無人機傾斜攝影測量在大比例尺測圖技術中的應用研究

苗小芒

（鄭州工業應用技術學院 河南 新鄭 451100）

1 引言

無人機傾斜攝影系統即無人駕駛航空器，其采用無線電遙控設備及計算機程序進行自主操縱，系統中安裝導航裝置及自動駕駛儀，并搭載高分辨率多視角航空攝影設備，提前規劃好拍攝線路實現對目標區域的拍攝，獲取相關地物紋理信息。該系統可快速采集到野外影像數據，再通過數據處理軟件批量處理采集到的原始數據，最終獲得符合要求的數字化產品。飛機拍攝時會將攝影設備拍攝瞬間的姿態角及地理坐標同步記錄下來，利用Context Capture等專業航空攝影測量軟件處理數據，再通過密集匹配、構建三角網、紋理映射等步驟，最終構建出測量區域的實景三維模型。無人機傾斜攝影測量系統集無人機技術、遙感傳感器技術、POS定位技術及GPS差分技術為一體，大大提高了數據測量及處理的效率[1]。

2 無人機傾斜攝影測量系統的組成

無人機傾斜攝影測量系統的主要構成包括以下幾個部分。

2.1 無人機飛行平臺系統

無人機傾斜攝影測量系統對無人機飛行平臺系統的基本要求就是平穩的飛行姿態及更強的抗干擾能力。無人機飛行平臺包括機體、飛行控制系統、發動機、起飛著陸設備及其他輔助結構等。目前，大部分無人機飛行平臺機體都采用重量較輕的玻璃鋼與碳纖維復合材料，能夠保證飛行平臺的穩定性。飛行控制系統主要控制無人機的整個飛行過程，發動機則為無人機提供動力，起飛著陸設備主要用于無人機的起飛與著陸等。

2.2 導航及控制系統

飛行導航系統與控制系統包括飛控系統、GNSS接收機、GNSS/INS慣性導航系統及各類傳感器，包括紅外姿態、高度及速度傳感器。飛行導航與控制系統的主要作用就是對飛行器的飛行姿態及飛行軌跡進行控制，以保證飛行任務順利完成。其中GNSS/INS慣性導航系統主要對移動目標的空間位置及姿態進行測量，該系統可以向地面控制中心實時反饋曝光時刻影像的經緯度、飛行高度及姿態等數據信息。

2.3 任務設備及數據傳輸系統

任務設備的主要作用是采集、存儲測量到的影像數據，包括攝影機、攝影機控制系統及相關輔助裝置。目前無人機傾斜攝影測量系統中采用的任務設備包括專業級與非專業級兩種，前者通常用于數字城市的構建，其拍攝的影像幅面更大，但是其成本高，目前普及應用還不現實；非專業級的航攝相機精度基本可滿足一般的攝影測量要求。數據傳輸系統的主要作用是向地面計算機存儲系統輸出數據，主要輸出內容包括無人機與遙感設備的飛行參數及采集到的影像數據，實時測量無人機的高度、方位、航速、航向、飛行軌跡、飛行姿態等。

2.4 地面監控系統

地面監控系統的主要作用是對無人機的飛行姿態進行監控，規劃測量區域的航線，并針對突發情況進行實時響應處理。地面監控系統根據無人機的應用領域不同可分為大型系統與小型系統兩種，前者主要應用于軍事領域，后者更適用于民用領域，成本低、實用性更強。小型地面監控系統可對無人機的飛行情況進行實時監控，記錄相關飛行數據；監控系統還具備導航地圖功能及航線制定功能，監控人員可根據導航地圖制定飛行航線，并判斷無人機的精確位置，保證無人機工作過程中的安全性，提高工作效率。

3 無人機傾斜攝影測量系統作業流程

無人機傾斜攝影測量系統的作業流程包括制訂測量任務、申請空域、航線設計、飛行作業、數據檢查、影像處理及成果提交等步驟。航拍前技術人員要對被測量區域的基本概況有一定了解，確定測量范圍后選擇適用的攝影設備，確定攝影比例尺、航高、拍攝時間、無人機起降具體位置等。無人機飛行作業需經過空域部門的批準才能進行，申請通過后開始設計航線及飛行作業，根據數字航空攝影規范調整無人機的航高、像片重疊度、航線參數等[2-3]。

3.1 航高確定

航高是無人機傾斜攝影測量系統參數設置中一個重要參數，其包括絕對航高與相對航高、真實航高與攝影航高等，其中絕對航高是無人機相對于平均海平面的高度，相對航高則是指無人機相對于某一基準面的高度，真實航高是指相對于實際地面的高度，攝影航高則是指相對于攝影分區的平均平面高度。不同的航高計算公式也有所差異，實際應用時通常選擇攝影航高，可根據下式計算：

式（1）中：H：攝影航高

f：物鏡鏡頭焦距，由相機系統設定

GSD：航攝影像地面分辨率，由測圖比例尺決定

a：像元尺寸，由相機系統設定

其中，測圖比例尺決定GSD，通常成圖比例尺為1:500，影像地面分辨率小于0.05 m；成圖比例尺在1:1000，影像地面分辨率取值0.18～0.12 m；成圖比例尺1:2000，影像地面分辨率取值0.15～0.25 m。

3.2 設置相片重疊度及航線參數

相片重疊度分為兩種，即航向重疊度（縱向重疊）與旁向重疊度（橫向重疊），其中航向重疊度是指無人機作業過程中，同一航線上有前后兩張相鄰的相片對應同一部分地面影像，雖然兩張相片重疊部分對應同一地面，但是由于拍攝位置不同，所以相片影像也存在差異；旁向重疊度是指旁向重疊部分長度與整個相片長度的比值。由低空數字航空攝影規范可知，一般情況下無人機的航向重疊度為60%～80%，旁向重疊度為15%～60%，最小要大于8%。

3.3 航線參數設置

航線參數設置主要包括飛行航向及航線長度的確定，可用下式計算得出：

上式中，Bx：實地攝影長度；Dx：實地航線間隔寬度；Lx：像幅長；Ly：像幅寬；px：航向重疊度；qy：旁向重疊度；H：航高；f：物鏡鏡頭焦距。

3.4 數據處理

無人機傾斜攝影測量系統采集到被測區域的原始數據后，要先進行影像質量的檢查，剔除不合格數據，補拍不合格區域。影像質量檢查會對最終的成果效果產生直接影響，而飛地質量、影像質量則是影響影像質量的兩大重要因素，因此要仔細檢查航向重疊度、旁向重疊度、相片傾角與旋角、航線彎曲度與航高差等飛行質量，也不能忽略影像清晰度、色調的一致性、層次是否鮮明或者反差是否合理等。此外，還要剔除重影、模糊、位置偏移、陰影、反光及存在明顯不清晰點等影像問題，剔除后的影像如果會對后續建模及測圖產生影響需要補拍；影像質量檢查完畢后即可進行幾何校正、區域網聯合平差等處理，保證數據在三維空間中呈現出空間位置與姿態數據，最后相片上每個像素對應真實的地理坐標位置[4]。

4 無人機傾斜攝影測量系統在大比例尺測圖技術中的應用實例

無人機傾斜攝影測量系統的應用實例為測區面積約1.5 km2的山地，測區范圍內高差150 m，一至二層房屋面積占測區總面積的2/3，余者為較裸露地形。

第1步規劃航線，結合所用的無人機性能及測區地形，任務區分為兩個架次，旁向重疊度、航向重疊度取80%，地面采樣分辨率0.05 m，規劃時為保證測區邊緣模型的完整性可將航線外擴兩個航高。第2步測量像控點，根據范圍線與地形情況設置23個像控點，每個像控點間距300 m。采集像控點時在測區隨機均勻采集35個平高點作為檢測點，主要是可以明顯反映在地形圖上的點位，比如房角點、道路交叉口等。第3步獲取影像數據，按照規劃好的航線拍照，采集數據；數據采集完成后查看影像質量，經過剔除、處理最終獲得有效影響15895張，整理POS數據，POS與影像一一對應。第4步采用Smart3D2019、EPS自動化建模軟件進行建模，先對兩架次影像進行重命名及預處理，整理POS數據，加載影像并將POS數據導入系統，提交空三任務，解算空中三解測量任務，導入23個像控點，并進行像控點點位轉刺，提交平差任務，像控點平面中誤差控制在0.005 m，高程中誤差控制在0.003 m；提交重建任務，確定平面規則格網劃分方式，最終完成實景三維模型。第5步制作大比例尺地形圖，將第3步完成的三維實景模型恢復到EPS軟件中，通過其中的三維采集功能的五點房命令采集模型數字線劃圖，采集完成后進一步完善房屋屬性；基于模型上打點采集高程，經出裸露地形范圍線設置高程點密度，系統可自動提取高程點；基于正射影像采集平面位置，通過淹沒的方式采集等高線；如房屋有房檐直接在EPS軟件中改正即可。針對無法精準采集的點位可以通過空三成果采集立體像；針對無法辨別的獨立地物屬性，則需要進行補測，最終得到完整的地形圖成果。最后，利用35上平高檢測點對采集地形圖成果進行精度檢測。本研究中，35個檢測點很好地滿足了1:500地形圖的精度要求[5]。

5 結語

綜上所述，在大比例尺地形圖測繪工作中應用無人機傾斜攝影系統能夠更好地滿足測繪需求，獲得詳細的地形地貌資料。當然，在實際工作中技術人員要不斷探索無人機傾斜攝影技術應用的新思路、新方法，以更好地改進大比例尺地形圖的測繪質量。