基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的地形圖測(cè)繪方法研究

肖永東

摘要：斜攝影測(cè)量技術(shù)作為一門快速發(fā)展的測(cè)繪技術(shù)，在高效作業(yè)的同時(shí)，成圖精度也不斷得到改善，為大比例尺地形圖的測(cè)繪提供了一個(gè)有效的選擇。本文通過實(shí)例對(duì)無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用進(jìn)行了框架上的論述，并通過必要的精度分析，驗(yàn)證了其應(yīng)用的可靠性。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影測(cè)量；無人機(jī)；三維建模；大比例尺地形圖

1、引言

作為一種體現(xiàn)地形具體空間分布的圖件，地形圖尤其是大比例尺地形圖在國家安全、國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)等方面發(fā)揮著重要作用。隨著空間數(shù)據(jù)獲取方式的演進(jìn)，雖然全站儀、RTK等數(shù)字化測(cè)圖技術(shù)相較傳統(tǒng)成圖技術(shù)有了很大的效率提高，但是，其最本質(zhì)的作業(yè)方式依然是工作人員必須到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，具有很大的應(yīng)用局限性。近年來，基于航空攝影測(cè)量理論，側(cè)重于小區(qū)域、大比例尺測(cè)繪技術(shù)的無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)，以其模型生產(chǎn)速度快、精度高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、空域申請(qǐng)相對(duì)簡(jiǎn)單等眾多優(yōu)點(diǎn)，在地形圖測(cè)繪領(lǐng)域快速得到大量應(yīng)用。無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)可以獲取測(cè)區(qū)的真三維模型，直接在模型上進(jìn)行空間信息的獲取，全面提升地理信息獲取的精度、廣度和深度。

2、無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

傾斜攝影技術(shù)是近年來測(cè)繪領(lǐng)域快速發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，傾斜攝影測(cè)量主要從垂直和傾斜共五個(gè)不同方向?qū)τ跋駭?shù)據(jù)進(jìn)行采集，在攝像的同時(shí)記錄航速、航向、航高、縱向重疊和旁向重疊等空中姿態(tài)信息，在獲取影像數(shù)據(jù)后，利用傾斜攝影測(cè)量軟件系統(tǒng)對(duì)傾斜影像、POS數(shù)據(jù)和地面控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理并獲得測(cè)區(qū)的數(shù)字表面模型。作為一套完整的空間數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，包括了無人飛行平臺(tái)系統(tǒng)、飛行導(dǎo)航與控制系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、綜合保障系統(tǒng)等六大部分。在數(shù)據(jù)處理上，常見的傾斜攝影測(cè)量軟件包括ContextCapture、PhotoScan、Pix4Dmapper及Smart3D等。

3、傾斜攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)圖流程

基于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的大比例尺地形圖測(cè)繪工作主要包括：

3.1 基礎(chǔ)資料準(zhǔn)備

包括對(duì)測(cè)區(qū)的基本地形條件進(jìn)行熟悉，獲取測(cè)區(qū)的相關(guān)資料，如可用的老地形圖，控制點(diǎn)數(shù)據(jù)等，根據(jù)測(cè)區(qū)地形高差情況進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，工作時(shí)間安排；所采用無人機(jī)型號(hào)選擇，無人機(jī)功能性檢測(cè)，攝像機(jī)參數(shù)獲取等。

3.2 像控點(diǎn)布設(shè)

像控點(diǎn)在測(cè)區(qū)的分布狀況、數(shù)量及精度是影響傾斜攝影測(cè)量結(jié)果精度的主要影響因素，在野外布點(diǎn)方面，一般選擇特征明顯、易于識(shí)別、容易到達(dá)且不易被破壞的點(diǎn)位，有時(shí)輔以人工制作特征點(diǎn)位。目前在實(shí)際應(yīng)用中，多是使用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)的方法，即像控點(diǎn)沿著區(qū)域網(wǎng)四周按一定跨度布設(shè)平高控制點(diǎn)，內(nèi)部再布設(shè)若干排高程點(diǎn)，其布設(shè)密度應(yīng)嚴(yán)格按照《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》來安排。

3.3 無人機(jī)航空攝影

在基礎(chǔ)工作完成之后，即可實(shí)施野外攝影。在攝影時(shí)，應(yīng)根據(jù)測(cè)區(qū)大小、方向、測(cè)區(qū)高差及攝影比例尺、航向重疊度（70%-80%）、旁向重疊度（60%-70%）等要求進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，必要時(shí)要進(jìn)行分區(qū)。在實(shí)際攝影采集時(shí)，多用五鏡頭攝像頭，其中一個(gè)正攝，其余四個(gè)傾斜，但考慮到成本原因，有時(shí)也采用單鏡頭相機(jī)的方法進(jìn)行拍攝，只是這種拍攝方法需要通過不斷調(diào)整角度，持續(xù)飛行3-5個(gè)架次才能滿足要求。

3.4 內(nèi)業(yè)三維建模

外業(yè)攝影作業(yè)完成后，需要及時(shí)將數(shù)據(jù)導(dǎo)出轉(zhuǎn)入內(nèi)業(yè)處理，內(nèi)容包括：

（1）數(shù)據(jù)檢查：主要檢查航攝作業(yè)的飛行質(zhì)量以及所拍攝影像質(zhì)量，如實(shí)際影像重疊度、像片傾角和旋角、航線彎曲度，攝取覆蓋范圍、影像的清晰度、像點(diǎn)位移等。如果檢查內(nèi)容不滿足內(nèi)業(yè)規(guī)范和作業(yè)任務(wù)要求，則應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況重新擬定飛行計(jì)劃對(duì)局部區(qū)域補(bǔ)飛或重飛。

（2）空三加密：目前在無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程中，通常采用光束法區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差的方法，也稱聯(lián)合平差。聯(lián)合平差的基本原理是對(duì)運(yùn)用兩種不同觀測(cè)手段得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行平差，將控制點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)和像片的POS姿態(tài)數(shù)據(jù)作為外方位元素的初始值進(jìn)行聯(lián)合平差。

（3）實(shí)景三維模型建立：基于原始影像及空三成果，即可使用Pix4Dmapper等內(nèi)業(yè)處理軟件生成三維模型及派生數(shù)據(jù)，包括DOM、DSM（含DEM）、數(shù)字點(diǎn)云等數(shù)據(jù)。

3.5 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集

實(shí)景三維模型生產(chǎn)完成后，應(yīng)使用像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)對(duì)模型精度進(jìn)行檢查。模型精度符合相關(guān)規(guī)范要求后，采用相關(guān)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，如清華山維EPS三維測(cè)圖等進(jìn)行地形數(shù)據(jù)采集，作業(yè)模式采用先內(nèi)后外的模式生產(chǎn)。其主要作業(yè)流程如圖：

4、實(shí)例及精度分析

以曲靖市麒麟?yún)^(qū)某片區(qū)1：500傾斜攝影測(cè)量為例，測(cè)區(qū)大小3KM2，形狀基本規(guī)則，東西走向。采用華測(cè)P550六旋翼無人機(jī)搭載五鏡頭一次性數(shù)據(jù)采集方案。因地勢(shì)相對(duì)平緩，且測(cè)區(qū)面積適中，故只分出一個(gè)測(cè)區(qū)。測(cè)區(qū)共布設(shè)像控點(diǎn)27個(gè)，檢查點(diǎn)64個(gè)，共獲取像片約5000張。內(nèi)業(yè)建模采用了 Context Capture平臺(tái)。建模完成后，采用EPS三維測(cè)圖軟件平臺(tái)進(jìn)行了內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集與編輯處理，最后成圖。期間，因少量地區(qū)植被茂盛，進(jìn)行了必要的外業(yè)補(bǔ)測(cè)。

為驗(yàn)證測(cè)繪成果的平面位置精度及高程精度，在本項(xiàng)目實(shí)例中，共選取了206個(gè)地物特征點(diǎn)，用RTK實(shí)測(cè)了其平面坐標(biāo)及高程，并將測(cè)量結(jié)果與圖上相應(yīng)位置的坐標(biāo)值進(jìn)行比較，并用中誤差計(jì)算公式計(jì)算地物點(diǎn)的中誤差，通過剔除少量幾個(gè)粗差，最終計(jì)算所得平面中誤差為±0.05m，高程中誤差為±0.09m，完全滿足1：500地形圖精度要求。

5、結(jié)論

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量方法因其快速便捷、效率及精度高、數(shù)據(jù)全面且干擾因素少等有點(diǎn)，為大比例尺地形圖測(cè)繪提供了一個(gè)更加有效的手段，可以預(yù)見，在今后的測(cè)繪領(lǐng)域中，將會(huì)被大規(guī)模使用。但同時(shí)，也因其平臺(tái)穩(wěn)定性、作業(yè)范圍與數(shù)據(jù)量等原因，限制了其在國家基礎(chǔ)測(cè)繪等大面積作業(yè)項(xiàng)目的推廣應(yīng)用，且對(duì)數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)硬軟件有了更高的要求。在實(shí)際項(xiàng)目中，應(yīng)該要根據(jù)自身的條件選擇最合適的測(cè)繪方法。

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（作者單位：云南能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院）