需要返回地面后，必须立即启动备用电源，否则会影响无人机的正常工作[3]。一旦无人机功率耗尽会直接造成炸机和事故。因此，必须对现有无人机上配备的电源进行升级改造或更换新件，使其能够满足应急任务中所要求的各种条件。以电池为无人机供电，新电池投入使用前，要测准其续航能力，每一次飞行前都要对电压进行检测，保证电池在充满电状态下飞行时，对电池电压变化进行实时监控，一旦出现异常变化，立即返回，遇到低温大风天气时，要据此缩短航程。

2 像控

2.1 像控点的点位选取

像控点有两个好坏，也就是点位质量与测量精度的关系。由于受地理、环境等因素的影响，像控点往往是不稳定的。以当前测绘技术为例，以网络基准站及似大地水准面精化为基础的RTK 测量平面及Ⅰ高程精度均小于5cm，完全可以满足像控点测量需要。所以，在目前的技术情况下，像控好坏主要看像控点位好坏。如果要达到较高的点位定位精度，必须有足够多的像控点作为保障。防护站点位质量有多种影响因素，如距设计点位远近抵挡状况、点位特征、测点精度等。由于像控点位置一般比较固定，而且受地形限制较大，所以对其选择也有一定难度。在实践中，要想寻找理想点并非易事。所以在像控点选取时应该尽量避开这些不利因素，选择合理可行的方法来确定像控点。选择点难区域，在航拍前设置像控点标志。对于控制点数量较少的区域，可采用像控来替代测图。像控可先于航拍，还可将航拍所得图片首先用于内业选点，然后对外业进行坐标、高程采集。本文结合具体工程实例对如何合理地选择像控控制点进行探讨分析。选择航拍之前的监测，在选点时，需考虑点的遮挡和偏移、损坏的概率，尽可能选择在对比强烈的地物或者标志特征上，以黑，白，蓝为主、红色地物的成像特征比较引人注目，黄色地物的成像特征比较模糊，锐角顶点的成像较钝角顶点清晰，光滑的视角若三面材质一致，由于成像特征并不显著，不适合选择作为像素点[4]。一般情况下，选好像素点后就能确定出目标物所在区域，然后通过计算得出测区内所有测点对应于该目标物所需控制范围的距离，进而绘制成线图。

2.2 像控点的布设案例

像控布测的最经济实用方案，就是在满足精度与可靠性的前提下，布测出最少个数的像控点，以确保最终结果的准确性与可靠性，常规摄影测量均有相关规范要求。但在摄影和影像处理技术蓬勃发展的今天，特别适用于倾斜摄影及影像自动匹配，实践证明，上述标准太苛刻了，不利于提高测绘效率，降低成本。因此，如何合理布设监控点成了当前亟待解决的难题之一。以某地区1:500 数字地形图测绘与数据库项目为例，对监控点布置进行阐述。无人机航空遥感数据采集方法，无人机航摄系统主要由机载数码相机、相机支架、图像传感器以及控制计算机组成。首先，要确定区域测区内有无地貌和水系等其他地形要素。其次，计算区域间距离，同时，根据实际情况，合理选择合适的控制点坐标（等高线与高程差）。在此基础上，结合已有的数据信息以及地理信息资料建立起一个较为完整的数字化测图模型。最后，利用GPS 控制网在地图中标出目标点，如图3 所示。

图3 目标点

3 空三与三维场景重构

在整个无人机倾斜摄影测量中，空三是一个至关重要的环节，对于最终结果的好坏起决定性作用。由于空中三角网具有良好的精度与可靠性，因此，其成为无人机倾斜摄影测量技术最主要的数据源之一。为便于计算，一般一个测区需分成多个空三加密区，对倾斜摄影而言，为确保场景纹理网格和接边，要求空三加密区重叠度不小于两倍航高，并在外业测量时进行间距相控。在进行空中三角网布设后，由于地形起伏较大往往要多次调整控制点才能完成数据采集工作。在地面、房角及其他符号的测量中，仪器的高参数需经常更换，易因输错仪器参数而造成成果错误。若监控点附近存在大量类似物，也容易在内业检修时，出现输错的情况。

另外，由于建筑物密集造成像控点周围影像上可能存在大量噪声影响到最终结果精度，也会引起错判或漏判。像控越密时，在三约束解算过程中，该错误越易被察觉。像控点分布密集的话，由于像控点间相互重叠比较多，所以其影响因素相对复杂，而且对数据精度要求也更高。若像控密度低，空三约束求解过程中，像控点粗差易于分配，不便于查找，若后续没有测试，仅从空三约束平差报告中进行了分析，这个粗差不易察觉。所以像控点密度大可以提高空三成果的质量，但是像控点密度越小则会降低空三精确定算精度。即像控点越密集，控三成果越可靠，但像控工作量加大，由此加大了成本投入。

对不同类型像控点进行扫描得到大量影像图，然后用计算机处理生成三维模型并计算其相对于地面坐标系的位姿信息，进而判断每个相片是否为异常像控点。倾斜摄影自动控三具有非约束精度，约束平差中，首先，选取3～4 个像控点在边缘处作为约束点（图4），其余各点作为检查点进行约束平差，若平差结果检查点平面，高程误差无明显异常，说明像控点几乎不可能出现粗差。如有个别检查点错误太大，这些要点可继续用作检查的要点，剩下的点为监控点，再做约束平差，若这几点还存在较大误差，较大的概率说明，这几点有粗差是无法利用的[5]。若检查点误差一般都过大，说明所选约束点具有较大粗差概率，约束点需替换后再检测。其次，在最后生成三维模型中，若像控点周围有模型扭曲，较大的概率说明像控点具有粗差；反之，如果形状较小或角度过大，则证明像控点属于正常情况。

图4 约束点

4 调绘与编辑成图

无人机倾斜摄影测量的测绘与编辑成图是最后一项任务，也是整个过程中最重要的环节之一。由于倾斜摄影测量作业涉及多种专业技术知识和复杂数据处理方法，而且其质量直接影响着工程精度，为此必须做好各项工作以确保最终完成成果。在对地形图的测绘进行调绘和编辑成图时，需要利用计算机来处理各种数据并建立数据库，将这些数据文件转换为相应格式后通过打印机打印出来。但是传统方式下存在许多问题，例如，无法实现自动生成数字化地图，并且还容易产生错误信息等，这就给后续的自动化加工带来了很大的困难。为解决该问题，相关科研人员采用一种新的技术手段——基于云计算的GIS 平台，构建一个高效、快速的遥感影像采集系统，并利用它实现倾斜摄影测量及后期编校成图稿，从而提高工作效率。这对无人机倾斜摄影测量来说具有十分积极的意义，可以使大量不稳定数据得以恢复，同时还能有效地降低人工操作难度，降低错误发生概率。

5 结语

综上所述，无人机倾斜摄影测量在地形图测绘中的应用十分广泛，其不仅可以满足传统地图绘制精度要求，而且还能够对地形进行更全面细致的分析。但是由于无人机倾斜摄影测量具有一定的特殊性，因此，必须要加强相关方面技术的研发和推广工作，这样才能为我国国土资源管理部门提供更加完善有效的服务。