無人機傾斜攝影技術在大比例尺地形圖中的應用

田澤海，余 星

（1.廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060）

“三舊”改造即“舊城鎮、舊廠房、舊村莊”，是推進廣東省節約集約用地示范省試點建設的重要舉 措[1]。廣州市黃埔區作為全國首個區級“三舊”改造改革創新試點區，城市更新投資總額、已批項目、開工面積等主要指標連續5a領先全市其他行政區， 3a蟬聯廣州市“三舊”改造考核第一[2]。“三舊”改造基礎數據調查是“三舊”改造項目前期最為重要的基礎性工作之一。而基礎數據調查則必須依托于基本地形圖數據進行開展。目前基本地形圖測繪主要采取GPS-RTK配合全站儀進行作業的傳統方法，其特點是工作效率較低、工期較長、人工成本高、勞動強度大，無法滿足“三舊”改造對數據的現勢性和迫切性需求[3-4]。

飛速發展的無人機傾斜攝影技術因其具備高效快速獲取海量數據信息、真實可靠地反映地面客觀情況等特點，被廣泛用于城市規劃、城市更新、應急指揮、國土安全等領域[4-9]，彌補了傳統作業方法的不足。本文將研究面向舊村改造的無人機傾斜攝影技術在大比例尺地形圖中的應用，以黃埔區夏園村舊改項目為例，驗證無人機傾斜攝影技術在舊村改造中獲取大比例尺地形圖的可行性。

1 項目概述

本項目位于廣州市黃埔區，測區總面積約為1.5km2。測區北部是菜地園地等農用地為主，測區南部是集中連片的村屋為主（見圖1）。

圖1 航線規劃圖

項目采用縱橫CW10無人機（CW10無人機采用固定翼結合四旋翼的復合翼布局形式，見圖2），主要技術參數：搭載5個SONY ILCE-5100高清鏡頭相機，相機分辨率為6000×4000。以固定翼飛行器為基礎，在起降及低速狀態下配合四旋翼飛行，克服重力及氣動阻力進行飛行，以簡單可靠的方式解決了固定翼無人機垂直起降、起降點環境限制等難題，同時兼顧固定翼無人機續航能力強、速度快、距離遠等特點保證了項目在山區、叢林等復雜地形和建筑物密集區域的順利進行[10-11]。

圖2 項目現場照片

2 項目實施

2.1 技術路線

結合測區北部和南部的特點，提出了利用縱橫CW10無人機進行無人機傾斜攝影技術測繪大比例尺地形圖的作業方案[12-13]，技術路線如圖3所示。

圖3 基于無人機傾斜攝影的大比例尺地形圖測繪技術路線

測區面積1.5 km2，實際飛行面積2.8 km2，共計飛行2架次，航飛高度250 m，航向及旁向重疊率80%，布設像控點共24個，地面分辨率為3.5 cm。本次航飛所得數據計劃使用EPS2016三維測圖軟件按照航測標準生產1∶500地形圖。

2.2 測區成果

2.2.1 實景三維模型

將獲取的影像數據導入軟件，設置相機參數。在相應的圖像中標記控制點及檢查點，經過特征點提取、空中三角測量、點云加密處理，再根據點云構建不規則三角網，建立三維模型，同步將多角度獲取的紋理信息與之貼合，最終得到測區實景三維模型[13]，如 圖4所示。

圖4 項目構建的實景三維模型

2.2.2 地形圖

基于測區所獲的實景三維模型，利用EPS2016三維測圖軟件平臺三維測圖模塊通過雙屏模式同時加載實景三維模型數據和正射影像數據，二三維聯動一體化進行地形圖測繪，在生成模型時，對于房屋比較密集的部分進行一些必要的外業調繪。主要步驟分為三步。

1）實景三維模型導入。利用EPS2016三維測圖軟件中“模型轉換”功能將Smart3D生成的0SGB格式的模型轉成DSM模型，然后將格式轉換后的DSM模型在EPS2016上加載出來[7]。在電腦上進行雙屏操作，左邊是繪圖區，右邊是DSM模型。

2）地形圖勾繪。EPS2016三維測圖軟件中的模型空間量算功能可將地物、地貌的尺寸直接測算出來，同時軟件帶有模型平移、旋轉及縮放等基礎功能，通過自動識別地物特征（比如屋檐、河流邊界）實現內業快速繪圖，如圖5所示。

圖5 EPS2016雙屏繪制地形圖

3）房屋面積。基于EPS2016三維測圖軟件平臺進行二維建筑線勾繪和圖形屬性賦值，圖形主要屬性含有點位坐標（X坐標，Y坐標，廣州高程）、周長、面積、層數、建筑面積等。其中建筑層數是利用我院制作的EPS插件，通過主要點位高程減去附近地面點高程，除以平均層高（設定為3 m）自動獲得，內業人員根據三維模型進行層數復核；建筑面積等于建筑層數和面積的乘積。需注意的是：農村梯屋普遍存在，因部分梯屋造型復雜會引起插件計算面積錯誤，需要根據針對復雜梯屋單獨計算的方式處理建筑面積，圖6中建筑物結構（A、B、C、D）可通過構建的實景三維模型進行判定，再依靠外業巡圖確定。

圖6 基于無人機傾斜攝影技術構建的地形圖成果

3 精度分析

3.1 精度要求

本測區從點位、邊長、高程和建筑物面積4個方面進行成果精度分析。其中點位、邊長、建筑物面積精度對比是將基于無人機傾斜攝影技術獲取的房屋角點與實地野外調繪得到的房屋角點坐標進行對比。

1∶500地形圖精度要求[14]：地物點位中誤差±15cm；臨近地物點間距中誤差±10cm，高程中誤差不得大于±15cm。

3.2 點位精度分析

選取地形圖中房屋角點和外業實測（檢測）的同名點進行分析，如表1所示。最大點位誤差為0.169m，最小點位誤差為0.007m，所有檢核點的點位中誤差為0.061m，可滿足1∶500地形圖精度要求。

表1 點位精度分析表

3.3 邊長精度分析

選取地形圖中房屋邊和外業實測（檢測）邊進行分析，如表2所示。最大邊長誤差為0.11m，最小邊長誤差為0.00m，所有檢核邊的邊長中誤差為0.052m，可滿足1∶500地形圖精度要求。

表2 邊長精度分析表

3.4 高程精度分析

選取地形圖中高程點和外業RTK實測（檢測）的同名點進行分析，如表3所示。最大高程誤差為0.147m，最小高程誤差為0.007m，所有檢核點的高程中誤差為0.043m，可滿足1∶500地形圖精度要求。

表3 高程精度分析表

3.5 面積精度分析

選取地形圖中房屋面和外業實測、經內業計算而得的對應屋面進行分析，如表4所示。最大面積誤差為0.06m2，最小面積誤差為14.91m2，所有檢核房屋面的面積相對誤差的中誤差為1.71%，可滿足城市更新基礎數據誤差比例小于或等于5%的精度要求[12]。

表4 建筑面積精度分析表

3.6 效率對比

在保證點位、邊長、面積、高程等精度的前提下，大大的提高了工作效率，從人員、時間、作業成本、數據成果等方面與傳統測量方法進行對比，如表5所示。

表5 效率對比表

4 結 語

本文以廣州市黃埔區某村為例，提出了將無人機傾斜攝影技術應用于面向舊村改造的大比例尺地形圖中，利用EPS2016三維測圖軟件平臺繪制地形圖，通過對點位、邊長、高程和建筑物面積4個方面進行精度分析，證明了無人機傾斜攝影技術可滿足面向舊村改造的1∶500地形圖測圖要求，并得出以下結論：

1）通過實際工程應用可知，在相機重疊度足夠高、合理設置行高的情況下，無人機傾斜攝影技術能夠滿足1∶500地形圖測繪、城市更新基礎數據誤差比例要求。

2）將無人機傾斜攝影技術應用于面向舊村改造的大比例尺地形圖中，能夠大大減少外業工作量，將工作重點由外業轉到內業。由于外業工作迅速、時間短，對氣候依賴性低，相對比傳統測繪，項目進度大大提升。傳統測繪手段內業工作需要依靠外業人員通過畫草圖、憑記憶完成，而無人機傾斜攝影技術生成的實景三維模型能夠很好地輔助內業人員繪圖工作，提高內業工作效率。

3）舊改工作往往需要現勢性強的基礎數據，無人機傾斜攝影技術因其高精度、高效率、作業便捷的特點很好地貼合了“三舊”改造工作需求。

同時，基于生成的實景三維模型能夠快速、較為準確地計算出調查區域房屋建筑總量，節省了大量人力物力，縮短工作周期，滿足了舊村改造數據的高時效性要求，為全國舊改領頭的廣東省、廣州市其他“三舊”改造項目提供了一定的參考。