無人機大比例尺測圖技術應用研究

韓新哲

（1.華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021；2.自然資源部金屬礦山地下水災害防治工程技術創新中心，河北 石家莊 050021）

隨著無人機（Unmanned Air Vehicle，UAV）系統裝備的智能化應用領域不斷拓展以及新型測繪地理信息技術研究的深入，基于無人機系統的新型測繪技術應運而生。無人機攝影測量技術以其成本低、安全系數高、復雜區域適應強、精度滿足測量要求等優點在各領域得到廣泛應用，如智慧城市建設、礦山治理、違建監管等。隨著不斷深入研究，通過無人機系統平臺搭載高清數碼相機（單拼相機或五拼相機） 運用攝影測量技術制作4D 測繪產品，包括數字正射影像圖（Digital Orthophoto Maps，DOM）、數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）、數字表面模型（Digital Surface Model，DSM）、數字線劃圖（Digital Line Graph，DLG）以及實景三維模型。張祖勛等[1]闡述了工業攝影測量技術概念，對新型攝影測量技術在算法改進、工藝流程等方面提出了新思路，為我國攝影測量的發展指明了研究方向。陳巧等[2]闡述了無人機攝影測量技術在地質滑坡災害中的應用，通過快拼影像，獲取山體滑坡特征，識別滑坡形變區域，精準的量測滑坡變形值，為地質滑坡災害精準治理提供依據。蘭峰等[3]為構建精細化實景三維模型更好的服務于智慧城市建設，提出一種基于地物類別的傾斜攝影三維建模方法，通過計算三維模型的紋理信息結合植被提取算法，經規整后白膜重構三維模型，能夠簡化三維模型，且模型外觀與原始模型基本無差別，提高了三維模型在地理信息系統中的適配性。趙國梁等[4]驗證無人機搭載單拼鏡頭精心立體繞飛技術在1∶500 不動產測量中的可行性，提高了作業效率，減少了外業飛行時間，節約了人工成本，并經過精度驗證表明單鏡頭繞飛技術在不動產測量中的創新性、適用性。前人的研究探討了無人機攝影測量技術在各個方面的應用，構建數字正射影像圖或實景三維模型服務于各個領域，通過成果圖件描繪地理信息，但是如何更加精確地應用到大比例尺測圖中，或保證測圖精度，就需要更加深入的研究。本文闡述了無人機系統組成及其在大比例尺測圖中的關鍵技術，通過應用實例，分析無人機大比例尺測圖技術的可行性、適用性。

1 無人機航攝系統

無人機航攝系統由航攝平臺、傳感器、差分定位系統、地面控制系統組成[5-8]。

航攝平臺指無人機機體，根據飛行方式不同可分為固定翼、旋翼機以及復合翼，相比較而言，旋翼機飛行航時短，載荷任務量輕，較靈活，適應于山區及小面積區域作業。

傳感器為搭載的采集數據平臺，大比例尺測圖應用中一般搭載單拼或五拼高清數碼相機，包括可量測相機與非量測相機等。

差分定位系統由GNSS 接收機、地面基站、差分系統組成，通過實時差分技術解算無人機的位置，即位置和姿態測量系統（POS） 數據。

地面控制系統接收和傳遞無人機信號，對無人機進行發送指令，控制無人機完成作業任務。

2 關鍵技術研究

本文研究的無人機大比例尺測圖技術基于傾斜攝影測量原理，通過無人機搭載五拼鏡頭，獲取下視、前視、后視、左視、右視影像，經過影像匹配與空中三角測量技術，提取特征點，實現實景三維模型重建，并基于實景三維模型進行大比例尺地形圖繪制。

2.1 影像匹配

影像匹配根據相鄰重疊影像的同名點信息進行提取匹配，通過同名點區域計算影像間的相對位置關系，通常采用尺度不變特征轉換（Scale Invariant Feature Tranform） 將各個影像數據匹配到同一坐標系中，主要包括3 個步驟。

1) 特征提取。直接影響匹配速度與產品精度，所以項目實施過程中需均勻布設大量像控點。

2） 特征匹配。建立同名點區域影響間的位置關系，后見影像幾何關系模型。

3） 影像變換。將影像數據匹配至同一坐標系下，實現影像的幾何變換。

2.2 空中三角測量

空中三角測量主要通過用較少的控制點，計算出位置坐標與影像的外方位元素。采用光速法聯合平差的方法，光束法區域網平差是以影像為單位，利用每個影像與所有相鄰影像重疊區內（航向、旁向） 的公共點、外業控制點，進行整體求解每張影像的6 個外方位元素。每個攝影中心與影像上觀測的像點的連線就像一束光線[9-10]，見圖1。

圖1 光束法區域網平差

2.3 密集匹配與構建三角網

通過多視角匹配技術生成密集點云，由密集點云生成三角網，三角網的復雜性直接反應地形環境的復雜性，根據多視角拍攝獲取俯視與側面紋理，密集的點云直接反應地形的三維信息。采用區域網聯合平差來處理傾斜攝影數據，便于全面解決像片之間的幾何變形以及遮擋問題。通過POS 數據得到傾斜影像外方位元素，采用由粗到精的金字塔匹配策略在每一級像片上進行同名點的自動匹配以及區域網光束法平差，得到精度較高的同名點匹配結果。同時建立連接點與連接線、POS 數據與GPS/IMU 數據的傾斜圖像自檢校區域網平差的誤差方程，對其采用聯合平差計算，來確保平差結果精度能夠滿足要求。

影像密集匹配是傾斜攝影測量的關鍵技術，并且傾斜圖像的籠罩區域大、分辨率高。所以，在密集匹配過程中可能會產生大量冗余信息的前提下，迅速精確地得到傾斜圖像的同名點坐標，從而獲取地面物體的三維信息是傾斜影像密集匹配的重點。采用SFM 算法發展起來的多基元、多角度圖像匹配方法用于解決傾斜影像密集匹配。

2.4 紋理映射

實景三維模型紋理映射是將真實世界的圖像應用于三維模型表面的過程，以使模型看起來更真實且細致。此方法將圖像轉化為適合于模型表面的數據，并將其映射到模型上。這些圖像由無人機航空攝影生成，以保證模型與真實世界場景的一致性。紋理映射將圖像與模型的特定區域對應起來，以影像紋理貼圖至模型，構建出實景三維模型，達到真實的視覺效果。

2.5 大比例尺地形圖繪制

基于完成后的精細化實景三維模型進行矢量數據采集，以實景三維模型圖件為底圖進行描繪繪制。通過地物數據采集與等高線、高程點提取最終形成大比例尺地形圖矢量數據。

3 實例分析與精度評定

本文以某村落1∶500 地形圖繪制項目為例，通過中海達iFly D1pro 無人機搭載五拼相機進行工作區傾斜攝影測量，構建實景三維模型，繪制地形圖。中海達iFly D1pro 無人機掛載傾斜攝影測量系統，集成1 個垂直相機和4 個傾斜相機，有效像素為1.2 億像素（2400×5），下視相機鏡頭焦距為25 mm，傾斜相機鏡頭焦距為35 mm。工作區海拔均勻，地勢平坦，俱備無人機傾斜攝影測量條件。

3.1 像片控制測量

像控點布設根據測區實際情況劃分區域網布點，采用IMU/GNSS 輔助航攝，1∶500 地形圖測制，航線跨度不大于6 條，基線跨度不大于12 條。本次像控點之間按平均150 m 的格網間距均勻布設，且覆蓋整個試驗區。噴涂標識時應以像控點為中心，噴繪像控拐點形狀，像控點的測量主要采用GNSS-RTK 方法。

3.2 航線規劃

根據傾斜攝影的數據處理經驗，模型精度一般是地面分辨率的3 倍，因此，為滿足測圖精度，設計航攝分辨率為1.5 cm，設計航高時，傾斜相機的性能計算公式為

式中：a 為成像單元；GSD 為地面分辨率；f 為鏡頭焦距；H 為航攝高度。

由式（1）設計相對航高約96 m，為保證模型成果的精細化，航攝重疊率設計為航向重疊率80%，旁向重疊率75%，外擴后飛行面積約0.6 km2，任務航時約50 min，航攝速度為8 m/s。

3.3 三維模型構建

1） 整理航攝后的原始影像、相機文件及POS數據。

2） 對航攝后的影像進行勻光勻色處理，使最終影像成果在視覺上的表現完整統一。

3） 將相機參數、影像數據、POS 數據導入建模軟件，進行多視角影像特征點密集匹配，并進行區域網的自由網多視影像約束平差解算，建立在空間上相對位置關系準確的區域網模型，完成相對定向；將外業測定的像片控制點成果，在內業環境中進行轉刺，利用這些控制點對已有區域網模型進行約束平差解算，將區域網納入到精確的地面坐標系統中，完成絕對定向。空中三角測量結束后應及時查看精度報告以符合規定的精度要求。經過空中三角測量得到每張像片的精確外方位元素后，在建模軟件里提交建模任務，設置相關參數并進行自動化建模處理，建立后實景三維模型示意圖見圖2。

圖2 實景三維模型示意圖

3.4 大比例尺測圖

從垂直、傾斜等不同角度采集影像，形成傾斜模型后，利用EPS 傾斜攝影測圖系統基于實景三維模型數據進行矢量數據采集，形成三維矢量化示意圖，見圖3。測圖內業主要采集房角點及部分房屋附屬設施點，為充分驗證內業測圖的精度，將前期外業采集的部分房角點展入測圖系統，從三維場景中觀察，絕大部分的外業坐標都在實景模型的角上。并通過利用三維模型對房屋的特征輪廓和點狀地物進行矢量制圖，包括高程點的提取、操作過程中地物要素國標的實時編碼、所有要素的矢量制圖，最終經過圖形整飾形成大比例尺地形圖。

3.5 精度評定

1∶500 比例尺測圖完成后，根據野外實地測量點（以明顯特征點進行測量）作為檢核點，與基于無人機大比例尺測圖點位對比，見表1 的誤差精度評定表。

根據表1 誤差精度評定進行分析，基于無人機大比例尺測圖技術的平面誤差與高程誤差滿足于1∶500 測圖規范要求，符合精度標準。

4 結束語

本文論述無人機航測系統的組成，探究其測圖關鍵技術，并經過實例進行驗證，得出以下結論。

1） 基于無人機航攝系統采集影像數據，制作實景三維模型，實現地形數據的矢量化，在大比例尺測圖上的應用是可行的，其測量精度滿足測圖規范要求。

2） 無人機大比例尺測圖技術不僅實現了測圖目的，而且其過程數據豐富了測繪成果，形成了實景三維模型，矢量圖與三維模型結合進行后期使用線劃圖更加直觀。

3） 對比傳統大比例測圖方法，無人機大比例尺測圖技術降低成本投入的同時，生產效率大大提高，對于復雜區域數字測圖的生產，以無人機代替人力采集數據，安全系數更高。

綜上所述，無人機大比例尺測圖技術在項目生產中具有很大優勢，外業數據采集較快，但如何提高內業數據處理效率，如何提高影像數據質量和空中三角測量數據質量，需要進一步研究。