利用無人機傾斜攝影三維模型進行大比例尺成圖技術研究

史與正，張淑玲，王 英，賴繼文

(湖南省地質測繪院，湖南 衡陽 421001)

無人機傾斜攝影技術能獲得多角度高分辨率影像，經過數據處理得到的真三維模型是可量測的，能直接進行量測獲得地形圖。目前的城鎮地籍測量、農村宅基地調查、不動產登記等工作都需要高精度1∶500數字線劃圖的支撐，而老城區建筑物密集，受通視條件和住戶封閉性、私密性的影響，常規野外測量方法采集難度較大。而且野外采集受天氣影響大，作業人員安全隱患多，勞動強度大、工序復雜、成本高。如何利用傾斜攝影技術實現1∶500地形圖的高精度快速測圖是當前研究的主要方向。

目前，利用無人機傾斜攝影三維模型的大比例尺成圖技術是比較熱門的研究方向，國內已開發的大多數采集軟件主要采用墻面獲取建筑物拐角或直接采集建筑物拐角來獲取建筑物輪廓范圍線。這一方法存在因墻面的粗差而降低建筑物墻角精度，隱蔽面和微小面難以采集、操作不便，凹凸面不整齊等問題。

如何實現建筑物范圍線的高精度采集，同時使軟件操作簡單、便捷，界面人性化是利用傾斜攝影技術實現1∶500高精度快速測圖需重點解決的技術問題。

1 技術路線

利用傾斜攝影技術實現1∶500高精度快速測圖的技術流程包括傾斜攝影、像控點測量、空三加密及建模、內業采集、外業調繪5個方面內容。各個工序都需要高精度、嚴要求，環環相扣，才能實現高精度地形圖的測繪。

1.1 傾斜攝影

建筑密集區域的建筑遮擋問題非常嚴重。航線重疊度設計不足、航攝時沒有從相關建筑上空飛過，都會造成建筑模型幾何結構的粘連。為了提高建筑密集區域影像采集質量，影像重疊度最多可設計為80%～90%。當高層建筑的高度大于航攝高度的1/4時，可以采取增加影像重疊度和交叉飛行增加冗余觀測的方法進行解決。如上海陸家嘴區域傾斜攝影，即采用超過90%的重疊度進行影像采集以杜絕建筑物互相遮擋的問題。影像重疊度與影像數據量密切相關，影像重疊度越高，相同區域數據量就越大，數據處理的效率就越低。因此在進行航線設計時要兼顧二者之間的平衡。

1.2 像控點測量

像控點是確定地物目標在空間中的絕對位置，是保證空三加密精度的起算依據，根據現行的1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖航空攝影測量內、外業規范。對地物點平面位置精度要求為：相對于附近野外控制點的平面位置中誤差為圖上0.6 mm；對像控點平面位置精度要求為：平面位置中誤差不應超過地物點平面位置中誤差的1/5。即1∶500實地為6 cm，是常規大比例尺地形圖測繪對地物點和像控點的基本要求。

無人機通常采用GPS定位模式，自身帶有POS數據，記錄航攝影像的絕對坐標信息，可為空三計算提供初始值和約束條件，降低運算速度和提高準確度。

利用傾斜攝影測圖時，碎部點精度受像控點精度和采集精度的影響為

(1)

式中，m表示碎部點精度；m1表示像控點精度；m2表示采集精度。為滿足高精度測圖的需要，像控點的中誤差應優于2 cm。

飛行前像控點貼上人工標靶，經多次實踐檢驗，標靶規格宜采用黑白相間的“寶馬”圓形標志，地面標志采用特制螺紋鋼釘標志，標靶中心點與像控點對齊，以確保刺點的準確性。

1.3 空三解算

相對于傳統的垂直攝影而言，傾斜攝影空三解算的自動化程度更高，人工干預少，算法復雜，計算量大。傾斜攝影空三解算以機載POS為初始數據，輔助多視影像密集匹配，再使用相關算法剔除一些誤匹配點，最后重新精確匹配，通過這種由粗到精的金字塔影像匹配策略，在每級影像上進行同名點匹配和光束法平差，最終得到同名點的匹配結果。

1.4 內業采集

內業采集使用自主研發的傾斜攝影測圖系統，該系統采用的特殊方式能提高地物采集精度。

2 系統基本功能

系統基本功能包括：

(1) 具有完善的符號庫系統。

(2) 支持模型的多種顯示功能:點云顯示、網格顯示、模型顯示、模型+紋理顯示、模型+紋理+三角網顯示等。采集過程中幫助作業員快速分辨模型的凹凸情況，便于選擇有效采集點提高采集精度。

(3) 可實現高精度采集建筑物等要素和屬性錄入。

(4) 支持要素圖形編輯、拓撲檢查、屬性檢查。

3 關鍵技術

3.1 數據的去噪優化

為保證建筑物邊線的準確性，選擇相對準確的三角網中點心若干個，在模型和三角網均顯示的條件下，對點位的選擇有極大的幫助。

點位選擇規則應遵循下列原則：高低采集以判定墻面是否垂直；墻面兩端處應各選一個，便于保證長度權值與墻面長度的一致性。

每個墻面選取的點位采用多輪投票算法剔除粗差，其余點通過最小二乘法擬合得到直線，從而確定建筑物邊線。這兩種算法可以得到有序點集的最優直線擬合解決方案。

(1) 多輪投票算法：取墻面點位中的任意兩點，可確定一條直線方程為

(2)

式中，a0、b0分別為直線方程的系數和常數；(x1，y1)、(x2，y2)分別為墻面中任意兩點的平面坐標值。

根據直線方程計算某點到直線的距離

(3)

式中，Si為任意點i到直線的距離；(xi，yi)為任意點的平面坐標值。

若距離超過閾值，對應的i點確定為粗差點,記錄此種組合對應的粗差點個數。遍歷點位中的所有兩點組合，得到粗差點最少的兩點組合，剔除對應的粗差點。

(2) 最小二乘法直線擬合數學原理：給定一組數據平面坐標值分別為(xi，yi)(i=1,2，…，n)，設其經驗方程為

y=ax+b

(4)

式中a、b為方程的待定系數和常數。將(xi，yi)代入方程式，求差值，yi-axi-b為了考慮整體誤差和誤差值正負，取

(5)

(6)

聯立兩式，求得

(7)

從而確定該組數據的最優直線擬合函數，該函數使得誤差平方和最小。

3.2 主基線提取

傳統建筑物最重要的一種表達形式即對稱，對稱也順應力學規律，使建筑適用、安全。優先確定對稱軸能更精準地獲取建筑物位置信息，同時為建筑物構建直角、對稱性、一致性提供保障，本文中將對稱軸定義為主基線。

3.2.1 輔助基線的獲取

根據建筑物墻面選取三維模型表面點，去噪優化后確定的直線，其長度和方向設定為該墻面線的長度權值和初始方向值，定義為輔助基線。

各輔助基線為相關觀測值：α=(α1,α2,…，αn)。觀測值之間互不獨立，其權矩陣定義為

(8)

式中,Pii為對角線元素，是觀測值α的權；而Pij則為觀測值αi與αj之間的相關權，Pij=Pji，即相關觀測值的權矩陣為一對稱方陣。其權逆陣為

(9)

3.2.2 主基線的獲取

對獲取的建筑物多個輔助基線，根據觀測值之間的相關系數ρij確定相關性，剔除不相關的輔助基線后，通過剩余有效輔助基線的長度權值(si)帶權平均求得建筑物的主方向值，定義為主基線，如圖1所示。

若建筑物的輔助基線之間均不相關，則該建筑物是不規則的，不滿足正交條件，則確定該建筑物中有效長度最長的輔助基線為主基線。

3.3 主基線應用

3.3.1 建筑物拐角的精準獲取

利用墻面點與主基線方向確定該墻面線，當建筑物墻面不與主基線平行或垂直時，由墻面的原輔助基線或剔除粗差后的多點擬合的有向線段確定該墻面線。兩種方法均線線相交得到建筑物拐角，從而確定建筑物的位置。同時，對于模型的短邊，或因廣告、雜物、植物形成的遮擋，只要獲取該面的一個點位即可模擬該面。

3.3.2 附屬建筑物和構筑物的精準獲取

陽臺、雨罩、臺階、圍墻等具有與建筑物平行或垂直的特點，為主基線提供了獲取的便利。

3.4 質量保障

確定建筑物邊線時，選擇若干點建立建筑物的基線或輔助基線，根據設定的法則和閾值剔除粗差、優化組合，確保基線的質量(見表1)；主基線建立時統計輔助基線的方向誤差(見表2)，并進行輔助基線的修正。自動導出采集的三維模型的坐標誤差值，為事后檢查和監督提供依據。

4 試驗和應用效果

選擇衡陽市城區1 km2范圍為試驗區，采用自主研發的湘地測傾斜攝影測圖系統生產1∶500全要素地形圖。該成果于2018年7月提交湖南省測繪產品質量監督檢驗授權站檢查，平面中誤差為4.3 cm；2018年10月提交國家測繪產品質量檢驗測試中心檢查，抽查的5幅圖平面中誤差分別為4.3、3.9、4.1、3.7、4.2 cm，滿足地籍圖的精度要求。

表1 輔助基線上各點的誤差 cm

表2 主基線與輔助基線的方向誤差 (°)

筆者所在單位在承擔的數字衡南地理信息基礎工程項目1∶500全野外地形數據采集與編輯中使用傾斜攝影測圖的方式，完成了3.541 km2的數據生產，并與傳統的全野外數字測圖方法進行了對比分析。傳統的測圖方法中一個作業員每天完成的工作量約為0.008 km2，而采用本文研發的系統采集方法，一個作業員每天完成的工作量約為0.053 km2，功效提高約6.6倍。

5 展 望

系統在保證測圖精度和易于操作的基礎上，下一步可在以下幾個方面進行深入研究：

(1) 提高軟件的智能化、自動化，能自動識別紋理等模型信息。

(2) 能根據采集的數字線劃圖實現自動或半自動的模型單體化和結構化提取。

(3) 加大系統的推廣應用，以真三維模型為基礎，為不動產三維發證提供精度保證，使得發證更直觀，更能被公眾所接受。

(4) 利用傾斜攝影技術生產具有精細化、可量測、真實感、高精度、對象化、更新快、定制化的三維地理信息數據，為基礎數據的行業應用提供基礎支撐。