無人機傾斜攝影技術(shù)在大比例尺地形圖測繪中的應(yīng)用

周小杰，胡振彪，喬新

(1.青島市勘察測繪研究院，山東 青島，266032；2.海陸地理信息集成與應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程研究中心，山東 青島 266032)

1 引 言

近年來迅速發(fā)展的無人機航測技術(shù)，具有機動靈活、作業(yè)高效迅速、可高頻監(jiān)測關(guān)鍵區(qū)域以及成本低廉等特點，在應(yīng)急保障和小區(qū)域地形圖測繪領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢[1～3]。但無人機航測系統(tǒng)搭載的單一普通數(shù)碼相機，獲取的影像畸變嚴(yán)重，傾斜角和旋偏角較大，同時普通數(shù)碼相機，像幅偏小，導(dǎo)致小的基高比。由于普通數(shù)碼相機以上這些缺點，采用傳統(tǒng)航測生產(chǎn)方式很難滿足大比例地形圖測繪的要求。

本文通過無人機飛行平臺搭載傾斜相機，采用傾斜攝影的方式獲取高重疊度影像數(shù)據(jù)，利用自動實景三維建模和三維模型立體量測技術(shù)，實現(xiàn)免外業(yè)調(diào)繪的高精度大比例尺地形圖測繪，并通過具體實驗驗證此技術(shù)路線的可行性。

2 無人機傾斜攝影

測區(qū)位于青島市高新區(qū)溝角村，屬于丘陵地形。外業(yè)航空攝影通過四旋翼無人機，搭載2個SONY 7R微單相機，與垂直方向成45°夾角，南北和東西航線各飛一次，獲取地物側(cè)面紋理；再搭載1個SONY 7R微單相機進行一次垂直攝影，獲取地物頂面紋理。設(shè)計航線相對航高 120 m，航向和旁向重疊度分別為80%、75%，整個測區(qū)21條航線，630張影像。為輔助后續(xù)數(shù)據(jù)處理，測區(qū)采用區(qū)域網(wǎng)布點模式，布設(shè)13個外業(yè)像控點及檢查點，實驗區(qū)域范圍及像控點的布設(shè)如圖1所示。

圖1 測區(qū)概況及像控點布設(shè)

3 實景三維模型建立及大比例地形圖測繪

本文通過無人機飛行平臺搭載傾斜相機，采用傾斜攝影的方式獲取測區(qū)的影像數(shù)據(jù)，利用自動建模的技術(shù)構(gòu)建實景三維模型；在構(gòu)建的實景三維模型基礎(chǔ)上，通過三維立體量測技術(shù)，采集地物地貌特征點、線、面，最后通過內(nèi)業(yè)編輯的方式制作地形圖，從而省去煩瑣的外業(yè)調(diào)繪工作，為快速制作大比例尺地形圖測繪提供一種新的解決方案。基于無人機傾斜攝影的大比例尺地形圖測繪技術(shù)路線如圖2所示。

3.1 實景三維模型

本項目采用5個像控點解算，8個像控點進行精度檢查，實景三維建模采用Smart3D軟件進行制作，主要步驟如下：

圖2 基于無人機傾斜攝影的大比例尺地形圖測繪技術(shù)路線

(1)構(gòu)建工程

加載影像數(shù)據(jù)，設(shè)置相機參數(shù)，編輯pos數(shù)據(jù)，引入控制點及檢查點數(shù)據(jù)，建立好Smart3D工程，如圖3所示。本項目采用2個相機，需設(shè)置2個相機文件，分別有364張和266張影像；原始POS數(shù)據(jù)坐標(biāo)系為WGS1984，通過七參數(shù)模型及似大地水準(zhǔn)面補償模型轉(zhuǎn)換到西安1980平面、黃海1985高程系統(tǒng)下。采取區(qū)域網(wǎng)布點，解算控制點5個，檢查控制點8個。

圖3 smart3D工程文件

(2)傾斜攝影空中三角測量

如圖4所示，本項目采用區(qū)域網(wǎng)5點法布點，即四周4個控制點，測區(qū)中心1個控制點，用于解算傾斜攝影空中三角測量；同時布設(shè)8個檢查點以檢驗空中三角測量的精度。通過空三加密處理，自由網(wǎng)的精度為1.82pix，像控點精度平面中誤差 0.033 m，高程中誤差 0.063 m；檢查點精度，具體精度見精度分析小結(jié)。

圖4 傾斜攝影空中三角測量

(3)三維實景模型生成

基于空中三角測量成果，進行模型分塊，在分塊模型的基礎(chǔ)上，提取測區(qū)密集點云，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，建立三維模型；同時利用5鏡頭獲取的多角度紋理信息，自動拼貼，得到測區(qū)實景三維模型，如圖5所示。

圖5 實景三維模型

3.2 大比例尺地形圖測繪

大比例地形圖測繪主要基于EPS無人機三維模塊，利用三維實景模型的空間量測功能，直接進行地形、地物的采集工作。具體步驟如下所示。

(1)EPS軟件加載三維實景模型

在EPS無人機測量模塊中利用模型轉(zhuǎn)換功能將Smart3D生成的OSGB格式的模型轉(zhuǎn)換成DSM高程模型，然后加載DSM模型從而實現(xiàn)實景三維模型的加載，如圖6所示。

圖6 EPS加載三維模型

(2)地形圖繪制

如圖7所示，基于三維實景模型的地形圖制作，借助模型的空間尺寸信息，直接進行空間量算及采集，同時通過模型旋轉(zhuǎn)及多角度觀察等功能實現(xiàn)自動房檐改正，免去大量的外業(yè)實測及調(diào)繪工作，大大提高地形圖測繪的工作效率。

圖7 基于EPS繪制地形圖

4 精度分析

4.1 空中三角測量精度

由表1控制點和檢查點的精度表可知，控制點水平中誤差為 0.007 m，高程中誤差為 0 m，點位中誤差 0.007 m，檢查點水平中誤差 0.038 m，高程中誤差 0.079 m，點位中誤差 0.088 m，空中三角測量精度較高，滿足大比例尺地形圖測繪需求。

像控點及檢查點中誤差 表1

4.2 平面及高程精度

(1)平面精度

平面精度檢查采用RTK外業(yè)實測特征點和地形圖上的同名點進行統(tǒng)計分析，具體精度統(tǒng)計表如表2所示。

平面坐標(biāo)精度統(tǒng)計表 表2

如圖8所示，總共22個平面精度統(tǒng)計的點，平面位置精度均小于 0.25 m，中誤差 0.144 m，滿足 1∶500大比例尺地形圖平面精度要求。

圖8 平面精度統(tǒng)計折線圖

(2)高程精度

高程精度檢查采用RTK外業(yè)實測特征點和地形圖上的同名點(可通過實景三維模型直接獲取)進行統(tǒng)計分析，具體精度統(tǒng)計如表3所示。

高程精度統(tǒng)計表 表3

圖9高程精度統(tǒng)計折線圖

如圖9所示，總共35個平面精度統(tǒng)計的點，高程誤差均小于 0.1 m，最大高程誤差為 0.086 m，高程中誤差 0.034 m，滿足 1∶500地形圖高程精度要求。

5 結(jié) 論

本文給出了基于傾斜攝影技術(shù)測繪大比例尺地形圖的技術(shù)路線，并通過具體實驗精度分析，驗證了此技術(shù)路線的可行性。同時借助實景三維的立體量測、任意視角等優(yōu)點，實現(xiàn)房檐改正、地形、地物全內(nèi)業(yè)繪制，避免了傳統(tǒng)地形圖外業(yè)調(diào)繪、補測等工作，為大比例地形圖測繪提供了一個新的解決方案。