利用无人机倾斜摄影三维模型进行大比例尺成图技术研究

史与正，张淑玲，王 英，赖继文

(湖南省地质测绘院，湖南 衡阳 421001)

无人机倾斜摄影技术能获得多角度高分辨率影像，经过数据处理得到的真三维模型是可量测的，能直接进行量测获得地形图。目前的城镇地籍测量、农村宅基地调查、不动产登记等工作都需要高精度1∶500数字线划图的支撑，而老城区建筑物密集，受通视条件和住户封闭性、私密性的影响，常规野外测量方法采集难度较大。而且野外采集受天气影响大，作业人员安全隐患多，劳动强度大、工序复杂、成本高。如何利用倾斜摄影技术实现1∶500地形图的高精度快速测图是当前研究的主要方向。

目前，利用无人机倾斜摄影三维模型的大比例尺成图技术是比较热门的研究方向，国内已开发的大多数采集软件主要采用墙面获取建筑物拐角或直接采集建筑物拐角来获取建筑物轮廓范围线。这一方法存在因墙面的粗差而降低建筑物墙角精度，隐蔽面和微小面难以采集、操作不便，凹凸面不整齐等问题。

如何实现建筑物范围线的高精度采集，同时使软件操作简单、便捷，界面人性化是利用倾斜摄影技术实现1∶500高精度快速测图需重点解决的技术问题。

1 技术路线

利用倾斜摄影技术实现1∶500高精度快速测图的技术流程包括倾斜摄影、像控点测量、空三加密及建模、内业采集、外业调绘5个方面内容。各个工序都需要高精度、严要求，环环相扣，才能实现高精度地形图的测绘。

1.1 倾斜摄影

建筑密集区域的建筑遮挡问题非常严重。航线重叠度设计不足、航摄时没有从相关建筑上空飞过，都会造成建筑模型几何结构的粘连。为了提高建筑密集区域影像采集质量，影像重叠度最多可设计为80%～90%。当高层建筑的高度大于航摄高度的1/4时，可以采取增加影像重叠度和交叉飞行增加冗余观测的方法进行解决。如上海陆家嘴区域倾斜摄影，即采用超过90%的重叠度进行影像采集以杜绝建筑物互相遮挡的问题。影像重叠度与影像数据量密切相关，影像重叠度越高，相同区域数据量就越大，数据处理的效率就越低。因此在进行航线设计时要兼顾二者之间的平衡。

1.2 像控点测量

像控点是确定地物目标在空间中的绝对位置，是保证空三加密精度的起算依据，根据现行的1∶500、1∶1000、1∶2000地形图航空摄影测量内、外业规范。对地物点平面位置精度要求为：相对于附近野外控制点的平面位置中误差为图上0.6 mm；对像控点平面位置精度要求为：平面位置中误差不应超过地物点平面位置中误差的1/5。即1∶500实地为6 cm，是常规大比例尺地形图测绘对地物点和像控点的基本要求。

无人机通常采用GPS定位模式，自身带有POS数据，记录航摄影像的绝对坐标信息，可为空三计算提供初始值和约束条件，降低运算速度和提高准确度。

利用倾斜摄影测图时，碎部点精度受像控点精度和采集精度的影响为

(1)

式中，m表示碎部点精度；m1表示像控点精度；m2表示采集精度。为满足高精度测图的需要，像控点的中误差应优于2 cm。

飞行前像控点贴上人工标靶，经多次实践检验，标靶规格宜采用黑白相间的“宝马”圆形标志，地面标志采用特制螺纹钢钉标志，标靶中心点与像控点对齐，以确保刺点的准确性。

1.3 空三解算

相对于传统的垂直摄影而言，倾斜摄影空三解算的自动化程度更高，人工干预少，算法复杂，计算量大。倾斜摄影空三解算以机载POS为初始数据，辅助多视影像密集匹配，再使用相关算法剔除一些误匹配点，最后重新精确匹配，通过这种由粗到精的金字塔影像匹配策略，在每级影像上进行同名点匹配和光束法平差，最终得到同名点的匹配结果。

1.4 内业采集

内业采集使用自主研发的倾斜摄影测图系统，该系统采用的特殊方式能提高地物采集精度。

2 系统基本功能

系统基本功能包括：

(1) 具有完善的符号库系统。

(2) 支持模型的多种显示功能:点云显示、网格显示、模型显示、模型+纹理显示、模型+纹理+三角网显示等。采集过程中帮助作业员快速分辨模型的凹凸情况，便于选择有效采集点提高采集精度。

(3) 可实现高精度采集建筑物等要素和属性录入。

(4) 支持要素图形编辑、拓扑检查、属性检查。

3 关键技术

3.1 数据的去噪优化

为保证建筑物边线的准确性，选择相对准确的三角网中点心若干个，在模型和三角网均显示的条件下，对点位的选择有极大的帮助。

点位选择规则应遵循下列原则：高低采集以判定墙面是否垂直；墙面两端处应各选一个，便于保证长度权值与墙面长度的一致性。

每个墙面选取的点位采用多轮投票算法剔除粗差，其余点通过最小二乘法拟合得到直线，从而确定建筑物边线。这两种算法可以得到有序点集的最优直线拟合解决方案。

(1) 多轮投票算法：取墙面点位中的任意两点，可确定一条直线方程为

(2)

式中，a0、b0分别为直线方程的系数和常数；(x1，y1)、(x2，y2)分别为墙面中任意两点的平面坐标值。

根据直线方程计算某点到直线的距离

(3)

式中，Si为任意点i到直线的距离；(xi，yi)为任意点的平面坐标值。

若距离超过阈值，对应的i点确定为粗差点,记录此种组合对应的粗差点个数。遍历点位中的所有两点组合，得到粗差点最少的两点组合，剔除对应的粗差点。

(2) 最小二乘法直线拟合数学原理：给定一组数据平面坐标值分别为(xi，yi)(i=1,2，…，n)，设其经验方程为

y=ax+b

(4)

式中a、b为方程的待定系数和常数。将(xi，yi)代入方程式，求差值，yi-axi-b为了考虑整体误差和误差值正负，取

(5)

(6)

联立两式，求得

(7)

从而确定该组数据的最优直线拟合函数，该函数使得误差平方和最小。

3.2 主基线提取

传统建筑物最重要的一种表达形式即对称，对称也顺应力学规律，使建筑适用、安全。优先确定对称轴能更精准地获取建筑物位置信息，同时为建筑物构建直角、对称性、一致性提供保障，本文中将对称轴定义为主基线。

3.2.1 辅助基线的获取

根据建筑物墙面选取三维模型表面点，去噪优化后确定的直线，其长度和方向设定为该墙面线的长度权值和初始方向值，定义为辅助基线。

各辅助基线为相关观测值：α=(α1,α2,…，αn)。观测值之间互不独立，其权矩阵定义为

(8)

式中,Pii为对角线元素，是观测值α的权；而Pij则为观测值αi与αj之间的相关权，Pij=Pji，即相关观测值的权矩阵为一对称方阵。其权逆阵为

(9)

3.2.2 主基线的获取

对获取的建筑物多个辅助基线，根据观测值之间的相关系数ρij确定相关性，剔除不相关的辅助基线后，通过剩余有效辅助基线的长度权值(si)带权平均求得建筑物的主方向值，定义为主基线，如图1所示。

若建筑物的辅助基线之间均不相关，则该建筑物是不规则的，不满足正交条件，则确定该建筑物中有效长度最长的辅助基线为主基线。

3.3 主基线应用

3.3.1 建筑物拐角的精准获取

利用墙面点与主基线方向确定该墙面线，当建筑物墙面不与主基线平行或垂直时，由墙面的原辅助基线或剔除粗差后的多点拟合的有向线段确定该墙面线。两种方法均线线相交得到建筑物拐角，从而确定建筑物的位置。同时，对于模型的短边，或因广告、杂物、植物形成的遮挡，只要获取该面的一个点位即可模拟该面。

3.3.2 附属建筑物和构筑物的精准获取

阳台、雨罩、台阶、围墙等具有与建筑物平行或垂直的特点，为主基线提供了获取的便利。

3.4 质量保障

确定建筑物边线时，选择若干点建立建筑物的基线或辅助基线，根据设定的法则和阈值剔除粗差、优化组合，确保基线的质量(见表1)；主基线建立时统计辅助基线的方向误差(见表2)，并进行辅助基线的修正。自动导出采集的三维模型的坐标误差值，为事后检查和监督提供依据。

4 试验和应用效果

选择衡阳市城区1 km2范围为试验区，采用自主研发的湘地测倾斜摄影测图系统生产1∶500全要素地形图。该成果于2018年7月提交湖南省测绘产品质量监督检验授权站检查，平面中误差为4.3 cm；2018年10月提交国家测绘产品质量检验测试中心检查，抽查的5幅图平面中误差分别为4.3、3.9、4.1、3.7、4.2 cm，满足地籍图的精度要求。

表1 辅助基线上各点的误差 cm

表2 主基线与辅助基线的方向误差 (°)

笔者所在单位在承担的数字衡南地理信息基础工程项目1∶500全野外地形数据采集与编辑中使用倾斜摄影测图的方式，完成了3.541 km2的数据生产，并与传统的全野外数字测图方法进行了对比分析。传统的测图方法中一个作业员每天完成的工作量约为0.008 km2，而采用本文研发的系统采集方法，一个作业员每天完成的工作量约为0.053 km2，功效提高约6.6倍。

5 展 望

系统在保证测图精度和易于操作的基础上，下一步可在以下几个方面进行深入研究：

(1) 提高软件的智能化、自动化，能自动识别纹理等模型信息。

(2) 能根据采集的数字线划图实现自动或半自动的模型单体化和结构化提取。

(3) 加大系统的推广应用，以真三维模型为基础，为不动产三维发证提供精度保证，使得发证更直观，更能被公众所接受。

(4) 利用倾斜摄影技术生产具有精细化、可量测、真实感、高精度、对象化、更新快、定制化的三维地理信息数据，为基础数据的行业应用提供基础支撑。