無人機傾斜攝影技術在礦山大比例尺地形圖測繪中的應用研究

摘" 要：傳統礦山大比例尺地形圖測繪效率低、周期長、作業成本高，針對這一問題，該文在深入分析傾斜攝影測量技術后，提出使用傾斜攝影技術進行大比例尺地形圖測繪的作業方案。首先介紹無人機傾斜攝影技術，其次說明該技術在礦山地形圖測繪中的作業流程，最后以實際項目為例，對作業中的關鍵技術進行介紹，并采用外業實地采集的檢查點，對該文方案生產的地形圖精度進行檢測。結果表明，采用該文方案生產的地形圖，其精度可以滿足1∶500地形圖測繪要求，而且較傳統地形圖測繪來說，效率高、作業成本低、周期短，具有一定的實用和借鑒意義。

關鍵詞：無人機;傾斜攝影建模;實景三維模型;大比例尺地形圖;礦山測繪

中圖分類號：P231" " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）25-0193-04

Abstract： The traditional mine large-scale topographic map has the advantages of low efficiency， long period and high operating cost. In order to solve this problem， after an in-depth analysis of tilt photogrammetry technology， this paper puts forward an operation scheme of large-scale topographic map surveying and mapping by using oblique photography technology. Firstly， the oblique photography technology of UAV is introduced， and then the operation flow of this technology in mine topographic map surveying and mapping is explained. Finally， taking the actual project as an example， the key technologies in the operation are introduced， and the check points collected in the field are used to test the accuracy of the topographic map produced in this paper. The results show that the accuracy of the topographic map produced by this scheme can meet the surveying and mapping requirements of 1∶500 topographic map， and compared with the traditional topographic map， the topographic map has high efficiency， low operating cost and short period， so it has certain practical and reference significance.

Keywords： UAV; oblique photography modeling; real scene 3D model; large-scale topographic map; mine surveying and mapping

近年來，無人機攝影測量技術發展迅速，隨著相機重量不斷減輕和相機組合技術的完善，無人機傾斜攝影測量取得了前所未有的發展。隨著無人機價格的不斷降低和操控無人機飛行技術的不斷提升，無人機傾斜攝影測量技術的應用領域越來越廣。數字線劃圖（DLG）是攝影4D產品的重要組成部分，具有很廣的用途[1-3]。傳統的地形圖測繪，是使用GPS-RTK進行全野外作業，然后再進行內業連點成圖。其分為內外業2部分，外業采集特征點和關鍵點，并繪制草圖，內業再將外業采集的坐標錄入到專業的軟件中，結合繪制的草圖，將地形圖數字化出來。這種方式的優點是采集的點位精度高，但是其他點位都是內插和擬合得到的，精度不受保障[4-5]。如果要得到高精度的成果，則需要采集更多的點，這樣會導致作業效率低下，作業成本增加，作業周期更久。為了在保證測繪成果精度符合要求的前提下，降低生產成本，提高生產效率成為了研究的熱點之一。本文在分析了傾斜攝影測量技術后，提出采用傾斜攝影測量技術進行大比例尺地形圖的生產，并以實際項目驗證了本文方案的可行性，以期為大比例尺地形圖的生產帶來參考。

1" 無人機傾斜攝影技術

這種新型的攝影測繪技術，是以無人機作為飛行平臺，在無人機上搭載多鏡頭航攝儀，從空中對被攝物體，從多角度、全方位進行影像數據的采集，然后生產測繪產品的技術[6]。由于搭載的鏡頭和角度不同，其獲取的視角也是不同的，最常見的是搭載5鏡頭的傾斜設備。其由1個下視和4個側視航攝儀組成，下視從空中垂直地面物體進行影像數據獲取，側視以45°的夾角，對物體從側面進行拍攝，從而得到盲區少、有用信息豐富的影像。對于同一款相機而言，其像元大小是相同的，由航攝高度、焦距、地面影像分辨率和像元大小四者之間的關系可知，當像元大小和地面影像分辨率相同時，焦距和航攝高度成正相關。由下視相機和側視相機夾角為45°可知，要得到相同分辨率的地面影像，則側視焦距為下視焦距的1.4倍，這樣獲取的影像分辨率一致，有利于后期數據的高精度解算。

2" 無人機傾斜攝影在大比例尺地形圖測繪中的作業流程

無人機傾斜攝影生產大比例尺地形圖，其主要包括內外業2部分內容，外業主要為像控點測量和影像數據獲取;內業主要為空中三角測量解算與平差、實景三維模型生產、大比例尺地形圖測繪，具體的作業流程如圖1所示。

3" 案例分析

某礦區地形為丘陵地，要生產1∶500地形圖，采用傳統的全野外作業，成本太高，工期太久，無法滿足數據生產需求。為了按時高質量完成地形圖數據的生產，本文提出采用無人機搭載5鏡頭傾斜相機進行航空攝影，生產實景三維模型，并基于三維模型生產地形圖的作業方案。

3.1" 外業工作

3.1.1" 像控點測量

像控點測量主要包括像控點點位的選取與噴涂、坐標值的采集與拍照。首先將范圍線導入到圖新地球軟件中，結合地形，按照400 m左右的間隔均勻布設像控點，以高清晰影像圖為底圖，將布設好的點位套合在影像上，然后輸出為照片格式，便于外業在進行像控點測量前對整體的作業路線進行規劃。并將布設好的點位單獨導出為kml文件，便于外業快速找到點位。在坐標值測量前，先用白色油漆和像控點模板，在地面上進行點位的噴涂，然后標注點號，如圖2所示。在測量坐標時，為了避免偶爾誤差帶來的影響，每個點位均采集3次坐標值，且彼此之間的較差均在2 cm內則認為數據采集準確，對于較差不符合要求的點，重新采集坐標值，直到成果符合要求為止。為了外業準確快速找到點位，在采集像控點時，對點位從遠景、近景、多角度進行了拍攝。

3.1.2" 影像數據獲取

主要包括航線的規劃和影像數據的采集。本次作業采用WapPointMaster軟件進行航線規劃，在規劃航線時，航向、旁向重疊度均設置為80%，地面影像采樣分辨率為3 cm，采用下視焦距為35 mm、側視焦距為50 mm的傾斜相機進行影像數據的采集。具體的航線規劃參數如圖3所示。

完成航線的規劃后，將規劃好的航線數據導入到飛控軟件中，完成影像數據的采集。在正式作業前，首先要對設備進行檢查，主要檢查電池電量、螺旋機安裝固定情況、相機作業情況，為了更好地完成航飛前的檢查，一般采取試拍的方式，對內存卡的讀寫和相機的正常曝光進行檢測，在確保所有設備正常運行后，確保起飛環境安全，完成無人機的起飛和影像數據的采集。在航飛過程中，通過地面站查看無人機航飛狀態，確保航飛是受控的，杜絕飛行軌跡脫離航線問題的發生。在完成數據采集后，利用專業的軟件快速完成航飛成果重疊度，姿態角的檢查，采用人機交互方式，完成影像表征質量和數據完整性的檢查工作。經檢查，本次數據 質量良好，符合項目相關設計要求。

3.2" 內業工作

3.2.1" 數據預處理

內業數據處理主要包括影像質量的提升和POS數據的改名。在航飛時，由于不同方向相機進光量不一致，因此5鏡頭影像亮度不一致。為了提升后期成果的整體質量，以一幅地物信息豐富，亮度適中的影像為模板，對所有影像進行批量勻光勻色。本次相機在作業時，只記錄了下視相機的位置和姿態，并未對其余鏡頭的進行記錄，5鏡頭對應的同一曝光點的影像名字也是一致的，為了確保影像和POS數據一一對應，采用重命名軟件，對影像和POS數據進行重命名，完成影像和POS數據的預處理工作。

3.2.2" 空三數據解算

后期成果的精度主要與空三數據解算結果相關。為了提升本次數據解算精度，首先采用少量照片進行空三加密解算，得到優化的相機參數后，利用優化后的高精度相機參數，完成所有影像數據的解算工作。對空三加密成果報告進行查看，加密點重投影中誤差為0.21個像元大小，小于規范要求的2/3個像元大小，成果精度良好。將外業采集的像控點進行轉刺，在轉刺時，為了避免大畸變影像對整個空三成果精度的影響，對點位位于影像邊緣的像控點不進行轉刺，將所有符合要求的像控點轉刺完成后，提交平差任務，完成加密點從相對坐標到絕對坐標的轉換。再次查看空三加密報告，像控點精度均在0.01 m誤差內，成果精度符合項目要求。

3.2.3" 實景三維模型生產

本次模型生產選用Context Capture Center軟件，在生產模型之前，首先對成果的框架坐標系進行設置，然后以瓦塊切片方式選擇規則平面網格形式，模型輸出分辨率設置為0.03 m，瓦片大小結合集群電腦的配置，設置為100 m×100 m，模型輸出格式選擇含有多層級金字塔的OSGB格式。為了精準生產任務區模型，本次將任務區范圍線導入到軟件中來，在模型生產時，避免了多余成果的輸出。

4" 大比例尺地形圖測繪

基于實景三維模型完成礦區大比例尺地形圖的測繪。首先利用模型元數據xml文件和模型，在EPS軟件中，快速得到數字表面模型（DSM）成果。將DSM成果導入到EPS軟件中，選擇不同工具命令，快速完成地形圖的采集任務。在采集規則四邊房屋時，選擇相應命令，快速繪制房屋成果。在采集等高線時，對于裸露地面，直接利用軟件自動提取高程點，然后利用高程點反生等高線;在植被密集區域，采用淹沒功能，快速完成等高線的繪制，得到高質量的地形圖成果，具體采集過程如圖4所示。

5" 精度評定

為了對本次得到的地形圖成果精度進行驗證，利用GPS-RTK在任務區隨機均勻采集了30個平高點和25個高程點，其中30個平高點也可用于地形圖高程精度的檢測，部分檢測數據見表1。

采用高精度中誤差公式，對本次地形圖成果精度進行檢測，得到其平面中誤差為±8.1 cm，高程中誤差為±7.8 cm，且最大較差均在1∶500地形圖規定的2倍誤差之內，成果精度良好，可以滿足本次項目數據的生產需求。

6" 結束語

本文以實際生產項目為例，采用傾斜攝影測量技術生產1∶500地形圖，利用外業獲取的檢查點對地形圖成果精度進行了檢測，其平面精度和高程精度均滿足項目需求。而且生產的實景三維模型，其任何位置的坐標真實，具有可量測性，計算土方的填挖方也非常方便，可以為礦山的智能化管理提供豐富的基礎數據。

參考文獻：

[1] 雷宇宏，俞倩.無人機傾斜攝影技術在大比例尺地形圖測繪中的應用探討[J].科技創新與應用，2022，12（24）：178-180，184.

[2] 鄒悅忠.無人機傾斜攝影技術在礦山大比例尺地形圖測量中的應用[J].世界有色金屬，2019（23）：42，45.

[3] 陳志，汪福源.無人機傾斜攝影技術在1∶500地形圖測繪中的應用[J].江西科學，2021，39（6）：1056-1059，1076.

[4] 辛赟.無人機仿地飛行在銅川地區某石灰巖礦區測圖中的應用[J].中國非金屬礦工業導刊，2020（3）：53-56.

[5] 張懂慶，魏軍，王萍.三種傾斜攝影建模軟件對比分析[J].測繪技術裝備，2022，24（3）：114-119.

[6] 魏軍.傾斜攝影數據處理成果的質量檢查與評定[J].測繪，2021，44（3）：124-127.