基于無人機傾斜攝影的1:500地圖制圖研究

黃文新

摘?要：傳統的地形圖繪制工作存在耗時長、現勢性低、效率低、成本高等問題亟待解決。三維模型基于EPS平臺繪制大比例尺地形圖，可有效地改善地形圖繪制工作存在的困難，為地形圖繪制工作提供新技術、新方法。該文結合在南寧某測區的大比例尺地圖制圖項目為背景，研究了基于無人機傾斜攝影的大比例尺地圖制圖，研究結果表明，三維模型紋理清晰、結構較為完整、真實性強；模型空三解算后的控制點和檢查點的平面、高程精度均可以滿足1：500比例尺的精度要求；基于EPS平臺繪制的大比例尺地形圖精度滿足1：500地形圖成圖精度要求，即利用三維模型基于EPS平臺繪制大比例尺地形圖是一種省時、成本低、效率高、精度有保障的新方法。

關鍵詞：無人機傾斜攝影?大比例尺??地圖制圖??精度分析

中圖分類號：P231????????文獻標識碼：A

Research?on?1：500?Cartography?Based?on?UAV?Tilt?Photography

HUANG?Wenxin

（Guangxi?Zhenkai?Technology?Co.，?Ltd.，?Nanning，?Guangxi?Zhuang?Autonomous?Region，?530200?China）

Abstract：?The?problems?of?long?time，?low?current?situation，?low?efficiency?and?high?cost?in?the?traditional?cartography?need?to?be?solved?urgently.?Using?3D?models?to?draw?large-scale?topographic?maps?based?on?the?EPS?platform?can?effectively?improve?the?difficulties?in?cartography?and?provide?new?technologies?and?methods?for?cartography.?Based?on?the?large-scale?;cartography?project?in?a?survey?area?in?Nanning，?this?paper?studies?large-scale?cartography?based?on?UAV?tilt?photography.?Results?show?that?the?3D?model?has?clear?texture，?relatively?complete?structure?and?strong?authenticity，?the?plane?and?elevation?accuracy?of?control?points?and?inspection?points?of?the?model?after?aerotriangulation?solution?can?meet?the?accuracy?requirements?of?1：500?scale，?and?that?the?accuracy?of?the?large-scale?topographic?map?drawn?based?on?the?EPS?platform?meets?the?mapping?accuracy?requirements?of?the?1：500?topographic?map，?that?is，?using?3D?models?to?draw?large-scale?topographic?maps?based?on?the?EPS?platform?is?a?new?method?with?time-saving，?low?cost，?high?efficiency?and?guaranteed?precision.

Key?Words：?UAV?tilt?photography;?Large?scale;?Cartography;?Accuracy?analysis

傾斜攝影測量技術是近年來測繪行業發展的一門新的測量技術，該技術通過多角度采集地面影像數據，進行數據處理生成區域實景三維模型成果，解決了傳統航空攝影測量技術只能獲取正射影像成果，而不能獲取完整的地形地物地貌等信息[1]。利用無人機飛行平臺搭載五鏡頭相機可以從垂直、前視、后視、左視、右視五個角度獲取完整且精確的地面信息，根據獲取的高精度地面影像數據生成實景三維模型，向用戶展示一個切合實際的直觀世界。通過該技術建立的實景三維模型精度高，模型細節表達好，建模速度快，在一定程度上減小了三維模型的生產成本。因此，傾斜攝影三維建模技術在數字城市、礦區地表移動變形監測以及古建筑修復中得以廣泛應用[2]。

該文提出使用無人機傾斜攝影技術進行大比例尺地形圖生產工作，全面的介紹了該技術的系統組成、工作原理及三維建模系統的關鍵技術組成。結合工程實例，采用中海達iFly-V5飛行系統進行傾斜攝影數據采集，通過Context?Capture軟件平臺生產測區實景三維模型，研究了兩種不同飛行系統進行傾斜攝影三維建模時的精度問題，然后基于EPS行大比例尺地形圖繪制工作，最后對地形圖成圖進行質量評價，并構建傾斜攝影大比例尺地形圖測繪質量評價體系。數字化城市發展進程越來越快，數字線劃圖的生產能夠為各行各業提供基礎數據保障，所以本文的研究，能夠為目前無人機傾斜攝影技術應用于大比例尺地形圖繪制工作提供一定參考價值。

1?項目概述

此項目位于南寧市郊區，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（如圖1所示）。項目采用使用中海達iFly-V5無人機飛行平臺搭載索尼α5100五鏡頭集成相機進行拍攝，其中正射鏡頭焦距為25mm，四個旁向鏡頭焦距為35mm[3]。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?[4]。

2?項目實施

2.1?技術路線

結合測區北部和南部的特點，提出了利用縱橫中海達iFly-V5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，技術路線如圖2所示。

測區面積1.5km2，實際飛行面積2.8km2，共計飛行2架次，航飛高度250m，航向及旁向重疊率80%，布設像控點共24個，地面分辨率為3.5cm。此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

此項目采用Bentley公司的Context?Capture全自動三維建模系統進行構建真三維模型，與其他建模軟件一樣，該建模系統也是基于圖形運算單元GPU可以實現快速建立三維場景的運算軟件[5]。Context?Capture軟件的建模原理是將航測系統從幾個不同角度獲取的一組或者幾組靜態目標物的影像數據作為輸入數據源，然后在系統內設置各種可選擇的輔助數據，例如：攝像頭的屬性、照片的地理位置、控制點等，再利用該全自動三維建模軟件進行解析處理，最終輸出實用性強、紋理清晰且效果真實的真三維模型。

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，如圖3所示。

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，內業成圖后，進行必要的外業調繪[6]。主要步驟分為五步，如圖4所示。

其中，地形圖勾繪結果如圖5示。

在屬性賦值時，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。

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測量得到的房屋角點坐標進行對比。1：500地形圖精度要求：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，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。

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，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。

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1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。

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。最小面積誤差為0.06m2，最大面積誤差為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。

4?結語

該文以南寧市某村為例，提出了將無人機傾斜攝影技術應用于大比例尺地形圖中，證明了無人機傾斜攝影技術可滿足1∶500地形圖測圖要求，并且能夠很好地輔助內業人員繪圖工作，提高內業工作效率。

參考文獻

[1]蘆彥霖，張森，汲姣.低空無人機傾斜攝影測量測圖精度實證[J].吉林大學學報（地球科學版），2021，51（6）：1921-1931.

[2]冷長才，黃石明，沈俊成.基于無人機傾斜攝影測量技術的大比例尺地形圖測圖研究[J].江西測繪，2021（3）：26-29.

[3]邢曉平.無人機傾斜攝影測量在大比例尺地形圖測圖中的精度分析及應用研究[D].濟南：山東科技大學，2020.

[4]顧海鋒.基于無人機傾斜攝影的化工園三維精細建模[D].南京：南京信息工程大學，2021.

[5]曾凡建.無人機傾斜攝影在農村房地一體權籍調查中的應用[J].測繪與空間地理信息，2022，45（5）：184-187.

[6]任旭斌，康建鋒，于東海.無人機傾斜攝影測量在房屋建筑面積測算中的應用[J].測繪通報，2022（3）：116-120，126.