無人機傾斜攝影大比例尺地形圖關鍵技術與質量評價

喻艷梅

（湖南工程職業技術學院，湖南 長沙 410151）

0.引言

地理空間信息是國家發展的基礎，數字化地形圖在城市規劃、智慧城市、基礎設施建設、災害應急處理等各個領域都發揮著至關重要的作用，可以促進國民經濟快速發展[1]。在部分工程項目實施過程中，對地形圖的精度要求較高，如，地震、滑坡等自然災害發生時，為及時開展有效的救援工作，需快速繪制災區大比例尺地形圖，此類情況對繪圖的生產周期、精度質量、數據采集等工作提出了很高的要求。面對此類任務，傳統的數字化測圖往往無法及時完成。現階段，航測技術發展迅速，其中傾斜攝影測量技術在傳統航測的基礎上，融合了多視角攝像傳感器，可從垂直和傾斜五個不同角度進行影像數據的采集。同時，飛行器平臺搭載著其他數據傳感器，可實現航向、航高、重疊度等姿態信息的采集，結合少量的地面控制點，進行空三測量處理，實現影像數據解算處理，通過軟件實現測區三維模型構建，進一步完成4D（DRG數字柵格地圖、DLG數字線化圖 、DEM數字高程模型、DOM數字正射影像圖）產品快速生產。

本文從傾斜攝影測量技術大比例地形圖生產過程中所涉及的關鍵技術出發，針對傾斜攝影影像匹配、非量測相機畸變改正進行了探討，提出了相應的解決方案，對三維模型及大比例尺地形圖進行了質量評價，通過實驗進行驗證，結果顯示該方案可實現大比例尺地形圖快速、精確繪制。

1.關鍵技術

1.1 傾斜攝影測量地形圖生產技術路線

通常將五鏡頭相機搭載在無人機平臺上，多角度獲取地面影像數據，以傾斜影像為主要數據，利用數據處理軟件，結合無人機平臺的其他傳感器所獲取的相關影像方向、位置等信息，進行空中三角測量、多視角影像匹配、密集匹配、構建三角網、數字表面模型生產、紋理映射等過程處理，實現三維實景模型構建。利用實景三維模型結合EPS軟件進行大比例尺地形圖繪制，實景三維模型可從多個視角進行觀察繪圖，細節全面，測量坐標方便，降低了外業調繪工作難度，工作效率高。

1.2 非量測相機檢校

傾斜攝影無人機平臺體積質量較小，考慮生產實際和成本，通常搭配非量測數碼相機。受不確定因素影響，此類相機通常存在鏡頭畸變問題，當鏡頭畸變較大時，會造成設計像點位置與實際像點位置發生偏移，影響后期空三解算與影像匹配，增大解算誤差，降低數據精度[2，3]。

相機鏡頭畸變類型（如圖1所示）：無變形、徑向畸變、像主點畸變和切向畸變。

圖1 畸變類型

受相機鏡頭畸變影響，在實際數據采集過程中，首先需進行傾斜無人機相機鏡頭檢校，求解相機內方位元素及畸變參數[4]。考慮直接線性變換法（DLT），不需要內外方位元素，計算簡單，精度高。利用該方法進行相機檢校，主要原理是通過攝影測量共線方程原理，對物點坐標與像點坐標進行直接轉換。中心投影共線方程如式（1）所示：

式（1）中，（x，y）為像點坐標；（x0，y0）為像主點坐標；f為相機的主距；（X，Y，Z）為像點所對應的地面點在物方空間的三維坐標；（XS，YS，ZS）為攝站點在物方空間的三維坐標；（ai，bi，ci）為相關系數。

考慮物鏡偏心、徑向、仿射畸變改化公式，如式（2）所示：

式（2）中，pi，ki分別為物鏡的偏心畸變差系數和徑向畸變差系數；mi為仿射變換系數為向徑。

由上式可知：在相機檢校過程中至少各需要8個相對的控制點實現解算。

1.3 多視角影像密集匹配

傾斜攝影測量技術可通過多鏡頭從不同方向對地形地貌進行全方位信息采集，因此傾斜影像可提供大量的冗余信息，利用多視角影像匹配技術，將影像相互關聯，進行密集匹配處理，生成密集點云，為后期三維模型精度提供了保障[5]。基于物方面元的多視立體匹配算法（PMVS，Patch-based Multi-view Stereo）以面表示地形物方點，結構（如圖2所示），面元中心為坐標c（p），法向量為n（p）。

圖2 面元結構

PMVS算法主要分為以下三個步驟（如圖3所示）：

圖3 PMVS算法流程

1.3.1 分別利用Harris算子和DOG算子提取特征點，利用核線幾何約束條件確定特征匹配點。

1.3.2 利用前方交會原理構建物方面元，并利用共軛梯度算法，獲取最優面元，作為種子，為下一步擴散做準備。

1.3.3 通過相鄰面元進行逐步擴散，當面元全部覆蓋地表時，即可得到密集點云。擴散過程中需過濾篩除誤差較大的點，多次重復實現密集點云獲取（如圖4所示）：

圖4 PMVS算法面元擴散方式

2.測區實驗

2.1 技術路線

基于傾斜攝影測量技術的大比例尺地形圖繪制流程（如圖5所示），主要包括前期收集、測區地理概況分析、航線航高設計、像控點布設、像控點測量、數據采集、空三解算、實景三維模型構建、地形圖繪制、精度檢核及成果提交。

圖5 傾斜攝影測量地形圖生產流程

2.2 像控點布設與測量

像控點是航測基礎，像控點的布設情況影響后期空三解算精度，高精度的平面和高程像控點布設是實現1∶500大比例地形圖繪制的必需步驟。通常像控點數目越多，對應空三解算精度就會越高，但在進行像控點布設時通常需從經濟、效率、精度等多個方面進行綜合考慮。本文總結了像控點布設方案應滿足的要求[6]：

（1）結合測區情況合理確定像控點數量，像控點位置清晰，圖形容易判讀；

（2）平面和高程控制點布設，控制點航向間隔應不大于4條航飛基線；

（3）平行相鄰范圍內，控制點基線跨度應不大于2條基線。

本次實驗像控點坐標使用GNSS-RTK技術進行測量，坐標系為國家CGCS2000大地坐標系，高程基準為85國家基準高程。

2.3 航飛技術設計

由前期踏勘及已有數據分析可知，測區范圍內存在最高地物高度約為70m，根據要求可知測圖比例尺為1∶500，地面分辨率應不大于5cm，本實驗地面分辨率為2cm。航高設計為98m。由《低空數字航空攝影規范》（CHZ3005-2010）可知：航向重疊率一般為60%～80%，且最小值應≥53%；旁向重疊率一般為15%～60%，且最小值應≥8%，本實驗航向重疊率與旁向重疊率均控制在70%。飛行時同一航線上相鄰像片的航高，最大航高與最小航高之差不應大于30m。

2.4 空三解算及三維建模

本文使用Context Capture全自動三維建模系統進行測區實景三維模型構建，該系統原理以原始影像數據為數據源，結合需求設置相應的輔助信息，自動化生成實景三維模型。使用Context Capture軟件建立三維模型具體流程如下[7]：

（1）考慮Context Capture軟件自身特性，為提高工作效率，需首先建立工作集群，將工作電腦連接局域網，共享主機內存放的原始數據，并修改其盤符，局域網內其他工作電腦建立與該盤的映射，并在該盤中進行新建工程及Block創建等工作；

（2）導入POS數據并進行數據初步檢查，然后設置地理坐標系、焦距等參數，可利用3D View功能檢查原始影像是否以航線軌跡排列；

（3）空三解算前需對測區內的像控點與影像數據進行關聯，提高解算效率與解算精度，同時可利用3D View功能查看解算結果與空三報告；

（4）完成空三解算后，且質量滿足建模要求，即可進行三維建模。考慮測區范圍，結合計算機性能，對測區進行分割，進行三維重建。重建結果可在Acute 3D Viewer中查看（如圖6所示）：

圖6 部分測區三維模型

2.5 地形圖繪制

EPS是基于GIS平臺研發的地理信息工作站，該產品融合了CAD與GIS技術，優勢明顯：

（1）支持二維、三維測圖，數據源可支持DSM、OSGB、3DS、OBJ等多種數據格式；

（2）可實現多窗口聯動繪圖，正射影像與三維模型聯合采圖；

（3）支持采編建庫一體化，實現信息化與動態符號化；

（4）三維采、編、質檢與平臺二維功能一致，并提供直觀的三維專用功能；

（5）提供所采地物根據指定位置快速升降高程信息；

（6）支持影像之間快速切換、模型切割去除植被與高樓、自動提取矢量、網絡化生產，數據統一管理。

現階段，EPS軟件被廣泛應用在測繪與地理信息數據處理中，本文主要利用EPS數據處理中的3D Survey功能進行地形圖繪制。使用EPS軟件進行地形圖繪制的主要流程（如圖7所示）：

圖7 EPS三維繪圖流程

地形圖繪制完成后，結果（如圖8所示）。可利用EPS軟件進行數據質量檢查，主要包括編碼、圖層等數據是否正確，邏輯、懸掛、面相交等空間關系是否合理。

圖8 部分測區地形圖

3.精度分析

3.1 三維模型精細度分析

根據《三維地理信息模型數據產品規范》（CH/T 9015-2012）對測區內三維模型進行精細度評價。利用Acute 3D Viewer對本次實驗測區內的三維模型精細度進行隨機抽樣評價，結果如下：模型整體結構無明顯缺陷，建筑等紋理與實際相符，細節清晰可見，精細等級可為I級，滿足大比例尺地形圖生產需求。

3.2 三維模型空三精度分析

空三解算結束后，根據《數字航空攝影測量空中三角測量規范》（GB/T 23236-2009）要求，以1∶500成圖比例尺為主（如表1所示），對控制點、檢查點解算結果進行精度分析，結果（如表2所示）：

表1 成圖比例尺為1∶500的空中三角測量精度要求

表2 空三解算誤差統計表

結合表2和圖9可知：X、Y、Z三個方向上的誤差值都較為穩定，數據質量較好，重投影誤差均小于1個像素，除KZ4點3D誤差較大外，其他點均在1cm左右。控制點和檢查點的平面中誤差均小于精度要求最小值0.13m，控制點和檢查點的高程中誤差均小于精度要求最小值0.11m，均滿足規定要求。

圖9 空三解算誤差折線圖

3.3 地形圖精度分析

地形圖精度分析通常可采用傳統數字化測圖繪制的地形圖與傾斜攝影測量地形圖進行對比，同時可對比對應檢查點，其檢查點位置可選擇房角點、路燈、道路標識牌等。

測區內隨機選取15個檢查點，利用RTK測量三維坐標，并與圖9上坐標進行比較，利用中誤差進行精度評價，如式（3）所示，計算結果（如表3所示）：

表3 1∶500比例尺的測區圖像限差

式（3）中，ms為平面中誤差；mh為高程中誤差；Δsi為平面殘差；Δhi為高程殘差。

表4 地形圖精度結果

根據《國家基本比例尺地形圖更新規范》（GB/T 14268-2008），結合表3中1∶500比例尺的測區圖像限差要求，用式（3）計算可得：平面中誤差為5.6cm，高程中誤差為9.4cm，由此可知：該方法精度滿足平原地形的1∶500大比例尺地形圖繪制要求。

4.結束語

本文針對大比例尺地形圖快速、高精度生產問題，對基于傾斜攝影測量技術地形圖生產方法進行了探討和實驗驗證，提供了非量測相機檢校方法，解決了多視角影像密集匹配問題，提高了數據精度。同時闡述了無人機傾斜攝影測量大比例地形圖生產的技術流程，通過實驗分析了測區內三維模型精細度，針對產品精度問題，利用圖表形式分別對空三解算精度和地形圖精度進行了分析，并以中誤差作為評價依據，結合規范進行了精度評價，證明了此方法的可行性及可推廣性。