无人机倾斜摄影测量技术在规划核实测量中的应用

文／于立涛 中冶地理信息（广东）股份有限公司 广东东莞 523000

引言：

基于规划核实工作，有关监督机构能够核查工程项目的施工计划、规范条例、技术标准、环境影响评测结果等有关文件，从而保证工程的建设安全、质量过关，并取得理想的经济与社会效益。使用无人机倾斜摄影测量技术，已然成为获得高精准度地理数据的首要方法。所以，需要在掌握技术有关内容的基础上，探究此项技术的实际应用，充分掌握其应用要点，为规划核实测量工作的高效率、高质量实施打下可靠基础。

1.无人机倾斜摄影测量技术概述

1.1 硬件系统

较常使用的比如经纬M300RTK 无人机是一款功能强大的无人机设备，具备许多出色的特点，使其成为各种应用领域的首选。首先，该无人机具备出色的图像传输能力，能够在高达15 千米的距离内传输图像，这对于需要远距离观察和监测的任务非常有用[1]。不论是在航拍、灾害监测还是安全巡逻等领域，M300RTK 无人机都能提供清晰、稳定的图像传输。其次，其配备了六向定位与避障功能，能够精确地确定自身的位置，并且能够在飞行过程中避免障碍物，因此能够为用户提供更多的操作灵活性。此外，该无人机还拥有高强度的IP45 防护等级，能够在恶劣的环境条件下正常运行[2]。其主要包含下述几项功能：（1）定位与跟踪。可以快速准确找出静止物体，并通过AR 技术将其影像显示在各类图像资源中。这使得用户可以轻松实现对物体的定位并动态追踪，同时可以和其他用户共享位置信息。（2）操控设备。借助AI 算法来处理收集的地理信息，这些信息经过整理与分类后，转化为具有更高应用价值与精细度的测量结果。通过利用双重操纵系统使得操作者只用轻轻点击，便可以方便地控制飞机与相机，让任务规划布置以及团队成员间的协作更为方便。（3）态势感应。此无人机目前推出的最新的驾驶辅助系统，这一系统能够全面记录各类驾驶参数和环境信息，进而显著提升操作效率。除此之外，该系统还配备了AirSense 功能，使得在高速行驶时操纵更为轻松，并能够实现最长达40 米的避障距离，以保障操控人员的安全性。PilotApp 具备多种定位与监控模式，如传感器、动力系统以及图像等多重双向备份。（4）健康防控。健康管理系统可迅速获取部件健康状况并采集异常信息。并且，还配备了BS60 电池箱，便于迅速充电、储运，进而提高飞行效率。而TB60 电池则具备较大的容量，可提供双电池热替换功能，节省操作时间。

1.2 软件系统

大疆智图DJITerra 作为一款全方位的工具，它融合了无人机倾斜拍照与三维建模功能，为土地测量带来了极大的便利和精确性。DJITerra 具备智能的自主调节拍照参数的能力，可基于实际环境情况灵活地调整拍照的高度、速度以及方向，进而提供准确的拍照位置。这种自适应性使得测量过程更加精准，可以缩小图片与实际地貌之间的误差[3]。（1）为保证测量的准确性，使用DJITerra进行土地测量需要事先定义测量范围内每个角落的三维坐标。通过精准地标定测量范围的各个角点，可以减小测量误差，提高测量结果的可靠性。此外，DJITerra 还能够用于核验路径的坐标误差，并以此决定最合适的测量值，进一步提升测量的精度和可信度。（2）DJITerra 提供了多种测量方法，包括KML 文件输出和飞行测量。通过将数据输出到KML 文件中，用户可以方便地进行后续的数据分析和处理。而飞行测量则利用无人机飞行的方式进行测量，不仅可以覆盖更广的区域，还可以获取更多的实时数据，提供更全面的测量结果。（3）结合倾斜摄影技术，DJITerra 允许用户事先准备目标地区并设置相关的参考值，例如飞行的时间长度、图片的分辨率以及测量的范围，从而设定最优的航路规划，确保测量过程高效而准确。（4）DJITerra 还提供了调整倾斜云台角度和其它有关参数的功能，使得用户可以获得更具可视化效果的测量结果，使目标物体和其所在的测量范围更清晰地呈现出来。

2.无人机倾斜摄影测量技术在规划竣工核实测绘过程中的应用

2.1 摄影测量

2.1.1 测区分析

（1）仔细分析测区的空域条件，包括是否在禁飞区内、是否存在飞行障碍物等。必要时，还需申请相关部门的许可证和审批手续，确保飞行过程的合法性和安全性。（2）了解测区的地形地貌，包括有否存在部队驻地、通信设施等。此外，还需要检查测区周边的电磁环境，以避免因信号干扰导致的无人机失控或数据错误等情况。（3）根据测区地形高差状况和任务要求，确定不同的航高，注意无人机的可飞行高度和飞行速度。（4）对测区范围的建筑物、电力设施等进行检查，确保不存在超出无人机航高限制的障碍物。如有必要，还需采取相应的措施，如设置警示标识、排除障碍物等。

2.1.2 航线设计

（1）在设计无人机的技术方案时，需要考虑地形高差和航线距离的限制。地形高差需要控制在无人机相对航高的1/4 范围内，以确保飞行过程中不会发生意外碰撞或遭遇危险地形。同时，设计航线的总航程不得超过无人机的最大航程，以确保飞行任务的顺利完成。（2）在建筑体低矮且稀疏的地带，可以采用常规方法进行航线敷设，即按照直线路径进行飞行。然而，在碰到较高建筑体或房屋分布较为密集的地带时，就需要采取一些特殊措施。交叉敷设是一种常见的方法，可以通过在不同方向上交叉飞行，增加航线的覆盖面积。此外，还可以增加旁向和航向的重叠，以确保航线上的覆盖效果更为完整和准确[4]。（3）实际和设计航高之间的差距应保持在一定范围内，通常要求低于50 米，以确保飞行高度的准确性和稳定性。此外，无人机的最大和最小航高之间的差距也应控制在50 米以下，以避免过大的高度变化对飞行安全造成影响。相邻航线上相邻像片的航高差需要尽量低于30 米，以确保航摄图像的连续性和一致性。（4）为了避免阴影对航摄图像的影响，摄区的太阳高度角应达到40°以上，同时阴影倍数应控制在1.2 以下，以确保图像中的细节清晰可见，并减少后期处理的复杂度。特别是在高层建筑体分布较为集中的城市中心区域，最佳的航摄时间通常是在正午前后2 小时内。这个时间段兼具光照强度适宜和阴影较少的特点，有利于获取高质量的航摄数据。

2.1.3 现场踏勘

选择合适的起降场地能够保证航拍任务的顺利进行。距离机场10 公里以上可以避免与其他飞行器发生冲突，通视效果佳和地势平坦可以保证无人机的正常起降和飞行。此外，无明显凸起物和水塘也能保证无人机飞行的稳定性和安全性。因此，在选择起降场地时，需要根据任务需求和周边环境进行综合考虑，确保起降场地符合多项要求。干扰源的存在会严重影响无人机的飞行安全和数据质量。因此，在选择起降场地时需要注意周围是否有干扰源，并且应该避开这些区域。风力也是影响无人机飞行的一个重要因素，过大的风力可能会导致无人机失控或者飞行不稳定。因此，在实地踏勘时需要根据天气预报或现场观察来判断风力大小，并根据判断结果决定是否起飞。在风力过大的情况下，应当及时通知相关人员并采取相应的措施，以确保无人机的飞行安全[5]。

2.1.4 航空摄影

当确定好航线之后，需要实施无人机的组装和检查。正确地组装无人机机身是保证飞行安全的基础，需要仔细检查螺旋桨的安装、传感器的连接等，确保每个部件都牢固可靠。同时，还要检查相机的连接正常与否，确保相机镜头已经打开，以及存储卡安装正确与否。在机身组装和相机连接都确认无误后，还需要检查网络连接和电池电量。网络连接的正常运行对于实时传输图像和数据非常重要，例如网络RTK 的连接是否稳定。而充足的电池电量则是保证飞行时间和任务顺利完成的关键因素。当所有的检查项都正常无误后，连接电源，再次核对航线设计。同时，根据具体拍摄需求，对相机参数进行设置。通常情况下，将相机调整至M 档，以便手动控制曝光和焦距。基于不同的天气条件，还需要调整ISO 感光度与曝光时间，以确保获得最佳的图像效果。一切准备就绪后，无人机便可以开始开展航空摄影工作。

2.2 三维模型构建

应当仔细分析测区控制网的主点坐标，在进行影像的拍摄时，会形成一些畸变参数。这些畸变参数需要明确定义，以便对影像进行校正和处理。在获得点云数据后，通过连接点云中的点，形成表面三角面片，将其自动转换成TIN 模型。为了获得最佳视角影像纹理，需要从影像数据中获取合适的纹理信息，并自动将其应用到模型上，以增加模型的真实感和细节。在建立模型的过程中，可以使用Tile 划分计算的方法，对三维模型进行分析和挑选适宜的影像匹配单元。同时，需要自动选取各个视角下的最佳像对模型，并进行自由平差，以消除图像中的误差，提高模型的准确性。基于生成的密集点云数据，可以实行三维建模。在建模过程中，还可以对模型加以平滑与优化处理，以进一步提高其质量和真实性。基于三维TIN 模型的空间坐标数据，可以对DEM 数据实行配对生成，以此达成自动化纹理映射的目标。

2.2.1 数据 Tile 划分

基于作业区的具体范围，确定建模区域再把项目划分成多个区块实行建模时，应当控制各区块建模的Tile 划分原点维持一致。而且对于Tile 划分的大小根据计算机性能来确定，通常设置为0.1 千米＊0.1 千米，划分操作可以使用软件自动完成。

2.2.2 点云匹配

点云匹配是数字三维重建的核心过程之一，主要是将多源影像数据中的点云信息进行精确匹配。在实行三维场景重建任务前，需要对空间框架与处理规则加以确定，以保证后续处理的准确性和可靠性。点云匹配的过程中，需要形成高精准度的点云数据，并进行构网算法的更新改进，将异常或是突起的不规则点云筛选除去，让多视影像密集和实际需求相符合。

2.2.3 TIN 网构建

TIN 网是一种用于表达现实三维场景的不规则三角网，它是基于数字点云所形成的。在TIN 网构建过程中，首先需要对点云数据实行切块操作，并行处理每个块，从而加速TIN 网的构建过程，做到在处理大规模点云数据时提高计算效率和减少资源消耗。同时，基于计算机的性能水平，可以根据需要设置不同的优先级别，确保在处理点云数据时能够充分利用计算资源。

2.2.4 白模生成

白模主要用于表示物体的形状、结构和空间关系，为后续的建模和渲染工作提供基础。通过白模，可以更好地理解和分析现实场景的三维结构，为虚拟环境的构建和可视化呈现提供必要的参考。

2.2.5 纹理映射

在这一过程中，通过图像实行收集和处理分析，利用有关图像加工工具，如 Photo Scan 等，运用纹理映射算法对每一模型自动赋予纹理，并最终输出 OSGB 格式的三维模型成果。在此环节，倾斜影像所携带的高精度空间坐标信息起到了关键作用，确保了纹理和对应坐标的准确匹配，从而实现了高精度的城市实景三维模型生成。

2.3 倾斜模型三维测图

在倾斜模型三维测图中，应用的坐标系统是2000 国家大地坐标系与3 度带中央子午线。这种坐标系统能够提供高精度的地理位置信息，并与现有的地图和测绘数据相匹配。同时，高程基准采用的是1985 国家高程基准。在进行测图之前，需要确定基准和地形高度间的夹角。根据规定，这个夹角通常设为1°，以保证测量的地形误差值和基准高度的夹角不超过0.1°。

2.4 内部数据收集

在完成模拟与重建3D 模型这一步骤后，需要对模型的精度进行评估，以确保其符合精度要求。若是模型精度不够，需要重新进行调整和优化，直至满足要求。一旦模型符合精度标准，就可以采用专门的数据收集软件为其收集数据，以更加全面地了解内部区域的地理特点以及地形状况。无人机倾斜摄影测量技术所获取的图像是经由多角度摄得的，所以基于这些图像创建的3D 模型能够用来线路规划和图像收集中，获得的地物地貌特点边界与角点，由多角度收集编绘，当3D 模型数据收集结束之后，便可得到模型内建筑体与其它地形元素的坐标数据。

2.5 成果精度分析及误差

在实施地形图测绘时，必须遵守城市测量规范，以确保数据符合要求。倾斜摄影测量技术被广泛应用于地形图的制作中，其可以获得高精度的矢量信息，符合测绘规定。然而，在进行外业航拍作业时，也需要保证照片分辨率满足精度要求，这对空三角测量准确度以及构建模型的质量都有着直接影响。Smart3D 自动空中三角测量加密技术是一种较新的技术，可减少误差并提升空三数据的精准度。不过，在实际应用过程中，人工干预仍然是必要的，以进一步提高编绘地形图的精度和准确性。此外，也需要注意现场环境和客观因素对数据采集的影响，如天气、地形等因素，以及设备操作问题等。

3.应用案例

3.1 工程概况

本项目处在广东省东莞市厚街镇海逸豪庭项目。东莞冠亚环岗湖商住区建造有限公司厚街镇海逸豪庭G2b 期住宅发展项目核实测量任务。

3.2 相关设备及相关处理软件

本项目所使用的主要设备为大疆多旋翼M600pro 型无人机和Riy-D2 倾斜摄影相机。测量过程中，使用华测X10 Pro 型GPS（RTK）接收机进行定位。该接收机采用网络（RTK）定位法，结合东莞市GPS 连续运行参考站（YCCORS）系统，可以实现高精度的定位和测量。通过在测量区域内设置像控点，并利用这些控制点进行实时定位，可以提高测量的精度和准确性。在数据处理方面，本项目使用Context Capture Center 软件。该软件具有强大的图像处理和三维重建功能，通过对采集到的倾斜摄影图像进行处理和匹配，可以得到高质量的三维模型数据，为后续的测量和分析提供基础。此外，本项目还使用EPS 三维测图系统进行竣工图的采集。

3.3 航线布设及数据获取

在设计航线方案时，需要考虑拍摄角度和航线覆盖率等因素，以确保边缘航线也能够获取有效影像数据。在本项目中，为了满足这个要求，设定了总共24 条航线，航向与旁向重叠度为80%-70%。这样，不仅可以保证每张照片都有足够的重叠部分，还能够避免出现影像死角。此外，飞行高度与旁向间距的选取，直接影响到图像分辨率和覆盖范围。而航向间距则直接决定航线的数量和长度。在本项目中，选择了飞行高度为120 米，旁向间距为33-59 米，航向间距为16-20 米，获取道路清晰的图像，并保证数据采集的效率。最终，通过5 组倾斜影像数据的采集，得到了共计5000 多张照片，每张都具备相应的POS 数据。

3.4 数据解算总结

输入影像信息相应的POS 数据，相对定向、匹配提前特征点与已连接点、区域网平差，生产测区的空中三角测量结果。在此基础上，有效将特征点提取出来，创建三角网与映射问题，生成三维倾斜模型。

3.5 矢量测图

使用EPS 三维测图系统，基于倾斜数据对建筑体以及点状物实施测量，在实际采集过程中，需要对各种地物赋予对应编码，编绘竣工图。

结语：

把无人机技术和倾斜摄影测量技术进行联合应用，可以同时发挥二者的优势，尤其是在规划核实测量中应用具备突出的优越性，已然成为今后发展的主要方向。不过，就目前而言，依旧存在一些技术难点与改进空间，因此需要持续展开研究分析，以此促进此次技术的进一步完善。