無人機傾斜攝影在產業(yè)園區(qū)三維測圖中的應用

吳卉穎 全昌文

摘 ?要：傾斜攝影為地形三維測圖創(chuàng)造條件，能夠有效減少外業(yè)工作，提升作業(yè)效率。該文以產業(yè)園區(qū)為例，基于無人機傾斜攝影技術，構建園區(qū)高分辨率實景三維模型，進行大比例尺地形圖三維采集作業(yè)，并開展空三精度評價和地形圖精度評定，結果表明，該作業(yè)方法能夠達到1∶500地形圖的生產精度要求，為類似項目開展提供參考。

關鍵詞：三維測圖；傾斜攝影；地形圖；無人機；實景三維模型

中圖分類號：P23 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）18-0169-04

Abstract： Oblique photography creates conditions for 3D topographic mapping， which can effectively reduce field work and improve operational efficiency. Taking the industrial park as an example， based on the UAV tilt photography technology， this paper constructs the high-resolution 3D model of the park， carries out the three-dimensional collection of large-scale topographic maps， and carries out the spatial three-precision evaluation and topographic map accuracy evaluation. the results show that this method can meet the production accuracy requirements of 1virtual 500 topographic map and provide reference for similar projects.

Keywords： 3D mapping; oblique photography; topographic map; UAV; realistic 3D model

產業(yè)園區(qū)是區(qū)域經濟發(fā)展、產業(yè)調整升級的重要空間聚集形式，一般分布在城市周邊特定規(guī)劃區(qū)域。園區(qū)地形數據是城市基礎地理信息數據的重要組成部分，在城鎮(zhèn)規(guī)劃、市政管理、工程建設和應急救援等領域發(fā)揮著廣泛應用[1]。近年來，隨著無人機航攝技術的迅速發(fā)展，單一視角的垂直攝影快速轉變成多視角的傾斜攝影[2]，形成的三維立體成果能夠真實反映客觀世界原貌，為三維地形測繪創(chuàng)造了便利條件。

傾斜攝影技術顛覆了傳統地形測繪的作業(yè)模式[3]，極大地提高了內業(yè)判圖的準確性，大幅減少了外業(yè)調繪的工作量，三維測圖已經逐漸成為當前城區(qū)地形測繪的主要技術手段。文獻[4]從像控密度、模型分辨率和測圖方式等方面對大比例尺三維測圖進行了研究；文獻[5]探討了如何運用二、三維聯動方式開展大比例尺地理要素測繪和更新；文獻[6]對基于傾斜攝影技術生產大比例尺地形圖進行了技術可行性驗證和成果精度可靠性檢測；文獻[7]采用無人機傾斜攝影的方法，對大比例尺地形圖要素更新進行了實際應用和研究；文獻[8]以農村房屋地籍調查工作為例，提出一種針對消費級無人機的大比例尺地形圖測繪方案并進行了實踐；文獻[9]分析對比了3款主流地形圖采集軟件，為基于傾斜攝影技術的三維測圖提供了技術指導。

本文結合傾斜攝影的技術適用性，提出采用多旋翼無人機獲取產業(yè)園區(qū)多視角影像，通過建模軟件構建園區(qū)實景三維模型，并在三維測圖平臺上開展園區(qū)地形要素采集，為項目提供了符合精度要求的1∶500地形圖成果數據。

1 ?傾斜攝影技術

1.1 ?技術原理

傾斜攝影是指同一飛行平臺搭載多個傳感器，在空中從不同方位同步采集多角度影像，結合位置、姿態(tài)、地面控制等數據，利用多視影像匹配和平差算法生成高精度實景三維模型、真正射影像（TDOM）、數字表面模型（DSM）等產品的攝影測量技術。相比傳統的攝影測量，傾斜攝影能夠獲取到更加豐富的側面紋理等信息，構建的三維模型能夠全方位、立體化還原地物地貌特征。

1.2 ?優(yōu)勢特點

傾斜攝影技術改變了傳統地形測繪作業(yè)方式，當前主要采用無人機飛行平臺進行影像獲取，采用三維測圖系統進行地形地物要素采編，再以少量外業(yè)補測、調繪等工作進行輔助成圖。相對于解析法、航測法[10]等地形測繪方法，無人機傾斜攝影具有以下優(yōu)勢特點。

1）靈活性：無人機傾斜攝影可以在復雜、多樣的環(huán)境下快速獲取影像，具有較強的適應性和靈活性。

2）高效性：基于無人機傾斜攝影的三維測繪速度更快，可以同時獲得大量數據，提高數據采集效率。

3）成本低：構建的實景三維模型是真實世界的客觀反映，能夠大幅減少外業(yè)測繪工作量，成本更低。

4）精度高：相比航測法，傾斜攝影采集影像空間分辨率更高，有助于獲得更加精準的地形地物信息。

2 ?基于傾斜攝影的三維測圖技術路線

基于無人機傾斜攝影的三維測圖，主要包括準備工作、像控測量、航空攝影、空三加密、三維建模、地形要素采集、外業(yè)調繪和精度檢核等工作。開展三維測圖的技術路線，如圖1所示。

3 ?應用案例

3.1 ?園區(qū)概況

本文以某市城郊產業(yè)園區(qū)為例，面積大小約0.5 km2，屬丘陵地形，園區(qū)內主要地物有建筑物、道路、溝渠、電力線等，植被覆蓋較少，平均海拔30 m，最高處約50 m，最低處15 m，園區(qū)整體地貌情況如圖2所示。成圖精度按照CJJ/T8—2011《城市測量規(guī)范》中1∶500成圖比例尺地形精度要求開展，其中平面位置點位中誤差為±25 cm，相鄰地物點平面位置中誤差為±20 cm，高程注記點點位中誤差不應大于15 cm。

3.2 ?像控測量

為保證空三加密精度，航攝前事先布設像控點位。采用區(qū)域網布點方式，測區(qū)整體每間隔250～300 m布設1個像控點，中間布設少量檢查點，共布設像控點10個，檢查點3個?？刂泣c位采用網絡RTK測量，網絡選擇GXCORS；每個點位重復觀測3次，在觀測過程中，確保衛(wèi)星高度角大于等于15°，有效觀測衛(wèi)星數大于等于6顆，觀測歷元數為60，標高取位至0.001 m。像控點高程采用似大地水準面轉換為正常高。

3.3 ?傾斜攝影

園區(qū)范圍較小，結合項目實際，采用D200多旋翼無人機搭載五鏡頭相機開展傾斜影像數據獲取，下視鏡頭固定焦距為25 mm，側視鏡頭固定焦距為35 mm，像元大小為3.9 μm。航線設計主要參數為：地面分辨率1.5 cm、航向重疊率80%、旁向重疊率75%，飛行高度130 m。采用東西方向敷設航線，測區(qū)飛行范圍外擴130 m。因設定采集的影像分辨率高，為保證影像精度及清晰度，無人機飛行速度降低為8 m/s。實際飛行2個架次，共獲取影像8 945張，經數據預處理、GPS數據差分解算后，得到用于三維建模的影像數據和高精度POS數據。

3.4 ?空三加密

目前市面上用于開展實景三維加密和構建模型的軟件較多，如Smart 3D、Mirauge 3D、Context Capture和PhotoScan等。本文采用PhotoScan開展空三加密及建模，該軟件實現了自動提取影像特征匹配點、整體平差一體化的自動空中三角測量。將外業(yè)像控點逐一轉刺到各不同視角照片上，進行控制點加密解算，獲得高精度的定向點。空三加密的定向點精度至關重要，只有經過檢核符合精度要求的才能夠提供下一步工序使用，否則應進行分析查找精度超限的原因。經檢查，本項目10個定向點、3個檢核點均符合精度要求。

3.5 ?三維建模

模型構建依次按照密集點云生成、TIN模型構建、模型三角網優(yōu)化和紋理自動映射4個步驟開展。在高精度空三加密成果的基礎上，生產基于影像的超高密度點云數據，基于點云構建TIN模型并進行三角網優(yōu)化，以此生產高分辨率實景三維模型。三維重建時需要對水面等情況進行填充，避免出現漏洞，模型分塊大小按照50 m間隔設置，輸出OSGB格式成果，同時輸出真正射影像數據（TDOM）。

3.6 ?地形圖要素三維采集

EPS三維測圖系統具有強大的圖形采集、編輯功能，提供了基于實景三維模型（OSGB）、點云（LAS）、DOM、DEM等多源異構數據的二、三維采編工具，數據加載快、采編效率高，能夠實現制圖建庫一體化，其核心模塊在于三維測圖。本文綜合采用擬合直線、直角推算、平行推邊和直線相交等多種技術方法，在園區(qū)三維模型和TDOM成果基礎上開展1∶500地形圖生產，其主要步驟如下。

3.6.1 ?加載數據

EPS無法直接打開OSGB格式的三維模型，需要結合模型瓦片對應的xml文件，將其轉換生成實景表面模型DSM文件，才能在系統中顯示出來。先后加載對應的DSM和TIF文件，EPS以窗口聯動的方式同步顯示二維影像和三維模型，采集人員裸眼即可實現地形要素的采集操作，與以往立體像對采集不同的是，這種方式無須佩戴立體眼鏡。

3.6.2 ?地形要素采集

實景三維模型是現實世界的直觀反映，可從多角度觀察同一地物，空間位置精度高，能夠實現精準量測。相對于傳統的立體像對采集方式，在內業(yè)能夠解決大部分房檐改正及部分遮擋地物的繪圖問題，減少了外業(yè)調查、補測的工作量，采集效率得到進一步提升。三維地形要素采集同樣遵循先整體后局部的繪制思路，產業(yè)園區(qū)主要地物有道路、廠房、溝渠、管線、陡坎和植被等要素。繪制廠房等房屋時，依據不同形狀采用不同繪制方法，如五點法、多點法等，優(yōu)先選取建筑立面清晰平整的最佳位置進行輪廓繪制，如圖3所示；規(guī)則無遮擋的道路可以采用平行線法快速繪制道路邊線。對內業(yè)無法確認、有疑問、需補測的要素及時進行標記，采用外業(yè)調繪和補測手段完善圖形要素。

3.6.3 ?調繪和補測

園區(qū)遮擋較少，調繪內容主要是園區(qū)企業(yè)名稱、道路名稱、管線類型和溝渠水流走向等，對少量遮擋地物和漏測地物采用RTK結合全站儀進行現場快速補測。采集后的地形圖成果，經過屬性錄入、空間邏輯一致性、拓撲一致性等檢查處理后，進行標準分幅，按要求輸出地形圖成果。EPS三維測圖系統可以輸出DWG、MDB等不同格式的地形圖數據。

3.7 ?精度評定

為檢驗地形圖成果精度，采用外業(yè)實測散點的方式進行驗證，主要驗證地形要素的絕對位置精度和相對位置精度2方面。具體采用GNSS-RTK設備獲取地物點位置，采用激光測距儀量取地物點間距。實地抽取兩幅圖進行地物點位置精度和間距精度檢測。檢測平面點66個，平面位置中誤差0.045 m，最大平面位置誤差0.086 m；檢測高程點66個，高程位置中誤差0.048 m，最大高程誤差0.090 m；檢測相鄰地物點間距40條，邊長中誤差0.053 m，最大邊長中誤差0.068 m，滿足1∶500大比例尺地形圖的精度要求。

4 ?結束語

本文以產業(yè)園區(qū)為例，基于無人機傾斜攝影技術，構建了高分辨率園區(qū)實景三維模型，進行大比例尺地形圖三維采集作業(yè)，并開展了空三精度評價和地形圖精度評定，結果表明，該作業(yè)方法能夠達到1∶500地形圖的生產精度要求。實例中產業(yè)園區(qū)植被覆蓋較少，遮擋地物不多，適合采用傾斜攝影技術開展三維測圖，作業(yè)過程更直觀、形象，能夠減少野外工作量，提升作業(yè)效率。需要注意的是，文中采集了1.5 cm的超高分辨率原始影像開展實驗，有效確保了空三加密精度、三維模型的清晰度和空間位置精度，但無人機飛行高度低，不適合高層建筑區(qū)域作業(yè)，同時也帶來了數據量大影響建模效率的問題，這些局限將隨著傳感器硬件提升、輕量化三維建模等技術發(fā)展而逐步得到解決。

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