傾斜攝影測量技術(shù)在大比例尺地形圖測繪中的應用

黃金鑫

（中國公路工程咨詢集團有限公司（武漢）建設分公司，湖北 武漢 430000）

地圖在多種領(lǐng)域中均有重要的作用，精準無誤的地圖也是從業(yè)者們所追求的。地圖除了最基本的能夠顯示地形之外，也要根據(jù)各行各業(yè)的特殊需求進行車道、植被、農(nóng)田、房屋等信息的采集。地圖的測繪工作從過去的地面測量，到之后的空中測量，再到最近興起的無人機測量，測量技術(shù)在不斷進步，所提供的地圖也從過去僅顯示部分地形發(fā)展到現(xiàn)在的全信息收集。傾斜攝影測量技術(shù)的出現(xiàn)，能夠為大比例尺地圖繪制賦予新的能量。

1 傳統(tǒng)地圖測繪與傾斜攝影技術(shù)

地圖的歷史可以追溯到人類文明發(fā)展起源，地圖的作用也從過去的領(lǐng)土意識變成了現(xiàn)在的信息輔助工具。最為傳統(tǒng)的地圖測量方式為地面測量，采用的具體方法通常為坐標系測量法。坐標系測量法目前仍在小區(qū)域范圍內(nèi)的地圖繪制中進行應用，它的簡要操作是在繪制區(qū)域內(nèi)選取一點作為坐標原點，然后根據(jù)要求的精度進行坐標系的分割，例如將1 m作為單位，則該地圖的精度就為1 m。將擬定好的1 m標準在坐標系原點開始向遠處進行劃線，將測量區(qū)域分割成若干個1 m×1 m的方格，然后記錄每個方格內(nèi)的地理信息數(shù)據(jù)，例如地形有無房屋等。在測量區(qū)域的邊界處也能夠清楚地看到在哪個1 m的格子位置終止，然后將上述收集到的所有信息在地形圖中表述出來，即得到了精度為1 m的地圖。這樣收集地圖的方式原理簡單、容易理解，且無需任何后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，若需要更高精度的地圖，則需要將最小單位分割成更小的長度。

在中國航空領(lǐng)域技術(shù)逐漸發(fā)展成熟之后，空中測量地圖也成為了主流技術(shù)。相比于地面測量，空中測量能夠更快更迅速地測量較大區(qū)域的地形以及其他信息。它的原理通常與地面測量類似，同樣采取建立坐標原點，分割最小單位的方式。但在航空技術(shù)逐漸發(fā)展成熟之時GPS技術(shù)也在同步發(fā)展，此時已經(jīng)無需實際標出測量區(qū)域，在縮略圖上模擬標出測量線，只需通過計算機處理技術(shù)，將GPS坐標數(shù)據(jù)直接引入測量區(qū)域即可。這種方法的好處是多個測量區(qū)域也能夠疊加為一張地圖，因為采用的均為GPS坐標且原點是固定的，無論多少個地圖的測繪均可以整合在同一數(shù)據(jù)之中。采用此種方法進行的地圖測量，適用于省份地圖、國家地圖或更大區(qū)域的海域地圖制作等。

近些年來，無人機技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，民用無人機也成為了很多航空愛好者的必備設備。無人機屬于小型航天器，通常采用電池作為能源來源，無人機的導航方式采用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡和GPS的方式，再利用GPS導航信號的同時通常也與無人機使用者的手持終端進行持續(xù)通信。大部分無人機均內(nèi)置GPS導航網(wǎng)絡，利用現(xiàn)有衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行位置確定。無人機還能夠搭載其他設備如攝像頭，利用無人機進行攝影的技術(shù)也逐漸成熟和普及。

傾斜攝影指的就是無人機在空中攝影的過程中，對斜向的影像進行取景，在高度固定的前提下，即使無人機不到目標區(qū)域，也可通過傾斜攝影的方式對目標區(qū)域進行取景。由于多種因素影響，在傾斜攝影取景的過程中，可能會造成采集的圖像失真，近些年來經(jīng)過技術(shù)探究和人工智能的引入，對于如何通過傾斜攝影技術(shù)采集到高精度圖像，也有了較為成熟的操作模式和標準。

傾斜攝影技術(shù)與地圖測繪相結(jié)合也在此時出現(xiàn)，顧名思義，就是將無人機傾斜攝影技術(shù)與地圖測繪相融合，使用無人機代替人工作業(yè)。下面將簡要說明傾斜攝影技術(shù)在地圖測繪中的應用。

2 傾斜攝影技術(shù)地圖測繪應用

2.1 概況勘察

在測繪工作開始之前，要對測繪的區(qū)域進行簡要勘察，主要勘察其地勢地形、有無危險源、有無軍事區(qū)等不適宜測量的區(qū)域。勘察要采取實地勘查的模式，盡量減少對網(wǎng)絡資料和陳舊資料的應用，力求準確真實，便于制定相關(guān)的測繪方案。使用無人機進行地圖測繪的過程中，需要有數(shù)據(jù)網(wǎng)絡和GPS信號的支持，也要注意勘察測繪區(qū)域是否滿足該條件。測繪的過程中會進行圖像采集，無人機圖像采集范圍較大，要確定在測繪區(qū)域內(nèi)是否有不適宜拍照的場景，如監(jiān)獄、軍事管控區(qū)以及其他實驗基地等。在勘查過程中，也要注意有無操作平臺及無人機的起落點和相關(guān)人員的聚集點。如果測繪區(qū)域是遠離市區(qū)的位置，還應注意生活區(qū)的建立，保障相關(guān)工作人員的后勤。在做好勘查工作并制定完備的方案，確定可以采用無人機測繪之后，才可進入下一步工作[1]。

2.2 無人機準備

首先是對使用的無人機進行全面了解，主要了解無人機的導航方式、續(xù)航能力、最大遙控高度和數(shù)據(jù)傳輸距離等。在無人機正式執(zhí)行任務之前，要進行簡單的測試。主要測試其最大續(xù)航能力、最大巡航高度和數(shù)據(jù)傳輸能力等，以避免在正式工作中出現(xiàn)失誤。在進入現(xiàn)場之后，還要重新測試無人機的通信能力和導航能力。對于無人機的易損件，需要在每次工作之前和之后進行檢查，保障其不帶病工作，確保安全的同時能夠保證工作效率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。在攜帶無人機進入工作區(qū)域后，應及時確定工作區(qū)域的充電位置，以保障無人機在工作中的能源補充。

2.3 巡航點和像控點選取

巡航點的設置主要針對無人機而言，除了傳統(tǒng)意義上的巡航點之外，還需要設置起飛降落點和備降點。無人機具備自動導航功能，在相關(guān)手持終端上設置好巡航路線之后，無人機會自動按該路線執(zhí)行飛行任務，并進行指定位置的圖像采集。正常情況下，無人機接到指令后，會從當前位置起飛，然后到達第一個任務點后執(zhí)行飛行任務，而后再去第二個巡航點執(zhí)行任務，以此類推。當無人機結(jié)束了最后一個巡航點的任務之后會返回最初的起飛位置。

巡航點所連接成的線即為無人機執(zhí)行任務的飛行路線，在進行飛行路線的規(guī)劃時，最需注意的就是無人機的續(xù)航能力，是否能夠滿足任務的要求，對于往返的路程也要給無人機留出預備的能源空間，以應對其他突發(fā)情況。在進行續(xù)航能力測試時，也要注意其攜帶的設備是否會影響續(xù)航能力。除了正常的起飛降落點之外，還要給無人機設置備降點，當能源突然減少或出現(xiàn)其他情況不足以支撐無人機飛到起飛降落點的時候應采取備降的形式，防止無人機失聯(lián)造成損失。

巡航點的選擇應注意和測繪工作的區(qū)域一致，如果遇到難以測量的位置可采取低空輔助測量或其他形式輔助測量，不能因為幾個巡航位置的改變而舍棄或更改整條線路。對于備降點，要充分進行勘察，當無人機觸發(fā)備降動作時，其已經(jīng)失去控制，備降動作通常是以最高高度飛行到指定坐標位置，然后垂直緩慢下降。這就要求選取的背景不能被障礙物遮擋，并且該點的信號強度要大，確保能夠被無人機精準識別。

像控點是針對測繪而言的基礎(chǔ)點，在選擇和設立的過程中，也有諸多注意事項。像控點能夠?qū)o人機當前的坐標信息進行矯正，也是對數(shù)據(jù)采集可信度的反向驗證。選擇像控點應注意，該點的位置精確并且沒有被遮擋，能夠被無人機直接檢測到。像控點也需設置多個，其間距不能夠超過無人機最大續(xù)航里程的1/2，這樣能夠保證每次無人機執(zhí)行任務時，均能夠至少經(jīng)過1個像控點。

2.4 數(shù)據(jù)采集與整理

數(shù)據(jù)采集是整個地圖測繪工作當中的重點，若前期工作做好，在數(shù)據(jù)采集過程中所進行的工作就會變得簡單。在數(shù)據(jù)采集的過程中，首先要將整體工作分解為若干個小的航線。在每個航行線路設置對應的巡航點，巡航點設置規(guī)則應遵循上文中所說的注意事項。在進行飛行工作之前，還要對無人機進行全面檢查，然后就可以開始執(zhí)行測量和采集工作了。通常無人機能夠全自動完成測量和采集工作，在設置好巡航路徑之后可將無人機設置為自動模式，這樣無人機在對應的點會進行圖像采集，所有的采集工作完成之后，即會飛回到最初的起飛點或飛行到備降點。

在工作區(qū)域選取和設立的過程中，應當注意所有的測區(qū)至少經(jīng)過2次測量，這樣能夠保證測量的準確性，且要保證所有的航線并不是完全重合的，以便從多個角度獲取同一個點的數(shù)據(jù)，這樣能在提高準確率的同時，也能為后期數(shù)據(jù)整理提供驗算和參考的價值。在數(shù)據(jù)采集的工作中，應建立數(shù)據(jù)采集臺賬，每個測量點應至少對應2次測量。而后可以通過臺賬的方式去查驗有無漏測的情況。

無人機飛行經(jīng)過的點僅僅通過了測量區(qū)域，而是否對測量區(qū)域進行了有效的數(shù)據(jù)采集，還需要進行后期的整理工作確認?？蓪φ諢o人機的飛行記錄和采集數(shù)據(jù)臺賬進行圖像篩選和對照。對于未采集到有效圖像或采集到的圖像不符合規(guī)定的點，應進行記錄。對于圖像漏采集的部分，應分析原因，探究無人機在該點是否因技術(shù)因素或設備影響造成了圖像漏采。對于拍攝不清晰或無法體現(xiàn)有效信息的部位，應考慮是否從其他角度重新設置拍攝點[2]。

2.5 補測

在數(shù)據(jù)采集、測量和資料整理工作完成之后，應對照工作成果，整理出需要重新測量的區(qū)域，然后進行補測工作。補測工作通常在測量工作整理之后立即進行，以便數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性。在補測時也應注意，所有的補測點至少經(jīng)過2次的測量，且與正式測量工作中的相鄰點也要進行重新測量。重新測量的目的，一方面是驗證補測數(shù)據(jù)的準確性，另一方面也是對誤差的糾正，防止因中間數(shù)據(jù)測量失誤而對相鄰數(shù)據(jù)產(chǎn)生的不利影響。

補測工作通常是測量工作的最后環(huán)節(jié)。所以在補測工作進行之后，應及時檢查整理所有的補測點是否補充到了有效合理的數(shù)據(jù)，且應及時驗證其準確性。對于大部分測量工作而言，在進行補測工作之后即撤出外業(yè)場地。所以一定要保證數(shù)據(jù)的準確性，防止將來還需重新返回場地，造成時間的損失和成本的增加。

2.6 內(nèi)業(yè)整理、數(shù)據(jù)糾錯

在拿到所有的測量點數(shù)據(jù)之后，就可以進行內(nèi)業(yè)資料的整理了。內(nèi)業(yè)整理過程中應注意分辨正式數(shù)據(jù)與廢棄數(shù)據(jù)的標記，對于廢棄數(shù)據(jù)及時舍棄，相關(guān)資料及時刪除，防止后續(xù)工作或其他交接過程中誤將錯誤數(shù)據(jù)整理進來。在進行傾斜攝影照片校正的過程中，應結(jié)合拍攝角度、拍攝時間、拍攝高度等多種參數(shù)，采取合適的校正工具和因子，保證傾斜攝影圖像的還原。內(nèi)業(yè)資料整理的過程中，同樣要進行數(shù)據(jù)的驗算工作，對于突然變化的坐標點或GPS信號極弱的位置，則考慮數(shù)據(jù)不可信，應采取其他正面或側(cè)面的方式對該數(shù)據(jù)點進行驗證，若發(fā)現(xiàn)誤差較大，也應按廢棄數(shù)據(jù)舍棄。在資料整理的過程中，還要注意目標工作的需求，對于需求數(shù)據(jù)可同步進行整理。

2.7 地圖繪制

數(shù)據(jù)整理完成后，即可進行地圖的測繪工作，與傳統(tǒng)地圖測繪工作類似，數(shù)據(jù)來源通過無人機傾斜攝影技術(shù)進行采集，因此數(shù)據(jù)處理與地圖資料生成在本文中不做過多贅述。在進行地圖數(shù)據(jù)生成時，應注意當?shù)叵嚓P(guān)標準和國家地圖規(guī)范，對于無人機采集到的不利于公開的數(shù)據(jù)，應在地圖整理的過程中省略或舍棄，防止因工作失誤造成其他不利影響。

3 傾斜攝影技術(shù)測繪優(yōu)缺點簡析

3.1 操作便利、效率高

在傳統(tǒng)測量工作中，無論是地面測量還是空中測量，均需要人的參與，但采用無人機傾斜攝影測繪技術(shù)，除了無人機操控人員之外，在外業(yè)工作過程中并不需要人的長時間參與，且測繪過程由無人機全自動完成，可由技術(shù)人員操控，多個無人機同時進行采集作業(yè)工作，這個過程是能夠節(jié)約很大的人力成本的。

與過去空中測量不同的是，無人機屬于民用飛行設備，不需要提前報備申請，也不會影響到民航線路或軍事層面。同一技術(shù)人員可同時操控多架無人機，不同無人機可設置不同的巡航高度，且無人機本身的體積較小，因此在起飛和降落的過程中對天氣和環(huán)境因素幾乎沒有要求，大大提高了效率[3]。

3.2 術(shù)業(yè)專攻、內(nèi)外業(yè)分離

采用無人機傾斜攝影測繪技術(shù)能夠做到內(nèi)業(yè)工作與外業(yè)工作的分離，進行外業(yè)工作的技術(shù)人員無需知曉地圖測繪相關(guān)知識，將無人機按預設流程起飛，并完成地圖測繪工作過程中的攝影作業(yè)即可。通過5G與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠做到無人機采集與內(nèi)業(yè)技術(shù)人員實時數(shù)據(jù)交互。在進行采集作業(yè)的過程中，外業(yè)技術(shù)人員可聽從內(nèi)業(yè)技術(shù)人員的相關(guān)指導，準確無誤地完成測繪作業(yè)，而無需像傳統(tǒng)測繪技術(shù)一樣，測繪人員須同時具備測繪知識和內(nèi)業(yè)整理能力。

3.3 操作簡單、失誤率小

當前傾斜攝影技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，對于傾斜攝影所采集到的圖像資料矯正也有了很便捷的操作流程。通過規(guī)范化操作，能夠?qū)A斜攝影中采集到的圖像精準還原，相比于傳統(tǒng)人工測量精準度有著極大的提升。無人機傾斜攝影測繪技術(shù)也沒有特別復雜的操作流程，將前期工作準備好之后，只需按預設路線放飛無人機即可，無人機可根據(jù)預設好的線路進行圖像采集，并通過當前高度和角度實時對采集到的圖像進行矯正完成傳輸，其余均可交由內(nèi)業(yè)技術(shù)人員進行資料整理和篩選。

3.4 局限性明顯，不利于“地圖開荒”

傾斜攝影測繪技術(shù)依賴無人機和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡系統(tǒng)。無人機的導航能力通常借助GPS系統(tǒng)實現(xiàn)，若有GPS信號未覆蓋或信號較弱的位置，無人機可能無法順利精準航行。如果待采集的區(qū)域被高大植被覆蓋，無人機在空中也無法進行拍攝。

無人機的續(xù)航能力通常較短，所以在測量區(qū)域選擇時應有完備的充電條件，以確保無人機順利續(xù)航。無人機依靠數(shù)據(jù)網(wǎng)絡進行傳輸，對于信號干擾較強的位置，也可能無法完成工作。在類似上述場景中，該技術(shù)目前還得不到有效的應用。

4 結(jié)語

傾斜攝影技術(shù)的出現(xiàn)，將無人機攝影帶到了一個全新的高度，通過該技術(shù)與地圖測繪工作相結(jié)合的形式，能夠讓地圖行業(yè)更簡單、更方便地獲取高精度地圖。該技術(shù)有著操作簡單、精度高、成本低、效率快的特點，隨著科技的發(fā)展和進步，也會有越來越多的新技術(shù)應用到地圖測繪領(lǐng)域之中，有效促進行業(yè)更好更快發(fā)展[4]。