淺析無人機傾斜攝影技術在大比例尺地形圖測量中的應用

孫德厚 黃昌勝 周海旭

（1、佳木斯市自然資源測繪研究院，黑龍江 佳木斯 154002 2、淄博職業學院，山東 淄博 255314）

1 概述

對于大比例尺地形圖測繪，常規的作業方法是采用全站儀、RTK 以及全站儀和RTK 組合等方式進行全野外測量。大面積區域的大比例尺地形圖往往采用航空攝影測量方法。采用全野外測量法測圖，需要測區走到、測到，外業工作量大，還有大量的內業數據處理工作，工作效率低，成圖周期長，對于一些沼澤等無法到達的危險區域幾乎無法測量。采用傳統的航空攝影測量方法進行大比例尺地形圖測繪，由于需要租賃飛機、進行飛行空域申請等原因造成飛行成本加大，同時由于飛行高度的原因，經常受到云霧等天氣的影響，而且只能從垂直角度獲取影像數據，該方法的外業調繪工作量比較大。隨著測繪科技的發展，無人機傾斜攝影測量技術不斷得到創新和完善，采用無人機搭載多鏡頭從多個角度對測繪區域進行數據采集，可高效的獲取測區豐富信息，具有作業效率高、可用信息量大、成本低廉等特點，在危險地區和小面積區域進行大比例尺地形圖測繪具有明顯的優勢[1,2]。

本文通過無人機傾斜攝影測量技術，利用無人機搭載五鏡頭相機對測區進行傾斜攝影測量，通過像控測量、空三計算并生成三維模型，在三維模型上進行DLG數據采集，對武漢漢南經濟技術開發區沌口北測區23km2的區域進行1:500 地形圖測量，驗證了在大比例尺地形圖測量中采用無人機傾斜攝影測量技術的可行性。

2 基于無人機傾斜攝影技術的大比例尺地形圖測圖技術流程

基于無人機傾斜攝影技術的大比例尺地形圖測圖技術流程主要包括無人機傾斜攝影、像控點測量、空三加密、實景三維建模、基于實景三維建模成果的內業數據采集以及外業調繪工作。

2.1 無人機傾斜攝影

2.1.1 技術指標

項目采用的無人機傾斜攝影測量系統為iFLY D6 無人機攜帶iCam-Q5 plus5 鏡頭傾斜數碼相機。考慮到測區內部分小區高層建筑較多，設計相對航高為150-200m。同一航線最大航高與最小航高之差≤30m，相鄰航線航高之差≤20m，設計航高與實際航高之差≤50m。旁向重疊設計為70%，困難區域設計為85%。航向重疊設計為85%。為滿足建模需求，有建筑物的攝區需向建模范圍線外延伸150 米進行航攝。

2.1.2 航線規劃

考慮測區分布特點及無人機電池續航能力，每個架次的航線長度控制在6 公里以內，沿東西方向飛行。東西相鄰架次之間至少重疊一條基線，南北相鄰架次之間相隔不得超過航線間隔的1.2 倍。測區邊緣如果有房屋等高層建筑，航線應外擴150 米，邊緣地區如無高層建筑，航線不需外擴。架次可以適當左右調整位置進行優化，避免邊緣地區架次長度過大或過小。整個測區的航線規劃如圖1 所示。

圖1

2.2 像控點布設

采用區域網布設像控點，平高像控點航向間隔≤1200 米，旁向間隔≤900 米，像控點之間均勻布設平高檢核點。像控點選擇要求：一是地面影像清晰的地物點，二是接近正交的線狀地物交匯點，三是地物角點。如地面交通標志線、地面鋪裝材質變換處交角等。要求像控點點位周圍沒有遮擋物，點位在航片上清晰易辨認。像控點和檢核點分布如圖2 所示。

圖2

2.3 空三加密

空三加密是實景三維建模的核心環節之一，為提高成果的位置精度水平，需要將外業采集像控點數據刺點至對應的像片[3]，每組相機至少刺一張，每個像控點至少要有4 張刺點像片。利用ContextCapture 對航片進行空三加密解算。首先每個架次分別進行解算，成果合格后再按區域將多個架次合并成一個加密區域進行整體解算。這樣可以提高整體解算的精度，提高工作效率，并方便后續作業的接邊整合。空三加密分區如圖3 所示。

圖3

在約束條件下進行空三計算，根據解算情況及時偵測和發現有問題的像控點，及時調整展點位置或剔除有問題的像控點，必要時由外業補測新的像控點，直到解算結果各項指標合格，精度可靠為止。

2.4 實景三維模型生成

采用ContextCapture 軟件基于圖形運算單元進行快速三維模型的構建。利用經檢查合格的空三加密成果，通過攝影測量原理，對獲取的測區5 鏡頭傾斜攝影成果進行幾何處理、點云匹配、構建三維TIN 網、紋理自動賦予等步驟，最終生成測區實景三維模型成果。如圖4 所示。

圖4

2.5 內業數據采集

采用清華山維EPS 軟件，加載三維場景后直接采集地物、地貌等地形圖要素。將ContextCapture 生成的OSGB 模型轉換成EPS 可以加載讀取的DSM 模型，利用EPS 地理信息工作站的傾斜攝影測量模塊進行測圖，同時可以加載真正射影像圖（超大影像格式）進行輔助測量，也可以在真正射影像圖上對道路、檢修井等地表地物直接采集。樓層、結構等屬性信息能夠從三維模型中獲取的直接在內業采集。多數建筑能直接采集建筑物的墻體，不需要外業調繪進行房檐尺寸改正。數據采集界面如圖5 所示。

圖5

2.6 外業調繪

外業調繪的基本內容為：檢核（檢核內業數據成果）、糾錯（糾正內業數據采集測錯的內容）、補漏（補充因地物遮擋內業測漏的內容）、改檐（有屋檐都要改正）、屬性調繪（如地名、房屋層次、房屋結構、流向、高壓線路伏數、檢修井屬性等）五個方面。同時補測新增地物，并解決處理內業標明的疑點問題。

3 應用與分析

以武漢漢南經濟技術開發區沌口北測區23km2區域的1:500 比例尺地形圖測量為例，論證項目實施過程及地形圖精度分析。測區位于武漢經濟技術開發區（漢南區），東邊至長江，西邊至后官湖，北邊至三角湖北路，南邊以沌陽大道為界。區域內地勢平坦。具體范圍如圖6 所示。

圖6

3.1 項目實施

項目航拍前依法取得了航拍和空域使用批文，共飛行128 個架次，完成航攝面積32 平方公里，獲取影像17 萬余張。共布測像控點125個、檢查點90 個，測量道路中線高程點3500 余個。傾斜攝影數據處理共分10 個加密區，采用ContextCapture10.15 軟件，由12 臺高性能工作站同時分布進行解算，歷時近3 個月完成空三加密和實景三維模型生成，共制作完成測區實景三維模型成果23km2，同時對測區的真正射影像成果進行輸出。基于實景三維模型和真正射影像成果，利用EPS 地理信息工作站的傾斜攝影測量模塊進行地形圖數據采集，共采集地形圖474 幅圖。經過調繪及采用維思2.0 時空信息智能處理平臺進行數據入庫處理，完成最終的1:500 比例尺地形圖成果。

3.2 地形圖精度分析

3.2.1 平面絕對精度

采用RTK 和全站儀相結合的方式進行平面絕對精度檢測，外業采集地物特征點的坐標與地形圖上的相應點位的坐標進行比較分析，共采集比較特征點780 個，其中粗差點0 個，平面位置中誤差為±0.175m，滿足《城市測量規范》規定的地物點相對于鄰近平面控制點點位中誤差不大于圖上0.5mm 要求，檢查數據如表1 所示。

表1 平面坐標精度統計表

3.2.2 平面相對精度

平面相對精度檢查采用鋼尺和測距儀外業量測距離、邊長與地形圖上對應位置進行比較分析，共檢測480條邊，其中粗差邊0 條，經計算得到平面相對位置中誤差為±0.166m，精度滿足《城市測量規范》規定的地物點相對于鄰近地物點間距中誤差不大于圖上0.4mm 要求，檢查數據如表2 所示。

表2 平面相對位置精度統計表

3.2.3 高程精度

采用RTK 進行高程精度檢查。外業實測特征點高程與地形圖上的相應位置的高程進行比較分析，共檢測鋪裝路面高程點785 個，其中粗差點0 個，高程中誤差為±0.079m，滿足《城市測量規范》規定的1:500 地形圖高程注記點相對于鄰近圖根點的高程中誤差不應大于0.15m要求，檢查數據如表3 所示。

表3 高程精度統計表

4 結論

本文通過對武漢漢南經濟技術開發區沌口北測區項目利用無人機傾斜攝影測量技術進行1:500 地形圖測繪成果的精度分析，各項精度均滿足《城市測量規范》要求，驗證了無人機傾斜攝影測量技術在大比例尺地形圖測量中應用的可行性，與全野外測量和傳統航空攝影測量比較，利用無人機傾斜攝影測量獲取的實景三維模型信息更加豐富，基于實景三維模型進行多視角影像測圖，不但可以方便快捷的對地物進行識別和采集，而且可以獲取房屋的層次和結構等信息，大大提高了測圖效率，縮短了成圖周期，在小面積的地形圖測量中具有一定的應用推廣價值。