無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在大比例尺地形圖測繪中的應(yīng)用研究

成云瑞

（三和數(shù)碼測繪地理信息技術(shù)有限公司，甘肅 天水 741000）

地形圖作為航攝4D 產(chǎn)品之一，在實(shí)際生產(chǎn)生活中有著廣泛的用途。早期大比例尺地形圖測繪，主要是利用全站儀、GPS-RTK 等進(jìn)行采集，這種方式作業(yè)效率低，作業(yè)成本高，周期長，而且長期外業(yè)工作，存在較高的風(fēng)險性，因此已經(jīng)無法滿足當(dāng)今社會的發(fā)展需求。近年來，隨著遙感技術(shù)和低空航空攝影測量的迅速發(fā)展，采用低空無人機(jī)搭載垂直相機(jī)獲取地面影像，然后通過對影像解算，得到每張影像的外方位元素，并結(jié)合相機(jī)的內(nèi)方位元素，將影像創(chuàng)建為立體像對，并基于立體像對采集地形圖成為了一種地形圖生產(chǎn)的重要作業(yè)方式[1]。但是立體測圖，本身對硬件配置要求高，要求必須采用專業(yè)的立體顯卡、立體眼鏡和立體發(fā)射器，而且對作業(yè)人員水平要求高，因此這種方式存在了一段時間后，也逐漸被淘汰了。隨著傾斜攝影測量技術(shù)的出現(xiàn)，采用裸眼的方式采集地形圖成為了一種主要的作業(yè)方式[2]。目前，主流的地形圖采集數(shù)據(jù)類型可以分為3 種：點(diǎn)云數(shù)據(jù)、DOM+DSM、實(shí)景三維模型。其中點(diǎn)云數(shù)據(jù)是指機(jī)載LIDAR 或者地面LIDAR 等方式獲取的LIDAR 數(shù)據(jù)，將其導(dǎo)入專業(yè)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接、糾正等操作，然后基于點(diǎn)云采集地形圖[3-4]；DOM+DSM 是指利用DOM 和DSM 2 種數(shù)據(jù)成果疊加進(jìn)行地形圖的測繪，其中DEM 提供平面位置數(shù)據(jù)，DSM 提供高程數(shù)據(jù)；實(shí)景三維模型是指基于傾斜攝影方式得到的成果，具有三維真實(shí)的視覺，精度高，可以作為地形圖采集的一種很好的作業(yè)方式。基于此，本文首先深入探討了傾斜攝影測量技術(shù)，其次以流程圖的形式對其作業(yè)流程進(jìn)行了簡單說明，并采用實(shí)景三維模型和虛擬立體相結(jié)合的方式，完成大比例尺地形圖的采集。最后，用檢測點(diǎn)對成果精度進(jìn)行了檢測統(tǒng)計，分析了統(tǒng)計結(jié)果，得出本文方案生產(chǎn)的地形圖，可以滿足1∶500 精度要求的結(jié)論，可以為大比例尺地形圖的測繪帶來一定的參考價值。

1 傾斜攝影測量技術(shù)

隨著無人機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，傾斜攝影測量技術(shù)取得了矚目的成績。傾斜攝影測量是指在飛行器上（通常指無人機(jī)）搭載傾斜航攝儀，從空中對地面，從多個角度獲取地面影像，如圖1 所示。然后采用專業(yè)的軟件，對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，并生產(chǎn)得到一系列測繪產(chǎn)品的技術(shù)。對于目前的無人機(jī)來說，有多旋翼和固定翼2種，對傾斜相機(jī)來說，有2 鏡頭、3 鏡頭、5 鏡頭甚至9鏡頭等。其中最常見的是5 鏡頭相機(jī)，其由1 個下視和4 個側(cè)視組成，在作業(yè)時，從不同角度獲取被攝物體的不同影像紋理信息。相機(jī)時，下視影像分辨率是側(cè)視的1.414 倍，這不利于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確解算。為了解決這一問題，在進(jìn)行5 拼相機(jī)組裝時，人為對側(cè)視相機(jī)焦距進(jìn)行調(diào)整，并且永久性對其固定，以防作業(yè)過程中相機(jī)焦距發(fā)生變化，造成航攝成果無法使用的問題發(fā)生。

圖1 傾斜攝影示意圖

2 作業(yè)流程

采用傾斜攝影方式生產(chǎn)地形圖，其主要包括前期的數(shù)據(jù)航攝、像控點(diǎn)布設(shè)等，對于內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)解算來說，其作業(yè)流程如圖2 所示。

圖2 傾斜攝影生產(chǎn)大比例尺地形圖流程

3 案例分析

如圖1 所示，可知在作業(yè)時，下視鏡頭是垂直地面拍攝的，側(cè)視相機(jī)是以一定的傾角進(jìn)行拍攝的。當(dāng)傾角為45°時，由圖1 可知，側(cè)視相機(jī)中心點(diǎn)距離被攝物體的距離是下視相機(jī)中心點(diǎn)距離被攝物體的1.414 倍（假設(shè)地面平坦），由此可知，當(dāng)采用同一款相同焦距的

3.1 像控測量

就目前技術(shù)來說，采用免像控技術(shù)生產(chǎn)的地形圖，其精度還是很容易超限的，因此本次在數(shù)據(jù)生產(chǎn)時，需要采集像控點(diǎn)。首先是將數(shù)據(jù)生產(chǎn)范圍和已有影像資料進(jìn)行套合，然后在ArcGIS 軟件中，按照400 m 左右的間隔，均勻布設(shè)一些像控點(diǎn)，在測區(qū)邊緣和拐角區(qū)域均加密布設(shè)像控點(diǎn)，并對像控點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一的編號。布設(shè)完成后，將套合的成果輸出為紙質(zhì)圖，提供個外業(yè)進(jìn)行像控點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集。為了提升像控點(diǎn)轉(zhuǎn)刺精度，在實(shí)際作業(yè)過程中，均采用油漆噴涂的方式進(jìn)行像控點(diǎn)的確定。一般常見的有“L”形靶標(biāo)和對三角靶標(biāo)，“L”形一般采用一種油漆噴涂，對三角通常采集2 種油漆噴涂。噴涂的點(diǎn)位一般選取四周遮擋少、不易被損壞的地方，這樣對于側(cè)視影像來說，像控點(diǎn)被遮擋的比率就會降低，點(diǎn)位使用率就會提升。本次采用紅白油漆噴涂對三角靶標(biāo)，然后在2 個相連的點(diǎn)位上采集坐標(biāo)值，具體如圖3 所示。

圖3 像控點(diǎn)坐標(biāo)值測量

為了防止偶然誤差帶來的影響，在坐標(biāo)值采集時，每個點(diǎn)位采集次數(shù)不少于3 次，每次平滑次數(shù)不少于20 次，然后每次采集的坐標(biāo)值，彼此較差在1 cm 內(nèi)，最后取平均值作為最終的測量值。

3.2 航空攝影

航空攝影主要包擴(kuò)航線規(guī)劃和影像數(shù)據(jù)的航攝2部分內(nèi)容。本次航線規(guī)劃采用WapPointMaster 軟件，導(dǎo)入任務(wù)區(qū)范圍，設(shè)置航向、旁向重疊度為75%和80%，影像地面分辨率為0.05 m，選用下視焦距為35 mm，側(cè)視為50 mm 的5 拼傾斜相機(jī)。沿著航向外擴(kuò)2 條基線，平行航帶外擴(kuò)2 條航線，從而保證任務(wù)區(qū)邊緣影像完整。在參數(shù)設(shè)置完成后，一鍵自動生成本次作業(yè)的航線軌跡數(shù)據(jù)。由于無人機(jī)續(xù)航時間短，本次生成的航線為多架次航線，部分規(guī)劃的航線如圖4 所示。

圖4 航線示意圖

其中孤立點(diǎn)點(diǎn)位曝光點(diǎn)，紅色的范圍為任務(wù)區(qū)范圍線。將規(guī)劃好的航線成果上傳至飛控，完成本次航攝任務(wù)。待影像數(shù)據(jù)采集完成后，對影像數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行查看。采用flycheck 軟件檢查下視影像的重疊度和姿態(tài)，人機(jī)交互形式查看影像的清晰度、對比度等。經(jīng)查，本次成果質(zhì)量良好，符合相關(guān)規(guī)范和項目要求。

3.3 模型生產(chǎn)

對于傾斜數(shù)據(jù)的解算和三維模型的生產(chǎn)，目前可以使用的軟件比較多，在綜合分析了多款軟件后[5]，本次選用國產(chǎn)的瞰景Smart3D 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的解算和三維模型的生產(chǎn)。首先對航攝的成果進(jìn)行預(yù)處理，用拖把更名器更改影像的名字，確保無重名影像，然后按照影像名字更改對應(yīng)的POS 名，確保影像和POS 準(zhǔn)確對應(yīng)。然后新建工程，加載影像數(shù)據(jù)和POS 數(shù)據(jù)，手動填寫相機(jī)的焦距，并快速對輸入的影像進(jìn)行檢查，確保無損壞的影像。然后提交空三任務(wù)，開啟引擎，設(shè)置引擎路徑，完成空三數(shù)據(jù)的解算和平差任務(wù)。自由網(wǎng)空三完成后，轉(zhuǎn)刺像控點(diǎn)，完成加密點(diǎn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。本次空三成果質(zhì)量良好，可用于本次實(shí)景三維模型的生產(chǎn)，并導(dǎo)出優(yōu)化后的影像內(nèi)外方位元素和未畸變照片，用于虛擬立體像對的構(gòu)建。

3.4 地形圖測繪

本次地形圖生產(chǎn)采用實(shí)景三維模型和虛擬立體像對相結(jié)合的方式進(jìn)行。

3.4.1 基于實(shí)景三維模型采集

對于模型精度高、模型完整的區(qū)域，采用EPS 軟件，直接在三維模型上進(jìn)行地形圖的采集。在采集的過程中，將采集的地形圖成果和正射影像疊加，對測繪的成果進(jìn)行查看，避免出現(xiàn)遺漏區(qū)域。由于模型可以從多個角度翻轉(zhuǎn)查看，因此在采集房屋時，按照要求直接對屋檐進(jìn)行改正。在采集等高線、高程點(diǎn)時，可以根據(jù)不同地形選擇不同的采集方式。在植被稀少區(qū)域，可以通過畫線或畫面的方式，輸入高程點(diǎn)距離或者密度，自動在模型上提取高程點(diǎn)；對于地形復(fù)雜區(qū)域，則直接在模型上手動采集高程點(diǎn)。對于等高線的生產(chǎn)，可采用高程點(diǎn)生產(chǎn)等高線，也可采用“水面淹沒”的方式，設(shè)置高程值，然后同一高程值自動構(gòu)成一個面，然后采集等高線。

3.4.2 基于虛擬立體像對采集

對于模型拉花區(qū)域，采用虛擬立體像對的方式進(jìn)行地形圖的補(bǔ)充測繪。將導(dǎo)出的內(nèi)外方位元素和未畸變照片加載到航天遠(yuǎn)景MapMatrixGrid 軟件中，依據(jù)像片之間的相鄰關(guān)系，創(chuàng)建虛擬立體像對，然后導(dǎo)入已有的地形圖成果，對其中未采集的區(qū)域，基于虛擬立體像對進(jìn)行采集，從而得到更加完整的地形圖成果。

2 種地形圖采集方式相結(jié)合，大大地減少了外業(yè)補(bǔ)充測量的工作量，并且在對電力線走向進(jìn)行判斷時，模型上電力線查看模糊，可基于原始影像對電力線走向進(jìn)行查看，從而減少外業(yè)屬性調(diào)查的工作量，極大地提高了地形圖的生產(chǎn)效率。

4 精度統(tǒng)計與評定

將檢測點(diǎn)導(dǎo)入到EPS 軟件中，對地形圖精度進(jìn)行檢測，部分檢測統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。

表1 地形圖精度檢測統(tǒng)計表

利用同精度中誤差計算方式，對本次地形圖精度進(jìn)行檢測，計算得到本次地形圖平面位置中誤差為±0.168 m，高程中誤差為±0.196 m，并且均為出現(xiàn)粗差值，成果精度符合1∶500 地形圖精度要求。

5 結(jié)束語

本文介紹了傾斜攝影測量技術(shù)，并對其在大比例尺地形圖生產(chǎn)中的作業(yè)流程進(jìn)行了簡單說明，以實(shí)際項目為例，對其中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并用檢測點(diǎn)驗(yàn)證了本文方案生產(chǎn)地形圖的可行性。通過對檢測結(jié)果分析可知，本文生產(chǎn)的地形圖，其精度可以達(dá)到1∶500 平地精度要求，可以為平地大比例尺地形圖測繪帶來借鑒。