无人机倾斜摄影技术在大比例尺地形图测绘中的应用研究

程玉红

（山西省基础地理信息院，山西 太原 030001）

无人机倾斜摄影技术的基本原理，就是以无人机为平台，通过搭载多个高分辨率的影像采集设备，从空中不同多角度来采集影像数据以便更为完整准确地获取地面物体信息。无人机倾斜摄影技术在我国已经得到了进一步发展，多数地区的实践经验均证明，该技术的出现进一步提高了大比例尺地形图的测量质量与效率，值得关注。

1 无人机倾斜摄影技术分析

1.1 无人机倾斜摄影技术的技术特征

随着我国无人机倾斜摄影技术的进一步发展，该技术已经展现出了显著的优势，与传统技术相比，该技术的主要特征表现在以下几方面：

a）多视影像联合平差技术。该技术又被认为是整个无人机倾斜摄影技术的核心技术，其中的主要内容是将摄像划分为两种，分别为垂直摄影摄像与倾斜摄影摄像。从技术角度来看，在无人机倾斜摄影技术中主要将平差分为3 个部分，分别为直接定向倾斜摄像、无约束的区域网平差与有约束的区域网平差。

b）多视摄影的密集匹配。一般在大比例尺地形图测绘期间，工作人员需要面临很多问题，而其中的重点就是因为分辨率以及地形变化而对摄影结果产生的影响，这些因素都会造成影像效果不理想，甚至演变成为影响严重的干扰问题。所以单纯通过匹配方法难以适应未来需求，且图像的密集匹配效果也不尽满意，更无法满足图像建模要求。所以针对这种情况，相关学者开始通过密集实验来解决无人机倾斜摄影技术的缺陷，而多视摄影技术密集匹配的出现，能够满足高精度的地形数据测绘需要，保证图像三维建模的精准度更高。

1.2 无人机倾斜摄影技术在大比例尺地形图中的应用可行性

无人机倾斜摄影技术的出现可以通过三维建模等现代化手段来适应复杂环境下的图像处理要求，与传统技术相比，该技术最主要的特征就是能够对采集到的地形数据做数字三维模型处理，通过三维模型的转换来直接获得地形图数据，因此与传统的立体测图技术相比具有更高的精准度。有研究认为，现代社会发展对大比例尺地形图的精准度提出了更高的要求，该技术的出现适应了社会发展要求，并弥补传统技术在地形测绘中的不足，通过多个镜头能够尽可能多地采集图形图数据，提高了工作效率，工作人员能够在地形图的基础上大量获取地理信息资料，满足测绘的需要[1]。同时，无人机倾斜摄影技术的发展并不是单一的，有学者开始将GIS 技术、RS 技术纳入到技术体系中，实现了对无人机倾斜摄影技术的创新，取得了预期效果[2]。

2 无人机倾斜摄影技术在大比例尺地形图的应用实例分析

2.1 案例简介

该测绘区位于城市西侧，海拔平均高度为（32.61±8.36）m，在外业航空摄影中采用了技术成熟的大疆系列四旋翼无人机，无人机上装备了两台SONY 系列微单相机，与垂直方向形成45°夹角；无人机分别沿着南北、东西航线各飞行一次，用以获得详细的地形图资料；同时再装备一个SONY 系列单相机做垂直摄影，用以测量地物顶面纹理。本次设计的航线高度为100 m，航向与旁向重叠度分别为80%、75%，共设置航线20 条，获得有效图像640张；之后为了提高后续图像处理的质量，在测量范围内采用均衡布点的方法，用以巩固无人机倾斜摄影效果。本次项目中的关键技术路线如图1 所示。

图1 无人机倾斜摄影技术的技术路线

2.2 实景的三维图像建模

本文所介绍的案例，以大疆系列无人机为飞行平台，搭载倾斜相机，通过倾斜摄影的方法获得了目标区域内的地形资料；在构建实景三维模型期间，依靠目前成熟的三维图像技术，根据图像中地物的地貌特征点、特征线与特征面等进行图像设置，通过内业编辑形成了地形图，这种设计方法能够最大程度上提高外业测绘深度，提高了大比例尺地形图的制作精度。因此在实景三维模型的构建中，通过设置多个像控点进行解算，通过ContextCapture 软件（以下简称CC 软件）完成三维图形建模。

2.2.1 构建工程

在加载图像的影像数据之后，设置相机参数并编辑其中的POS 数据；引入目标区的各个控制点之后检查各点数据精准性，构建3D 模型。由于本次项目中用于无人机倾斜摄影技术的相机为两个，因此设置两个相机文件，并根据相机的采集数据分别将其上传到相对应的文件夹中；以原始的POS 数据,坐标为WGS-84 坐标系/或者按中文写成1984 坐标系，采用参数模型以及大地水准面补偿模型转换到当地平面。

2.2.2 倾斜摄影空中的三角测量

在无人机倾斜摄影技术中，采用区域网五点布设法，即在四周分别布设一个点，在中心区域布设一个点，该方法可以有效满足倾斜摄影空中三角测量的要求；数据处理阶段采用空三加密处理的方法，将图像模型的精度设置为1.82pix，将像控点的平度平面误差控制在0.032～0.033 m 内，同时注意检查各个监测点的精度，避免因为精度问题造成测量质量下降。

2.2.3 通过CC 软件加载三维模型实景图

通过无人机测量模块中所储存的资料，经过像对、格网、转换等流程将图像转变为3D 模型，该模型采用了OSGB 格式，在转变为高程模型之后，直接加载模型就可以直接获得实景三维模型。

2.3 采集地形及地物信息

在上述无人机三维模型的基础上，通过三维实景模型的空间测量，采集模型中的空间算量，并通过旋转模型的方法实现对目标地区的多角度观察，及时获得地形与地物信息采集工作，避免了传统工作模式下需要大量外业作业问题，有效提高了工作效率。

2.4 无人机倾斜摄影技术的质量保证措施

2.4.1 空中测量要点

为最大程度上确保三维模型测量精度，在技术应用阶段需要根据无人机倾斜摄影技术的空间测量范围与技术精度标准做反复测量。例如在本次工作中，无论是无人机采集的各种数据，都需要经过预先操作的方法，根据预先操作时所反馈的结果调整无人机的飞行速度、图像采集频率等；针对数据采集过程中可能出现的精度不准确等问题，可将其作为初始数据，这样有助于提高数据采集的精准度。最后在测量过程中注意观察两个相机的联系，并按照地物顶面纹理来调整测量图像，在连接匹配之后再进行校验，这样可以进一步提高测量精准度。

2.4.2 三维模型实验数据的要点

在无人机三维模型实验中，在通过无人机倾斜摄影技术获得了目标地区的图像信息之后，其三维模拟实验数据处理中应该关注数据之间的联系问题。在本次项目中所采集的影像资料以图片形式存在，在不同图片中可能存在关联性差的问题，可能会导致后期三维模型实验处理中无法构建完整的模型，最终影响了数据处理效果。所以针对这一问题，应该在两个倾斜摄影相机的基础上，结合地物顶面纹理结果对图像做连续处理，这样所获得的三维模型才是连续的，满足后续处理要求。

2.4.3 无人机倾斜摄影中的应用注意事项

a）在无人机倾斜摄影期间，可能会出现自遮挡与建筑物遮挡等问题，这一现象最终会影响图像处理效果，所以在必要的情况下可以采用多次飞行测量的方法来降低此类问题的发生。

b）虽然本次实验中所使用的大疆系列无人机以及SONY 技术成熟，但是在应用期间还是要充分考虑气候等因素的影响，所以在作业时应该选择光照良好、风力满意的气候条件下进行。

c）无人机在飞行期间可能会因为风力等因素影响而出现抖动等情况，造成像素位移，影响图像清晰度，所以在摄影期间应该将像素控制在1/4 像素之下[3]。

3 无人机倾斜摄影技术在未来大比例尺地形图测绘中的发展趋势

随着无人机技术以及摄像技术的进一步发展，在未来无人机倾斜摄影技术将会得到进一步的完善，不仅表现为各项功能的增强，而且可以适应更复杂环境下的地图测绘要求。因此面对未来严格的大比例尺地形图的测绘要求，工作人员应该积极探索无人机倾斜摄影技术的应用新方向，根据目前图像测量的要求来创新应用路径。例如目前5G 网络技术蓬勃发展，无人机倾斜摄影技术与5G 的联合将会进一步提高数据处理效果，各类图像传输的清晰度、速率更高，甚至可以满足视频传输要求，这样可以进一步提高无人机倾斜摄影技术的功能。

4 结论

无人机倾斜摄影技术满足大比例尺地形图的测绘要求，本文所介绍的案例经验证明，在无人机倾斜摄影技术的支持下，工作人员获得了详细的地形地貌资料，提高了大比例尺地形图的测绘质量与效率，具有显著优势。因此在未来工作中，工作人员应该积极探索无人机倾斜摄影技术的应用新方法，从三维图像建模等技术入手创新工作方法，争取进一步提高大比例尺地形图的测绘质量。