無人機傾斜攝影測量在太原市天龍山1∶5 0 0 地形圖中的應(yīng)用

李 進

（太原市測繪研究院，山西 太原 030002）

0.引言

無人機傾斜攝影測量為當下前沿的科技形式，其在靈活性、高效性以及精準性等多個方面有著極大的優(yōu)勢，于小區(qū)域以及飛行困難區(qū)域在高分辨率影像快速獲得方面有著重要意義。

基于無人機技術(shù)與數(shù)碼技術(shù)的不斷融合，以無人機為基礎(chǔ)的數(shù)字航攝技術(shù)優(yōu)勢越來越明顯，無人機和航空測繪融合促使無人機數(shù)字低空遙感在航空遙感領(lǐng)域展露頭角，得到業(yè)內(nèi)普遍認可。通過使用無人機開展航測成圖以及三維建模的手段，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在數(shù)字化城市建設(shè)、工程測量、不動產(chǎn)測繪等工作中，對推動航測行業(yè)發(fā)展進程意義重大。

此次以太原市天龍山地區(qū)為研究區(qū)域，開展無人機傾斜測繪，同時就技術(shù)的特性以及操作過程予以分析。最終獲得了全要素1∶500的數(shù)字線化地形圖，為區(qū)域規(guī)劃提供重要支持。

1.實施方案

1.1 天龍山1:500地形圖生產(chǎn)流程圖（如圖1所示）：

圖1 天龍山1:500地形圖生產(chǎn)流程圖

1.2 無人機航空攝影

1.2.1 任務(wù)區(qū)概況

任務(wù)區(qū)位于太原市晉源區(qū)天龍山自然保護區(qū)窯頭村、五坡村、天龍山石窟沿線兩側(cè)。項目測繪面積2.615km2，折合1∶500地形圖52.3幅。任務(wù)區(qū)區(qū)域范圍示意圖（如圖2所示）：

圖2 任務(wù)區(qū)區(qū)域范圍示意圖

1.2.2 像控點布設(shè)及量測

用任務(wù)區(qū)2021年優(yōu)于1m分辨率的地理國情監(jiān)測影像和太原市電子地圖作為像控點布點方案設(shè)計底圖，采用山西省CORS網(wǎng)進行動態(tài)測量獲取測區(qū)像控點。像控點的平面、高程精度要求均按照1∶500地形圖控制點成果精度要求執(zhí)行。像控點方位，首先為基于內(nèi)業(yè)結(jié)合控制情況予以概選，就內(nèi)業(yè)難以精準確定的，可備選相關(guān)點位，之后外業(yè)綜合當?shù)貙嶋H予以配置，外業(yè)點位的選取盡量和內(nèi)業(yè)保持一致。加密組提供外業(yè)控制組縮小片和放大片一套（如圖3所示）：

圖3-1 內(nèi)業(yè)概選控制點附圖（縮?。?

圖3-2 內(nèi)業(yè)概選控制點附圖（局部放大）

測區(qū)范圍內(nèi)進行15個像控點的布設(shè)，為天龍山1∶500地形圖的攝影測量提供坐標數(shù)據(jù)。根據(jù)實地測量，于水泥路紅色油漆做一長寬分別是40cm、20cm的L形標記。

1.2.3 航線設(shè)計

根據(jù)任務(wù)區(qū)地形地貌進行分區(qū)，使用飛馬無人機管家進行航線的設(shè)計。結(jié)合緩沖設(shè)備對測繪的范圍線予以150m的范圍擴展，確保任務(wù)區(qū)邊際地物搜集全面性，建模期間不存在破洞。航線飛行方向為東西向，運行的傾斜航向以及旁向重疊度分別為80%、60%，具體航線圖（如圖4所示）：

圖4 航線設(shè)計圖

1.2.4 影像數(shù)據(jù)檢查及預(yù)處理

將影像按相機和架次進行分類，確保對每一相機、每一架次都單獨進行編號分類。

根據(jù)內(nèi)業(yè)處理需要，在不影響地物立體觀測、屬性判讀前提下可對數(shù)字航片進行格式轉(zhuǎn)換、影像旋轉(zhuǎn)、畸變糾正、圖像增強等影像預(yù)處理。對航片進行色彩、亮度和對比度的調(diào)整以及勻光勻色處理時，光線明暗差異性不高、同個的航線可選擇統(tǒng)一調(diào)色模板，明暗差異性高、大氣透明性不大情況下，需要就影像開展一一調(diào)色，繼而實現(xiàn)最理想的真實顏色。

將POS數(shù)據(jù)進行分析整理，確保POS數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)對應(yīng)，排查相機檢校文件全面性以及一致性，密切關(guān)注其焦距、規(guī)格以及分辨率等指標是不是全面。

1.2.5 空中三角測量

1.2.5.1 加密分區(qū)

加密分區(qū)劃分綜合考慮垂直影像分辨率、攝區(qū)地形特點、航攝分區(qū)、測區(qū)形狀、計算機硬件承載能力、攝影測量軟件承載能力等因素，劃分原則如下：

(1)需要結(jié)合航攝區(qū)劃為其區(qū)域分塊邊際，分塊不應(yīng)當跨區(qū)；

(2)分區(qū)間旁向有2—3條航線的重疊，航向有3—4幅影像重疊；

(3)分塊外觀需要保持規(guī)則性，可以為矩形或正方形等。

1.2.5.2 相對定向

依賴計算機圖像識別算法基于攝影測量系統(tǒng)軟件自動提取影像的特征點，然后基于影像重疊區(qū)域進行像素級匹配，搜索連接點，獨立計算每組相機的焦距和畸變。

1.2.5.3 相對定向及精度檢查

加密分區(qū)相對定向結(jié)果精度評定：同名特征點匹配中誤差小于1個像素；

一般單張影像可匹配300—500個同名點，而且同名特征點分布必須均勻，水域及弱紋理區(qū)域匹配點會少一些。

三維視圖檢查像片姿態(tài)：空中相機曝光位置排列連續(xù)而且規(guī)則合理；地面三維彩色連接點分布呈現(xiàn)為連續(xù)剛體，全區(qū)域沒有“飛”到天上或地下的相機位置，地面上匹配的點云也沒有“飛”的顯現(xiàn)。對于出現(xiàn)連接點分層或斷裂的情況，均為相對定向失敗，應(yīng)人工量測部分連接點之后再執(zhí)行自動相對定向。

1.2.5.4 控制點測量

主要步驟：預(yù)先分析檢測周邊重要區(qū)域控制點，之后對部分目標清楚精準的像控點予以檢測，再開展概略一次平差，之后對測控點予以檢測，每檢測一些控制點以后均需要開展一次平差分析。各個平差分析完畢之后均需要對偏差較高的點予以仔細校核，循環(huán)往復(fù)對各個點進行檢測、平差以及校核，直至所有的測控點完成檢測。整個量測過程為逐步深入的，預(yù)先就不存在問題以及目標清楚的控制點予以檢測，隨后慢慢對存在問題的點進行量測。

1.2.5.5 平差策略

策略一：預(yù)先搭建基礎(chǔ)可靠的加密管控網(wǎng)絡(luò)，可預(yù)先檢測三成的管控點，同時確保平差結(jié)果趨于技術(shù)設(shè)計精度需要。之后，逐個檢測其余點位、平差解算、誤差分析處理。

策略二：分級分組設(shè)權(quán)（權(quán)是控制點的可信度、沒有單位）、分級平差。1∶500地形圖航測加密平差權(quán)值為0.15，空三加密應(yīng)該先將權(quán)設(shè)為0.6進行平差解算，并對控制點的殘差進行評估和改正；再將權(quán)設(shè)為0.3，同樣再進行控制點的殘差進行分析處理；最后才能把權(quán)設(shè)為0.15，并最終確定各個控制點殘差的準確性。

策略三：將一些控制點設(shè)成檢查點，檢查控制點殘差的穩(wěn)定性?？刂泣c當作檢查點期間的偏差大小需要維系恒定，就控制點殘差變化較大的應(yīng)當研究其誤差產(chǎn)生的原因。

1.2.5.6 使用強制平差的方案進行全區(qū)整網(wǎng)約束平差

最終平差權(quán)設(shè)置為0.15，進行最后的強制平差，選擇自檢校平差模式消除系統(tǒng)差。平差結(jié)果規(guī)定平面內(nèi)的偏差低于3mm，高程中偏差低于5mm，控制點最大殘差值平面小于0.08m，高程最大殘差值小于0.1m，檢查點殘差參考控制點可放寬1/2。

1.2.5.7 對空三結(jié)果精度的檢查

檢查方案一：把控制點加密結(jié)果和外業(yè)結(jié)果予以校核排查，分析平面高程偏差應(yīng)當不高于0.15m，偏差較高的點需要予以排查分析。

檢查方案二：將加密成果導(dǎo)入立體測圖模塊進行多個模型切點檢查，檢查結(jié)果平面高程誤差小于0.15m，誤差大的點應(yīng)進行多個立體模型切點檢查，認真分析誤差的來源并作處理。

檢查方案三：利用外業(yè)檢測點檢查，將內(nèi)業(yè)立體測圖成果與外業(yè)實測的檢查點成果進行比對檢查，檢查結(jié)果平面、高程誤差小于0.15m。

1.2.6 三維實景模型的建立

定向完畢之后，予以建模，確定最終的坐標系系統(tǒng)、范圍和分塊規(guī)格，結(jié)合自主建模系統(tǒng)獲得三維實景模型（如圖5所示），選擇分辨率為0.1m。此次得到空三精度平面最高偏差為0.02，高程最高偏差為0.02，都處在要求的限差之中。

圖5 三維實景模型

1.3 數(shù)字化地形圖測繪

1.3.1 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集和編輯

數(shù)據(jù)采集采用航攝（傾斜攝影）先內(nèi)后外方式成圖，軟件采用清華山維EPS平臺工作站,模板使用“太原基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫標準500.mdt”。全要素進行采集，采集過程中地物遇到樹木遮擋或者陰影部分標注“遮擋”。通過三維模型對房屋層次、房檐進行改正，參考1∶500、1∶2000地形圖已有資料對河流、道路名稱進行編輯，對河流、支渠、植被等進行構(gòu)面。理論層面主要基于內(nèi)業(yè)定位以及外業(yè)定性。前者對于可靠的可以精準判定的地物、元素，結(jié)合圖示符號形式予以采集，而就難以精準把控的則盡可能采集，同時做出標記，從外業(yè)實地予以精準定位找補。最后的全要素1∶500的數(shù)字線劃地形圖（如圖6所示）：

圖6 全要素1∶500數(shù)字線劃地形圖

1.3.2 外業(yè)補繪

結(jié)合內(nèi)業(yè)編輯以后的地形圖數(shù)據(jù)以及影像，獲得外業(yè)調(diào)繪底圖。以RTK直接測量或全站儀極坐標法調(diào)繪為主，紙質(zhì)調(diào)繪影像圖為輔助的作業(yè)方式進行外業(yè)調(diào)繪，調(diào)繪時數(shù)據(jù)時效性以作業(yè)時間為準。外業(yè)補繪時，同時對內(nèi)業(yè)采集的數(shù)據(jù)進行過程檢查。

1.3.2.1對內(nèi)業(yè)采集編輯階段標明遮擋的內(nèi)容進行調(diào)繪。

1.3.2.2 對于內(nèi)業(yè)解譯無法準確識別的地物以及內(nèi)業(yè)無法確定的各類要素屬性信息等通過外業(yè)進行調(diào)繪核查。

1.3.3 地形圖的編輯

依據(jù)外業(yè)補繪成果，將地形圖數(shù)據(jù)再次進行編輯，檢查合格后整理形成最終成果數(shù)據(jù)。

1.3.3.1 點狀元素的編輯預(yù)先排查是否存在偏差、錯位等情況，之后排查其和其他要素是否存在矛盾，再編輯。

1.3.3.2 面狀要素要閉合，房子的建筑材料標記于前，層數(shù)標記于后。結(jié)合外業(yè)標記房檐信息并予以糾正。

1.3.3.3 確保地類封閉的基礎(chǔ)上，各個植被符號都結(jié)合外業(yè)調(diào)繪為參照，符號于圖內(nèi)的密度主要結(jié)合面域規(guī)格適度的放寬1-3倍表示。水塘標注塘字樣，魚塘則標注魚字樣，只是繪制邊線，不對暈線進行繪制。

1.3.3.4 工礦公司和有關(guān)單位橫跨兩幅圖情況下，名字于各個圖都要求標注，相鄰的兩幅圖務(wù)必予以位置及屬性的接邊處理，自由邊于內(nèi)圖廓線予以處理。

1.3.3.5 各個標注通常是正向，字頭朝向北圖廓，包括街名、河名以及管線等的標注字向以及字序等結(jié)合圖示要求標注。

1.3.3.6 居民區(qū)、鎮(zhèn)政府以上政府名稱標注則結(jié)合設(shè)計文件要求字體以及大小進行。鄉(xiāng)級以上林牧場等所處區(qū)域結(jié)合鄉(xiāng)鎮(zhèn)級字體以大小標注。鎮(zhèn)以下的居民區(qū)名字則結(jié)合村委會所處區(qū)域的自然村名字標注。

1.3.3.7 各個說明注記主要表示機關(guān)、院校以及工礦機構(gòu)等等，結(jié)合級別關(guān)系以及主次關(guān)系等選取對應(yīng)大小的字體標注。

1.3.3.8 山、山梁等名字結(jié)合范圍情況選擇二級字大標注，如果山名和三角點名一致時，則只是標記點明而不用標注山名。

1.3.3.9 江、河、溝渠等的名字，結(jié)合自然形態(tài)排布標記，河道等的名字往往于圖內(nèi)間隔15—20cm進行標注，河源位置選擇最小字大標注其名字。

1.3.3.10 未提到的要素按《1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖圖式》規(guī)定相應(yīng)字大注記。

2.精度質(zhì)量檢查

2.1 地物點平面高程精度檢查

通過外業(yè)打點對成果進行精度檢查，本次成果合計52.3幅。外業(yè)平面打點22個，高程打點21個。平面中誤差±0.084m，符合限差±0.25m；高程中誤差±0.084m，符合限差±0.15m。詳細精度分析（如圖7、圖8所示）：

圖7 平面位置精度檢測

圖8 高程精度檢測

2.2 地形圖圖面檢查

編輯完成后進行數(shù)據(jù)監(jiān)理與圖面整飾，數(shù)據(jù)監(jiān)理主要包括：編碼合法性、層合法性、空間邏輯、重疊對象、面包含、地物交叉、面懸掛、斷線檢查等；圖面整飾主要根據(jù)圖廓的格網(wǎng)依次檢查各個格網(wǎng)內(nèi)符號、注記規(guī)格是否符合圖示規(guī)定，圖面內(nèi)符號、注記以及圖廓之間是否有壓蓋等。

3.結(jié)束語

本文概述了無人機傾斜攝影技術(shù)對1∶500的大比例尺測圖有效應(yīng)用，對模型生成、三維測圖和數(shù)字化成圖等予以分析，對無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)的構(gòu)建予以研究。

結(jié)合實例，就該測量技術(shù)進行了深度的分析，實踐得出該技術(shù)能夠為智慧城市以及有關(guān)行業(yè)發(fā)展提供一定的便利，也能夠更為廣泛地被使用在多個行業(yè)中，有著廣闊應(yīng)用空間。