无人机倾斜摄影测量在1∶5 0 0大比例尺地形图中的应用

周世涛李照宇

（1.海南省农垦设计院有限公司，海南 海口570206；2.海南电网设计有限责任公司，海南 海口570102）

0.引言

大比例尺地形图含有详细的地形要素和地理信息，是城市规划、市政公用事业、土地管理必不可少的基础资料。目前1∶500大比例尺地形图测绘大部分仍采用数字化测图方法成图，该方法外业数据采集周期长，数据处理复杂，工作效率低，人员投入大，不能满足现阶段城市发展需求。近年来无人机倾斜摄影测量在地形图测绘工作上已有大范围投入，该技术结合了无人机的机动性和倾斜摄影测量多传感器多视角、高分辨率的优点，在地形复杂危险的区域可快速完成数据的采集，在后期数据处理过程中，可实现数据的批量处理，成图速度快，生产的三维模型可丰富产品内容、满足业主多样化需求[2,3]。本文结合无人机倾斜摄影技术制定了大比例尺测图生产流程以及精度检验方法，并以海口市秀英区为例，验证该方法可实现1：500大比例尺地形图测图，成图效率大大提高。

1.摄影测量技术

随着倾斜摄影的迅速发展，通过倾斜摄影获取高精度地表模型数据越来越普遍。倾斜摄影测量技术与传统垂直摄影测量相比，该技术颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过搭载多台传感器从一个垂直、多个倾斜等不同角度采集影像，获得具有较高分辨率、较大视场角、更详细的地物信息数据[4,5]。平台搭载GPS/IMU系统在拍摄影像的同时可得到航高、航速、航向和旁向重叠、像控点数据等，使获取的每个相片具有高精度的方位元素信息，从而实现平面精度、高程精度能够满足1∶500大比例尺地形测量的要求。

2.技术路线设计

作业技术流程主要包括正射影像图制作、地形图测绘和地名地址调查。

图1倾斜摄影测量技术流程图

正射影像图制作是利用已有的航片，通过相片控制测量、空三加密、DEM制作后，利用DEM数据对原始航片进行几何纠正、镶嵌、匀光匀色、裁切等处理获得正射影像图。地形图测绘采用航测方法，利用已有的航片，通过相片控制测量、空三加密、通过航空摄影测量内业数据采集，外业调绘、实测高程后，在计算机上使用数字测绘软件编辑成图。地名地址调查采用完成的地形图作为工作底图，通过外业调绘、内业整理，制作地名地址调查图件及属性数据。流程（如图1所示）：

3.工程实践

3.1 测区概况

测区位于海口市秀英区长流镇，主要为居民区，面积约为2.52km2，测区地形复杂高差较大。测区内共布设了23个像控点，点间距约为120m。布点时应注意所布设点应能有效控制住成图范围，若区域面积过大，航飞需要分区，接边地区必须增设像控点。

采用HiCORS系统按照图根点精度进行像控点的测量，所采集数据经海南CORS中心处理，获得各点的CGCS2000平面坐标和正常高。

无人机飞行平台为Motorsky-Q5四代，航线设计根据线路走向进行航线设计共设计飞行6个架次，根据要求测量线路宽度，单架次5条航线。航摄相片1454张，POS数据749个，自适应地形起伏模式，设计飞行相对高度140 m，航向重叠度80%，旁向重叠度65%。

3.2 内业处理

内业影像数据处理使用Context Capture软件，处理过程主要为空中三角测量、三维建模。将外业测定的像片控制点成果，在内业环境中进行转刺，利用这些点对已有区域网模型进行约束平差解算，将区域网纳入到精确的大地坐标系统中，完成绝对定向[7,8]。流程（如图2所示）：

图2空中三角测量过程示意图

空中三角加密测量采用数字摄影测量工作站进行观测，完成平差解算。本项目航摄数据结合CORS数据，对POS数据进行解算，从而获得较高精度的POS数据。结合POS数据，高效、准确地提取相片连接点，再使用像控数据，进行平差解算。

通过空三加密过程，对于内业检核无误的外业像控成果，直接使用外业测量数据提供下一道工序使用，对于外业无法获得的像控成果，使用空三加密后的成果资料提供下一道工序使用，对于空三加密过程中发现的精度超限点位，要分析原因，确认外业成果有误的，若像控点位于加密区内部，可以舍去。

空三加密成果的各项精度指标应满足以下规定：

（1）相对定向：平地残余上下视差不应大于0.005mm；

（2）模型连接较差：

ΔS≤0.08×M×10-3

ΔZ≤0.05×M×f×10-3/b

式中，

ΔS为平面位置较差，单位：m；

△Z为高程较差，单位：m；

M为像片比例尺分母；

f为摄影仪焦距，单位：mm；

b为像片基线长度，单位：mm。

（3）绝对定向：基本定向点残差、多余控制点的不符值及公共点的较差不得规定限差。

（4）航线、区域网之间公共点接边，平面和高程较差均不应大于规定限差，取中数作为最后使用值。超过限差时，应认真检查原因，重新计算。

空中三角测量完成后，及时查看精度报告是否符合基本精度指标要求，在获得符合技术精度要求的空三后，进行三维建模处理。

正射影像制作技术要求：

（1）单片纠正时，采用逐片纠正方式，按照成图规格要求，采取最大区域化成图，防止成果区域影像漏洞。

（2）优先选取相片中心投影差小的影像进行拼接，必须经过合理有效的影像镶嵌来消除不同相片上由于建筑物及高大树木的投影差而带来的误差。

（3）镶嵌线尽量沿自然线性地物划出，如道路、河流、湖泊边线、山脊、山谷、树缝、田埂等影像变换处，避免穿越房屋、地块、高于地面地物等。

（4）镶嵌后要保证地物的完整性和相对关系的正确性。

镶嵌、匀光匀色处理

（1）镶嵌处理。纠正生成的正射影像图，必须进行镶嵌处理，确保线状和面状地物的完整性，实现相邻正射影像图的无缝拼接。

（2）匀光匀色处理。先查看原始相片的情况，选取合适的样本数据，在保证地物不失真的情况下，尽量使直方图拉开，呈正态分布。匀色时，采用适普公司或航天远景公司的影像匀光模块，分块匀色，根据影像的大小块，进行参数设置，且应排除像片边缘的黑色或白色的无效区域。检查匀色后的影像，并在Photoshop中对一些匀色不好的地方进行局部手工调整。

（3）立交桥的完整性和接边问题。可采取分层编辑DEM的办法，进行多次正射纠正和拼接。可通过用特征矢量数据进行正射纠正。

正射影像图制作过程中，需要对质量进行检查，主要包括以下内容：

（1）检查影像文件的定位点、地理定位坐标、X与Y方向的像元地面尺寸、行列数等是否正确。

（2）检查像对之间的镶嵌误差、图幅之间的接边差是否符合要求、影像是否存在局部模糊，影像是否重影、地物是否扭曲变形等。

（3）正射影像图的色调、饱和度较差，像对间镶嵌边缘反差和灰度是否存在明显不一致等。

采用Context Capture软件进行三维重建时，自动化程度较高，基本不需要人工干预。在软件完成地表三维重建后，即可生成测区三维模型成果，导出清华山维EPS软件识别的OSGB格式。测区地表三维模型（如图3所示）：

图3测区地表三维模型

在EPS软件中完成某区块的全要素采集后，即可导出DWG格式文件，在选择南方CASS软件配置后，导出的DWG格式文件时，可直接对应CASS的要素层、代码、线型、线宽等。然后在南方CASS中对地形图进行进一步地编辑与修饰，获得最终的地形图，（如图4所示）：

图4局部地形图

4.精度分析

完成地形图测绘后，首先需评定1∶500地形图成果的数学精度。根据工程摄影测量规范，平面点位精度和高程注记点精度要求（如表1所示）：

表1一般地区、城镇建筑区地形摄影测量的基本精度

为了检验基于三维模型量测地形图的可行性和精度，在试验区内采用RTK技术均匀量测一些特征点[10]，包括道路拐角、房角、墙角、井盖、沟渠等可以快速识别的特征点。本次采用全站仪测量了38个房角点坐标，同时采用RTK测量了20个高程点。精度对比结果（如表2所示）。

表2房角点平面精度对比表

根据表2中的ΔX、ΔY和ΔXY数据，就可以依据中误差公式求解出检查点的点位中误差

式中，n为检查点个数。

按等精度检测，计算倾斜摄影测量平面中误差为：0.027m。

采用RTK外业测量了20个高程点，高程点点位的选取基本为路面上的明显特征点，如油漆标志、窨井盖等，（如图5所示）然后，内业在模型上取出该点的高程。将实测高程与模型上测量高程进行对比，（如表3所示）：

表3高程误差对比表

图5高程对比点点位的选取

根据表3中的Δh数据，就可以依据公式（2）求解出检查点的高程中误差

式中：n为检查点个数。

按等精度检测，计算出倾斜摄影测量高程中误差为：0.031m。

通过平面中误差和高程中误差可知，该方案满足1∶500大比例尺地形图精度要求。

5.结束语

本文结合倾斜摄影测量技术对提供了复杂危险地区大比例尺地形图测绘方案，实现1∶500大比例尺绘图流程化作业，与传统测图技术相比，该方法极大地节约了测图成本，工期缩短超过一半，简单的工作流程使工作人员容易操作。精度方面在平面精度为0.027m，高程精度为0.031m，成果精度达到了1∶500大比例尺地形图质量要求，为地形复杂的区域提供了经验。