無人機傾斜攝影技術在大比例尺地形圖測繪中的應用研究

摘? 要：針對采用單鏡頭生產(chǎn)的地形圖精度較低的問題，提出使用多鏡頭傾斜攝影方式制作大比例尺地形圖的方案。首先對傾斜攝影測量技術及作業(yè)流程進行了介紹，其次以實際項目為例，對關鍵環(huán)節(jié)進行了深入分析，最后利用檢查點在EPS軟件中對地形圖精度進行了檢測統(tǒng)計。結果表明，該次生產(chǎn)的地形圖精度可以滿足1：500比例尺精度要求，可為同行作業(yè)人員提供參考借鑒。

關鍵詞：無人機；傾斜攝影；實景三維模型；大比例尺地形圖

中圖分類號：TP391；P231? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）13-0141-04

Research on the Application of UAV Tilt Photography in Large Scale Terrain Map Surveying and Mapping

REN Yalong

（Sanhe Digital Surveying and Mapping Geographic Information Technology Co.， Ltd.， Tianshui? 741000， China）

Abstract： In response to the problem of low accuracy in terrain maps produced using a single lens， the author proposes a scheme to produce large-scale terrain maps using multi lens oblique photography. Firstly， the tilt photogrammetry technology and operation process are introduced. Secondly， taking an actual project as an example， key links are analyzed in depth. Finally， the accuracy of terrain maps is tested and statistically analyzed using checkpoints in EPS software. The results show that the accuracy of the terrain map produced in this production can meet the accuracy requirement of 1：500 scale， which can provide reference for peer operators.

Keywords： UAV; tilt photography; realistic 3D model; large-scale terrain map

0? 引? 言

數(shù)字線劃圖也被稱為地形圖，其有小比例尺、中比例尺和大比例尺之分。中小比例尺地形圖一般采用遙感數(shù)據(jù)生產(chǎn)，而大比例尺地形圖由于其精度要求高，因此通常采用外業(yè)實地測量和無人機攝影測量方式生產(chǎn)。外業(yè)實地測量是采用GPS-RTK、全站儀等設備，在現(xiàn)場進行作業(yè)。GPS-RTK需要衛(wèi)星信號覆蓋，在農村地區(qū)和城區(qū)，由于高山、建筑等遮擋，可能會使得GPS-RTK設備接收不到衛(wèi)星信號，從而影響測量精度。全站儀測量，要求架設全站儀的位置和被測點之間通視，這種方式需要頻繁更換設備架設位置，不利于高效作業(yè)。上述兩種外業(yè)實地作業(yè)方式作業(yè)效率低、勞動強度大、風險高、成本高。全野外作業(yè)方式，已經(jīng)無法滿足當今社會對數(shù)字線劃圖成果現(xiàn)勢性和高精度的要求了。近年來，隨著航天技術的迅猛發(fā)展，無人機設備成本的降低、衛(wèi)星導航精度的不斷提高，采用無人機攝影測量方式生產(chǎn)地形圖成為形圖生產(chǎn)的主要方式[1-3]。起初無人機攝影測量搭載單鏡頭進行影像數(shù)據(jù)獲取，基于虛擬立體像對進行大比例尺地形圖數(shù)據(jù)的生產(chǎn)，但是這種方式生產(chǎn)的地形圖精度低，很多情況下無法得到符合精度要求的測繪成果[4]。隨著相機重量的減輕和相機組裝技術的快速發(fā)展，無人機搭載多鏡頭從空中對地面進行航攝，獲取多視角影像數(shù)據(jù)，采用多視影像密集匹配算法，生產(chǎn)高精度高密度的三維離散點云數(shù)據(jù)，采用自動化紋理映射貼圖技術生產(chǎn)實景三維模型，并在三維模型的基礎上生產(chǎn)一系列測繪產(chǎn)品成為攝影測量產(chǎn)品制作的主流方案[5]。本文以實際生產(chǎn)項目為例，采用無人機搭載5鏡頭相機進行低空傾斜影像數(shù)據(jù)獲取，并利用ContextCapture軟件生產(chǎn)三維模型，采用EPS進行地形圖測繪。利用實地特征檢查點對地形圖精度進行檢測統(tǒng)計，采用高精度中誤差計算公式，對本文生產(chǎn)的地形圖，從平面和高程兩方面進行精度檢測。結果表明：采用本文方案制作的地形圖，其平面、高程較差和中誤差均滿足1：500比例尺地形圖精度要求，可為大比例尺地形圖的生產(chǎn)提供參考。

1? 傾斜攝影技術概述

1.1? 無人機傾斜攝影測量技術

無人機傾斜攝影測量是指以無人機為飛行平臺，搭載多臺影像傳感器進行影像數(shù)據(jù)獲取，采用攝影測量軟件，利用共線方程原理，借助多種算法，在海量影像中對影像之間的關系進行結算，匹配提取同名點坐標，并自動剔除粗差點，然后匹配高密度點云數(shù)據(jù)并構建不規(guī)則三角網(wǎng)，完成紋理的自動映射，得到可視的實景三維模型。并以三維模型為基礎數(shù)據(jù)，采用不同軟件生產(chǎn)一系列測繪產(chǎn)品。無人機一般采用固定翼和旋翼，固定翼其航飛時間長，作業(yè)效率高，多旋翼其航飛高度低，作業(yè)效率低，獲取影像分辨率高。搭載的多鏡頭常見到的是5鏡頭，其由4個側視相機和1個下視相機組成。下視鏡頭相當于傳統(tǒng)的垂直攝影測量方式，垂直地面進行影像數(shù)據(jù)的采集；側視鏡頭則是與地面呈一定的角度，從而獲取被攝物體的側面紋理信息。這種方式獲取的影像數(shù)據(jù)量是垂直攝影測量的5倍，數(shù)據(jù)冗余度非常高，對數(shù)據(jù)解算要求很高，但是傾斜攝影盲區(qū)更少，獲取的影像信息更加豐富，為更高精度的測繪產(chǎn)品生產(chǎn)提供了保障。隨著目前攝影測量軟件算法的不斷優(yōu)化提升，傾斜攝影數(shù)據(jù)已經(jīng)可以被準確解算了。

1.2? 基于傾斜攝影生產(chǎn)大比例尺地形圖的作業(yè)流程

其主要由外業(yè)和內業(yè)兩部分組成，外業(yè)涉及勘察測區(qū)、布點測點、規(guī)劃航線、航攝影像；內業(yè)主要涉及外業(yè)成果的預處理、空三加密、自動化三維模型生產(chǎn)、大比例尺地形圖制作。具體的作業(yè)流程，如圖1所示。

2? 案例分析

某區(qū)域要生產(chǎn)1：500比例尺地形圖用于規(guī)劃項目，任務區(qū)地勢較為平坦，房屋高度高差約50 m，建筑分布較為密集，車流量大，采用全野外方式作業(yè)成本高，危險性大；采用垂直攝影測量方式作業(yè)，成果精度無法保證。綜合考慮作業(yè)成本和成果精度，本次決定采用傾斜攝影方式進行地形圖的生產(chǎn)。

2.1? 像控點布設與采集

首先將任務區(qū)導入到LSV軟件中，按照500 m的距離均勻布設像控點，在任務區(qū)拐角處加密布設像控點，像控點要求將任務區(qū)完全覆蓋。布設時，要考慮人員能夠到達，并且布設的點位不易被破壞，不應該位于車流和人員活動密集區(qū)域，四周要空曠，像控點點位要盡可能地不出現(xiàn)在航攝盲區(qū)范圍內。布設完成后，將布設成果導出為kml格式，提供給外業(yè)像控點采集人員進行點位采集。為了提高像控點點位采集與轉刺的精度，本次使用紅色油漆在地面上直接噴涂L形，如圖2所示。對于不能噴涂的區(qū)域，則將靶標L形板子固定在地面上。使用GPS-RTK進行坐標采集，采集坐標時，要求采集L形外角，且設備上氣泡必須居中，每個點位采集多次，且多次較差均要求小于1 cm，否則重新采集該點位坐標。像控點采集完成后，按照同樣的方式，在像控點控制精度薄弱區(qū)域，隨機采集30個特征檢查點，用于后續(xù)成果精度的檢測。

2.2? 航線規(guī)劃與影像采集

為了獲取更加豐富的紋理信息，減少航攝盲區(qū)，本次航向、旁向重疊度均設置為85%，在確保航飛安全的情況下，盡可能進行低空飛行，采集分辨率更高的影像。本次設置航攝高度120 m，采集地面影像分辨率為0.02 m。為了確保任務區(qū)邊緣航攝影像覆蓋全，成果精度高，本次在航線規(guī)劃時，航向外擴了2條基線，旁向外擴了2個航帶。

在正式航飛作業(yè)前，要對無人機進行全面檢查，主要包括電池電量、相機作業(yè)是否正常、內存卡是否能夠正常讀寫數(shù)據(jù)、相機焦距是否固定等。經(jīng)過檢查和試飛，所有設備均正常運行。在起飛環(huán)境安全時，完成無人機的起飛任務，并通過地面站實時觀察航飛狀態(tài)，確保航飛可控。航攝完成后，取出內存卡，連接到電腦上，對航攝成果質量進行查看。通過人機交互方式查看影像，影像對比度明顯，地物清楚，分辨率高，質量符合航攝要求。POS與影像一一對應，數(shù)據(jù)完整。

2.3? 數(shù)據(jù)預處理

數(shù)據(jù)預處理主要包括影像質量提升、冗余數(shù)據(jù)剔除和POS精度優(yōu)化。本次航攝影像成果質量好，無需進行預處理。在傾斜攝影數(shù)據(jù)解算時，冗余數(shù)據(jù)會嚴重影響數(shù)據(jù)解算精度和效率，因此本次利用數(shù)據(jù)預處理軟件，對后期不參與建模的影像進行了剔除，減少了影像數(shù)量，可以有效提升數(shù)據(jù)解算效率和精度，縮短數(shù)據(jù)生產(chǎn)工期。本次航攝5鏡頭，只記錄了下視鏡頭POS數(shù)據(jù)，并未對側視鏡頭的POS數(shù)據(jù)進行記錄。在實際生產(chǎn)中，可以使用下視鏡頭的POS來代替?zhèn)纫曠R頭的POS進行數(shù)據(jù)解算，但是這樣精度較低，也容易使得空三加密解算失敗。為了提高POS的精度，本次以垂直鏡頭對應的POS數(shù)據(jù)為基準，結合5相機之間的安置距離和方位參數(shù)，對4個側視鏡頭的POS數(shù)據(jù)重新進行了解算，使影像和POS準確對應。

2.4? 空中三角測量解算

本次數(shù)據(jù)解算使用ContextCapture軟件，新建工程，將優(yōu)化后的影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)導入到軟件中，設置任務隊列路徑，提交空三解算任務，完成影像數(shù)據(jù)的空三加密解算。解算完成后，對其成果進行查看，空三平整、未分層和彎曲。查看空三報告，各項精度指標符合規(guī)范要求。設置坐標系，導入像控點，完成像控點坐標的轉刺及平差調整。平差調整的目的是將像方坐標系糾正到大地測量坐標系下，以滿足項目要求。再次查看平差后的空三報告，加密點重投影中誤差明顯減小，僅為0.27個像素，優(yōu)于平差前的0.32個像素，部分殘差較大的加密點被自動剔除了，像控點三維中誤差為0.003 m，精度符合規(guī)范要求，成果可直接用于后續(xù)密集點云的匹配和三維模型的生產(chǎn)。本次空三加密成果如圖3所示。

2.5? 自動化三維模型生產(chǎn)

空三解算只獲得了少量的加密點，并不能準確的描述地形的高低起伏，為了獲得更密集的點云，軟件在生產(chǎn)模型前，首先利用多視影像密集匹配算法，自動完成密集點云的匹配。匹配得到的成果是離散的點，實際地物都是以面的形式存在的，因此需要將離散的點轉為面。目前不規(guī)則三角網(wǎng)能夠較好地表達地形的高低起伏，因此在得到密集點云后，軟件又自動進行了不規(guī)則三角網(wǎng)的構建，這樣得到的成果被稱為“白膜”。三角網(wǎng)頂點和影像上紋理的是存在一一對應的關系的，采用直接法完成影像紋理的自動貼圖，最終得到高精度、高清晰度、高逼真的可視實景三維模型成果，部分模型成果如圖4所示。

2.6? 大比例尺地形圖制作

基于攝影測量生產(chǎn)地形圖目前只有兩種方式，即虛擬立體測圖和裸眼測圖，本次采用裸眼測圖。將生產(chǎn)的OSGB格式模型導入到EPS軟件中，自動生成得到DSM索引文件，然后按照地形圖采集規(guī)范和軟件操作流程，完成地形圖數(shù)據(jù)的采集。在地形圖數(shù)據(jù)生產(chǎn)中，房屋采集一般效率都比較低，為了能夠快速高效的采集房屋，本次在EPS中，使用五點房工具對房屋進行快速高效采集；等高線是地形圖中非常重要的一項元素，為了快速繪制等高線，在對等高線數(shù)據(jù)進行生產(chǎn)時，植被密集區(qū)域采用淹沒方式，裸露區(qū)域使用高程點自動生成等高線的方式完成。對于因模型拉花導致無法準確采集的區(qū)域，則進行外業(yè)補充測量，最后內外業(yè)數(shù)據(jù)相結合，得到最終的地形圖成果，部分成果如圖5所示。

3? 精度評定

測繪成果最重要的就是看精度是否符合要求。將30個檢測點加載到EPS軟件中，雙擊快速定位，然后手動測量其實際的位置，完成地形圖較差的檢測與統(tǒng)計，部分檢測統(tǒng)計結果如表1所示。

采用高精度中誤差計算公式，對本次成果精度進行了統(tǒng)計，得到其平面和高程中誤差分別為±0.142 m和±0.155 m，精度符合1：500地形圖規(guī)定誤差。

4? 結? 論

本文介紹了傾斜攝影測量技術，對大比例尺地形圖制作流程進行了說明，并以實際項目為例，對本文方案生產(chǎn)的大比例尺地形圖精度進行了檢測統(tǒng)計，其結果表明，采用傾斜攝影方式生產(chǎn)的大比例尺地形圖，其精度可以達到1：500的規(guī)范要求，驗證了本文方案的可行性。大比例尺地形圖在實際應用中有著不可取代的地位，希望本文的方案可以為同行作業(yè)人員帶來參考，共同提升測繪成果的精度，推動測繪技術高質量快速發(fā)展。

參考文獻：

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作者簡介：任亞龍（1985—），男，漢族，甘肅天

水人，工程師，本科，主要研究方向：測繪地理信息、不動產(chǎn)測繪、工程測量以及航測遙感。

收稿日期：2023-02-04