無人機傾斜攝影測量技術(shù)在基礎(chǔ)測繪中的應用

程 穎

近年來，隨著我國信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，使無人機技術(shù)在各個領(lǐng)域得以廣泛應用。無人機傾斜攝影測量技術(shù)結(jié)合了無人機和傾斜攝影技術(shù)兩者的優(yōu)勢，在無人機飛行過程中，采用傾斜攝影的方式獲取高重疊地形地貌影像數(shù)據(jù)的采集，利用自動實景三維建模和三維模型立體測量技術(shù)，實現(xiàn)免或少外業(yè)調(diào)繪。無人機傾斜攝影測量技術(shù)保障了影像信息的準確性和完整性，且相比于傳統(tǒng)測量，不需要耗費更多的人力，具有更高的靈活性和便捷性，帶來了更高的工作效率，節(jié)省了生產(chǎn)成本。相信在未來，無人機傾斜攝影測量技術(shù)定然能夠獲得更廣的發(fā)展空間。

1 項目概況

本文以某城鎮(zhèn)開發(fā)邊界內(nèi)1：500地形圖更新測量項目為例。項目在建設(shè)時，提出在較短的時間內(nèi)保證作業(yè)測圖等工作能夠完成。整個項目工期相對比較緊張，同時在精度方面要求比較高。因此采用傾斜攝影測量技術(shù)進行1：500數(shù)字化地形測量，同步生產(chǎn)實景三維立體模型、數(shù)字線劃圖（DLG）、正射影像圖（DOM），不僅項目可以在較短的時間內(nèi)完成，還能滿足精度方面的要求。

2 無人機傾斜攝影測量

利用南方測繪SF700A無人機搭配南方測繪五鏡頭T53P對某項目現(xiàn)場進行三維模型采集，采用攝影測量2D飛行，航向重疊度和旁向重疊度保證百分之七十。然后采集回來的數(shù)據(jù)用ContextCapture軟件進行空三計算并生成三維模型。

2.1 航攝航線規(guī)劃設(shè)計

根據(jù)測區(qū)形狀、地形起伏、現(xiàn)場建筑物的高度和分布情況以及無人機性能和相機參數(shù)等因素綜合考慮規(guī)劃航線，按攝區(qū)地形走向用直線方法敷設(shè)，航線的密度允許不一致，測區(qū)邊界線的始末航線必須保證側(cè)視鏡頭能獲取測區(qū)有效影像。

采用五鏡頭布設(shè)航線時需東西航線布設(shè)后再進行往返飛行，保證多個角度都能獲取傾斜攝影的影像照片。

具體航線敷設(shè)要求如下：

（1）航向覆蓋超出攝區(qū)邊界線五條基線，旁向覆蓋超出邊界線大于兩條航線，分區(qū)邊界覆蓋滿足分區(qū)模型生產(chǎn)的要求。

（2）相片航向重疊度和旁向重疊度分別為80%和70%。航飛中出現(xiàn)漏洞時，繼續(xù)采用前一次航攝飛行的數(shù)碼相機，對相對漏洞和絕對漏洞進行補飛，補飛航線的兩端要超出漏洞之外的兩條航線。

（3）按照設(shè)計的航飛高度飛行，實際航飛高度與設(shè)計航飛高度之差控制在50m以內(nèi)。同一航線上相鄰像片的航飛高度差控制在30m以內(nèi)，最大航飛高度與最小航飛高度之差控制在50m以內(nèi)。

（4）同一攝區(qū)內(nèi)有地形高度差，要保證影像地面分辨率及相鄰像對正確連接的情況下，一般不大于四分之一航攝航高。

（5）考慮空三加密和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理可行性，將同一分區(qū)最高點分辨率和最低點分辨率控制在2倍以內(nèi)。

2.2 像控點

2.2.1 像控點布設(shè)

像控點一般按航線全區(qū)統(tǒng)一布設(shè)，像控點在測區(qū)內(nèi)構(gòu)成一定的幾何強度。像控點要均勻布設(shè)在整個測區(qū)，選點要求：地面平整、點固定、點位無陰影、易識別且清晰、點區(qū)域無遮擋。如斑馬線角點、如房屋頂角點，方便內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理人員查找（如無明顯地標可人工噴油漆或撒白灰的方式設(shè)置地標）。

大面積規(guī)整區(qū)域，像控可按照品字形布點。如果在面積很大且精度要求較低時，可適當抽稀測區(qū)內(nèi)部像控。如果是帶狀測區(qū)，則在帶狀測區(qū)的左右側(cè)位置布點，布點路線可以按照“S”或“Z”字型布置。

2.2.2 像控點布設(shè)的密度

像控點布設(shè)首先要考慮測區(qū)地形和精度要求。按照規(guī)范要求，1：500地形圖測量，影像分辨率2cm,像控點密度為200m/個～300m/個。如地形起伏較大，地貌復雜，需增加像控點的布設(shè)數(shù)量（10%～20%）。很多飛機有RTK或者PPK后差分系統(tǒng)，理論上可以減少地面控制點的數(shù)量，可以根據(jù)項目測試經(jīng)驗自行調(diào)整。

2.2.3 像控點的采集

平面控制點和高程控制點的像控點采集，其測量工作遵循“從整體到局部，先控制后碎部”的原則，即先進行整個測區(qū)的控制測量，再進行碎部測量。常用的像控點采集方式有全站儀、GNSS靜態(tài)、RTK方式。本項目根據(jù)實際情況，采用RTK動態(tài)采集像控點，其精度達到相關(guān)標準，滿足相關(guān)要求。

2.3 傾斜航空攝影

傾斜航空攝影航飛方案的執(zhí)行階段。首先對無人機設(shè)備和各項材料進行飛行前的認真檢查核對，確認設(shè)備的參數(shù)設(shè)置和安裝正確無誤；然后項目負責人和飛手需要提前了解周邊的地形，并且要嚴格掌握天氣情況，保證無人機飛行的安全和符合航飛方案設(shè)計要求。

航攝階段。抵達測區(qū)后，先為正式飛行做準備，進行無人機飛行前的試飛調(diào)試。開始作業(yè)后，航攝時要保證光照度足夠并且太陽高度角大于45°，光照下的物體陰影不超過1倍，嚴格控制無人機航攝時間，宜在10min～15min以內(nèi)。如果所測區(qū)域建筑物有高層密集情況，適合在中午十二點前后1h內(nèi)攝影。

航攝結(jié)束后，應現(xiàn)場檢查數(shù)據(jù)的質(zhì)量和完整性，進行照片、機載POS、機載GPS數(shù)據(jù)、基站數(shù)據(jù)的下載拷貝。

航攝影像色彩飽和鮮明，色差反差適中，相同地物的色調(diào)基本一致，影像圖片清晰。影像豐富有層次，能辨別與地面分辨率相適應的細小地物影像，能夠建立清晰的立體模型。影像不能有缺陷，如污點、云煙、大面積陰影反光等。部分影像可以有少量的缺陷，但不影響立體模型之間的連接和三維模型建立，保證三維模型輸出可以正常使用。拼接后的影像無明顯模糊和重影錯位現(xiàn)象。

航攝中出現(xiàn)漏洞時，需要及時進行補攝和重攝。按原設(shè)計采用前一次航攝飛行的數(shù)碼相機對相對和絕對漏洞進行補攝，補飛航線的兩端要超出漏洞之外的兩條航線。

本項目航攝航高為180m，像片航向重疊度80%，旁向重疊度70%，每平方公里飛行照片數(shù)量平均為10000張，影像圖片清晰，無明顯模糊、重影、錯位現(xiàn)象，精度達到項目要求，后期技術(shù)處理時間較長。

3 三維建模

3.1 空三加密

由于傾斜航空攝影測量攝影傾角大，影像變形嚴重；分辨率變化大，尺度無法統(tǒng)一；重疊數(shù)多，需要多視角處理等特點，使其空中三角測量有異于常規(guī)數(shù)碼航空攝影測量中的空中三角測量方式。常規(guī)的空三加密軟件一般都不能實施，需要多視角航空攝影測量空中三角測量專業(yè)軟件進行數(shù)據(jù)處理，一般采用ContextCaptureCenter軟件。

在空中三角測量前，先對原始影像的亮度、對比度、色彩的調(diào)整和勻色進行預處理。進行勻光勻色處理后，達到縮小影像間色調(diào)差異，使影像色調(diào)層次均勻分明，色差反差適中，保持影像中地物的色彩不失真，避免有勻色處理的痕跡。

將相機參數(shù)、預處理后影像、pos文件、像控點坐標等數(shù)據(jù)導入軟件建立工程。軟件自動進行多視角影像特征點密集匹配，并以此進行區(qū)域網(wǎng)的自由網(wǎng)多視影像聯(lián)合約束平差解算，建立起在空間尺度可以適度自由變形的立體模型，完成相對定向；將外業(yè)測量的像控點在軟件中刺點，利用這些點的坐標對區(qū)域網(wǎng)模型進行約束平差解算，將區(qū)域網(wǎng)納入到精確的大地坐標系中，完成絕對定向。

空三完成后，要及時查看精度報告，對精度超限的像控點進行原因分析，適當調(diào)整像控點位后重新進行平差計算，直至所有點位結(jié)果符合項目精度要求。

3.2 三維建模和模型修飾

本項目采用ContextCaptureCenter軟件在計算機集群下進行全自動三維建模。在CC軟件中完成空三后，直接提交模型生產(chǎn)，軟件自動執(zhí)行三維TIN格網(wǎng)構(gòu)建、白體三維模型創(chuàng)建、紋理映射和三維場景構(gòu)建等步驟，最終生成實景三維模型。

模型修飾原則上只對水域空缺或模型漏洞進行修補，采用Smart3D軟件和水面或補飛數(shù)據(jù)進行約束干預后重新生成模型，使模型不存在漏洞。

模型的生產(chǎn)需滿足以下要求：

（1）三維模型的體塊構(gòu)模是根據(jù)傾斜影像匹配確定而成的，可以對地形、建筑物等模型進行一體化表示，模型的紋理通過獲取的航空影像表現(xiàn)。建筑物三維體塊模型應位置準確且完整，具有現(xiàn)實性，與獲取的航空影像表現(xiàn)一致。

（2）建筑物模型要精準反映外輪廓及房頂?shù)幕咎卣?。將模型置?00m視點高度下瀏覽，沒有明顯的紋理漏洞或拉伸變形。當建筑物高度較高較為密集且有相互遮擋時，建筑物遮擋部分的側(cè)視紋理不能完全獲取，導致三維模型的細節(jié)不能全部表現(xiàn)出來，可以出現(xiàn)局部位置的拉伸變形。

（3）建筑物模型的比例，高度和平面尺寸要與實際保持比例一致，建筑物模型高度的誤差不能大于百分之十，完成的三維圖像，重點部位紋理情況可以清晰的分辨出來。

3.3 基于三維實景模型的數(shù)字線劃圖制作

基于三維實景模型，采用裸眼測圖方式，在實景三維模型上勾繪建筑物、道路、水系等各類地物要素，同時記錄屬性值。對由于房屋、屋檐、門檐、樹木等遮擋導致生成的模型局部變形，三維測圖時不能準確采集的地物，用特殊符號標記，在下一工序中安排實地補測。

建（構(gòu)）筑物輪廓提取。通過采集點智能附著于模型表面，可以結(jié)合采用直角采集、直線采集和房棱采集多種繪制方式完成，三者分別通過線面直角關(guān)系、直線相交和房棱關(guān)系來確定建筑物輪廓。繪制方法如下：①房棱繪房法。此方法適合用于比較簡單的房屋，用鼠標點擊房屋的每一條棱，形成閉合圖形來確定房屋的輪廓；②直角繪房法。原理與房棱繪房相同，但僅適用于每個面都相互垂直的房屋；③直線繪房法。是通過在房屋的每個面點擊任意兩點來確定一條直線，通過直線的相交形成閉合圖形以確定房屋輪廓，適用于結(jié)構(gòu)比較復雜的房屋。結(jié)合三種繪房方式綜合處理各種復雜結(jié)構(gòu)房屋和被遮擋房屋，保證采集精度。

線狀要素包括水系線、陡坎、道路、地類界等，利用模型細節(jié)豐富的紋理特征，再通過高精度傾斜模型的旋轉(zhuǎn)與縮放，來識別上述地物的類型和走向，基于采集點直接附著于模型表面的特性，獲取平面位置和高程。

點狀要素包括井蓋、路燈、電線桿、控制點等，對點狀物進行高精度采集，采用軟件采集點自動捕捉點狀地物中心點功能。高程點通過線實體和面實體進行提取，輸入控制參數(shù)控制面內(nèi)區(qū)域或線上高程點進行密度的自動提取。

4 總結(jié)

4.1 取得的成果

4.1.1 項目取得的成果

本項目在較短的時間內(nèi)，投入較小的人力物力，完成1：500數(shù)字線劃圖（DLG）面積85km2，同步生產(chǎn)實景三維立體模型、正射影像圖（DOM），實現(xiàn)了純內(nèi)業(yè)的數(shù)字化成果。在分批次隨機抽取的樣本圖幅中，平面位置中誤差最弱值為MS=±0.14m，高程注記點高程中誤差最弱值為MH=±0.14m,檢驗結(jié)果均滿足技術(shù)要求。

4.1.2 無人機傾斜攝影測量的優(yōu)勢與缺點

（1）無人機傾斜攝影測量的優(yōu)勢。

①自動化程度高。根據(jù)測區(qū)實際情況規(guī)劃好航線，無人機起飛后可根據(jù)設(shè)計的航線自動拍攝影像。②相同的測量任務，使用無人機傾斜攝影測量技術(shù)開展基礎(chǔ)測繪測作業(yè)，效率明顯比傳統(tǒng)實測更高。③作業(yè)能夠更快的進行視覺轉(zhuǎn)換。無人機機身較輕，幾乎可以在限定的高度內(nèi)完成任何飛行視覺的轉(zhuǎn)換。通過無人機內(nèi)部的POS數(shù)據(jù)，測繪時可以完成數(shù)據(jù)模式的現(xiàn)場分析。通過無人機搭載的核心芯片，可以遠程傳輸自動化程序的處理物體數(shù)據(jù)，以便計算機更好的進行三維建模。④降低生產(chǎn)成本。傳統(tǒng)測繪與無人機傾斜攝影測量對比：外業(yè)數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)測繪0.016平方公里/人·天，而無人機傾斜攝影測量外業(yè)數(shù)據(jù)采集可以達到2平方公里/人·天～3平方公里/人·天；空三建模。傳統(tǒng)測繪無需建模，無人機傾斜攝影測量單機0.3平方公里/天；內(nèi)業(yè)采集。傳統(tǒng)測繪不額外計算工時，內(nèi)外業(yè)同步，無人機傾斜攝影測量內(nèi)外業(yè)分離，需0.06平方公里/人·天；外業(yè)調(diào)繪及上圖。兩者都需要0.2平方公里/人·天；傳統(tǒng)測繪外業(yè)工作量大，易受天氣影響，進度不可控，而無人機傾斜攝影測外業(yè)工作量小，進度可控性高。因此使用無人機作業(yè)人員數(shù)量能夠減少50%，生產(chǎn)周期縮短50%，節(jié)省下來的時間可以幫助內(nèi)業(yè)技術(shù)人員更好地進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的工作，降低人工誤差。⑤多樣化產(chǎn)品。通過對無人機傾斜攝影測量技術(shù)的合理利用，不僅能夠從根本上促使地形圖自身的精準性得到提升，還可以結(jié)合現(xiàn)實要求，對符合實際情況的三維模型進行有效落實。除此之外，成果資料在規(guī)劃和建設(shè)等各方面的工作開展中，都可以為其提供可靠的數(shù)據(jù)信息，保證提供的數(shù)據(jù)信息具有真實性、準確性、有效性。

（2）無人機傾斜攝影測量的缺點。①無人機受高溫或低溫、雨雪、大霧、大風等天氣的影響，都不適宜飛行。②無人機續(xù)航能力短，單塊電池只能作業(yè)30min～50min。③影像數(shù)據(jù)量大，處理時間長，對計算機配置要求高。

4.2 前景與展望

就現(xiàn)階段無人機技術(shù)的發(fā)展情況進行分析，能夠看出，無人機傾斜測繪技術(shù)已經(jīng)得到了普及，在基礎(chǔ)測繪中都發(fā)揮了重要的作用。無人機技術(shù)以其自身的技術(shù)優(yōu)越性，靈活、高效的進行數(shù)據(jù)采集和圖像拍攝，靈敏地進入各種地區(qū)地形進行作業(yè)等特點，讓基礎(chǔ)測繪工作取得了更好的效果。同時能夠看出無人機技術(shù)的廣闊應用領(lǐng)域以及更加寬泛的發(fā)展空間，未來其能夠朝著更加規(guī)范化和高水平的方向進一步發(fā)展，在多種領(lǐng)域都能夠發(fā)揮出重要的作用。而對于無人機的軟硬件設(shè)施進行研發(fā)，也是未來一段時間內(nèi)重要的研究工作，需要不斷提升無人機飛行的工作性能，提供更清晰的圖像指導，同時也要讓數(shù)據(jù)的準確度進一步提高，不斷減少制作成本，提升測繪收集的數(shù)據(jù)的安全性，不斷提升后期的數(shù)據(jù)傳輸和處理能力，讓無人機在未來得到更好的發(fā)展，在技術(shù)上取得較高的技術(shù)突破。

5 結(jié)語

隨著數(shù)字城市、智慧城市建設(shè)的全面發(fā)展，城市規(guī)劃及建設(shè)對地形圖的需求與日俱增，且更新周期越來越短。無人機傾斜攝影憑借機動靈活的操控性、高分辨率、高效率、低成本等特點，讓無人機傾斜攝影測量技術(shù)在基礎(chǔ)測繪中發(fā)揮出重要作用。無人機航攝系統(tǒng)軟硬件技術(shù)難點不斷突破，已達到實用化階段，且成為現(xiàn)代化數(shù)據(jù)采集的主要手段，將無人機傾斜攝影測量技術(shù)應用于基礎(chǔ)測繪中，具有作業(yè)效率高、適應范圍廣等特點，將是未來新型基礎(chǔ)測繪體系服務的發(fā)展趨勢。本文通過對現(xiàn)階段我國應用無人機的發(fā)展現(xiàn)狀和無人機傾斜攝影測量方法、實際應用及技術(shù)優(yōu)勢介紹分析，論證了無人機傾斜攝影測量技術(shù)應用于基礎(chǔ)測繪的適用性和高效性。