无人机倾斜摄影技术在地理空间信息数据生产中的应用

刘星红

（漳平市自然资源局，福建 漳平 364400）

0.引言

随着社会经济的发展，地理空间信息已经成为城市管理、大众日常生活不可缺少的组成部分，为资源、环境、灾害、交通、城市发展等诸多与社会可持续发展密切相关的领域提供了全新的技术支持和全方位的信息服务[1]，目前，测绘地理信息行业的技术发展日新月异，新的设备与技术的应用可能会提高数倍的生产效率，同时节约大量的外业人工成本。

现阶段无人机摄影测量技术在基础地理信息数据采集处理中已得到广泛应用，也取得了很好效果。无人机倾斜摄影测量技术可实现DLG、DEM、DOM 的快速生产，为地理空间快速更新提供了更好的技术支撑[2]。无人机是一种具备动力装置和导航模块，在一定范围内依靠无线电装置或计算机预设飞控程序自主控制飞行的无人驾驶航空器[3]。无人机飞行器研制之初是作为军事靶机，随着计算机技术和通讯技术的发展，无人机的性能得到了充分扩展，现阶段在无人机上搭载各类传感器，可实现各类数据的获取，其中所搭载的倾斜摄影测量相机即为无人机行业所衍生出的倾斜摄影测量技术。无人机倾斜摄影测量技术主要是通过搭载在无人机飞行器平台上的多角度测量相机进行航摄影像获取，为获取像控点数据无人机飞行器平台通常会搭载具有定位功能的设备，以实现航摄相片的空间定位。

本文结合无人机倾斜摄影测量技术，从已有资料分析和利用、技术路线、正射影像成图、地形图测绘等方面出发，详细讲述了基础数据生产的技术路线。

1.倾斜摄影测量技术

倾斜摄影测量是对垂直航空摄影测量的突破，传统的垂直航空摄影测量技术易发生地物被遮挡现象，而倾斜摄影测量技术实现了多角度、多方位的数据获取，避免了因视线遮挡而产生的数据质量问题[4]；影像数据经软件处理后呈现出立体化的视觉感受，经处理过的倾斜摄影测量数据可自动生成立体模型，可作为地形图的量测依据；影像数据质量较好，搭载的高分辨率多镜头相机，视场角更大，获取的原始数据质量更清晰、精度更准确[5]。

2.工程实践

2.1 测区概况

测区地处东南丘陵腹地，漳平市位于福建省西南部，九龙江（北溪）上游，介于北纬24°54′-25°47′，东经117°11′-117°44′之间。漳平市共设11 个镇，3个乡，2 个街道办事处，179 个行政村。本文主要工作内容包括制作1∶1000 比例尺的正射影像图和1∶1000比例尺地形图。

2.2 技术路线

无人机倾斜摄影测量技术在地理信息资源获取的主要技术路线如下：收集整合测区内已有数据资料，对测区内原始数据包括已有地形图和控制点进行分析整理；根据测区地形地貌、气候条件等原因设计外业采集方案，内容包括布设像控点、航线设计、飞行周期、飞行高度等；执行外业采集任务，完成航测采集；航飞影像数据质量检查主要检查相片和POS 对应关系是否一致，筛选质量较好清晰且无遮挡的影像数据，对存在多数影像数据质量较差的现象应进行重新采集；采用RTK 技术获取像控点坐标数据，将完成刺点的相片进行与像控点坐标进行关联，然后进行空三加密；检查空三加密成果精度检验后进行数字高程模型(DEM)的制作，由于测区地物复杂以及人为建筑的影响，需要对数字高程模型(DEM)进行人工编辑；以高精度的数字高程模型DEM 为基础进行数字正射影像(DOM)和数字线划图(DLG)的生产，主要过程包括在空三加密基础上进行DEM 数据处理、影像匀光匀色处理、影像纠正处理、DOM 镶嵌处理及分幅裁剪处理。无人机航空摄影测量生产DLG 主要过程包括在空三加密基础上恢复立体像对、立体采集、外业调绘和内业编辑成图[6]。

2.3 已有资料的分析和利用

平面控制资料包括测区范围二等控制点186 个，三等控制点72 个。包括测区城市坐标系、2000 国家大地坐标系、1980 西安坐标系三套坐标系成果。控制网图（如图1、图2 所示）该控制成果可用于本项目像片控制点测量及地形图外业调绘等工作时，2000 国家大地坐标系与测区城市坐标系转换参数的计算。

图1 2017 年测区市域二等控制网

图2 2017 年测区市域三等控制网

2.4 正射影像图制作

此项目采用瑞士Pix4D 公司Pix4D mapper 软件进行正射影像图的制作，具体步骤如下：

2.4.1 原始资料准备

检查原始资料，其中包括影像数据、POS 数据以及控制点数据，确定所用的控制点属于哪一坐标系下。确认原始数据的完整性，检查每张相片是否合格，查看控制点的标记是否清晰可以辨认，另外查看POS 数据的相片号是否能与原始影像的相片号一一对应，这些数据文件，有问题的手动进行调整即可。

2.4.2 建立工程导入数据

（1）建立工程。打开Pix4 Dmapper 主界面，单击项目—新项目设置工程的属性即可，注意工程的路径不能包含中文。

（2）加入影像。注意路径不能包含中文。图像坐标系默认为WGS84 坐标系，无需更改，从文件中导入地理定位和方向，其他不变，完成后点击Finish 即进入到软件主界面。

（3）快速检查处理。在本地处理界面上选择快速检测和初步处理，其他不选，点击运行即可生成简易的成果检查处理报告。首先确定大部分或者所有的影像都进行了匹配，如果没有则说明飞行过程中的相片重叠度不够或相片质量差；其次要确定最初得到的相机焦距与计算得到的相机焦距相差不超过5%，否则需重新设置相机模型。

国内外研究报告指出，甲醛是许多水产品的一种代谢中间产物，分布广泛。但大多天然食物中甲醛含量较低，不会对人体健康造成威胁。水产品中内源性甲醛的主要前体物质是氧化三甲胺，是鱼鲜美味道的主要来源。目前认为水产品中内源性甲醛主要通过2种途径产生：一为生物途径，氧化三甲胺可在内源性氧化三甲胺酶和微生物作用下，脱甲基生成二甲胺和甲醛；另一条为非酶途径，主要是高温过程的热分解。这2种分解途径都使得鱼肉组织发生变化，影响水产品的品质和风味。此外，体内脂质的氧化或过氧化、氨基酸的代谢，以及脱甲基反应也可产生甲醛；甲醛亦是嘌呤、胸腺嘧啶生物合成的中间产物。

（4）加入控制点。控制点必须在测区范围内合理分布，通常在测区四周以及中间都要有控制点。要完成模型的重建至少要有3 个控制点。通常100 张相片6 个控制点左右（在高程变化大的地方，通过增加控制点的个数来提高高程精度）。控制点不要做在太靠近测区边缘的位置，控制点最好能够在5 张影像上能同时找到（至少要 2 张）。

选择像控点编辑器命令—增加像控点后，图像出现在对话框中，进行逐个刺出控制点。选择导入像控点命令，在对话框中设置像控点坐标系、导入像控点文件（csv 格式）。

刺点，在左侧的图像列表中选中图像，右侧就会显示出该图像。在对应的位置上，鼠标左键击图像中的点，标出控制点位置。一个控制点最少要在2 张图像上标出来，通常建议标注在3—8 张图像上。在质量报告中会显示是否需要在更多的图像上标出控制点。设置完成控制点导入。

2.4.3 数据处理

（1）初步处理。软件主界面选择运行—本地处理，勾选高精度处理，其余不选择。

（2）高精度处理完成后，软件可自动生成质量报告，质量报告内主要内容包括：区域网空三误差、自检校相机误差、控制点误差。

区域网空三质量分析。区域网空三质量报告（如图3 所示）：Mean reprojection error 为空三中误差，以像素为单位。相机传感器上的像素大小通常为6 微米(μm)，不同相机可能不一样。换算成物理长度单位就是 0.268228×6μm。

图3 区域网空三质量报告

相机自检校分析。相机自检校质量报告（如图4 所示）：其中Initial values 和Optimized values 两个参数差值不能过大（例如Focal length，Initial value 值为6.007mm，Optimized values 为 20mm，差值为 13.993，差值过大，考虑初始相机参数设置出现问题），同时R1、R2、R3 三个参数不能大于1，否则可能出现严重扭曲现象。

图4 相机自检校质量报告

控制点质量分析。控制点质量报告（如图5 所示）：从质量报告中可以看出，控制点4 和控制点5 的方向误差相对较大，达到了0.03m，点击主页面左侧点位4和5 进行相应调整。将每个点位的图标移动到精确的位置，并依次对每张进行重新刺点处理，处理完成后点击优化。对误差较大的4 号点、5 号点进行同样处理，选择菜单栏进行重新优化，再次生成质量报告。

图5 控制点质量报告

2.4.4 正射影像编辑输出

完成质量报告分析处理后即可获得正射影像成果。正射影像具体步骤：调整拼接线—投影切换—混合影像—正射影像成果。

调整拼接线：根据生成的初步成果，调整拼接线，由于房屋以及道路在图像拼接的时候容易出现扭曲、错位，所以影像上的房屋以及道路为重点调整对象[7]。

投影切换：全选所有的拼接影像，右键功能表命令，选取平面投影p，这个步骤可以初步解决影像的拉花、变形的现象，然后进行人工检查，个别影像需要人工操作切换影像以达到更好的成像效果[8]。

混合影像：进行前面一系列的操作之后，切换到混合影像功能，在右方界面点击混合影像按钮，便可生成最终的正射影像成果[9]。

2.4.5 多个工程融合

以融合两个工程为例，首先确保这两个工程重叠度要够(相邻航带旁向重叠度60%以上)，如果航带间重叠度不够，可以设计两个工程重叠一条航带。然后分别建立两个工程，并运行完初步处理。重新新建工程，注意选择新项目下的“通过合并现有项目创建新项目”。选择需要添加的项目，加入完成后，软件会自动对新建的合并工程进行初步处理。检查质量报告，注意因为融合了两个测区，所以每个测区都会生成1 个块(blocks)，需要把2 个块接在一起。（如果POS 精度足够高，则不用手动连接测区）。

软件进行初步处理后，会有一个很稀的点云生成，在点云视图中，添加手动连接点。加入的连接点类型为手动连接点(Manul Tie Point)，不用输入坐标，也可以直接加入控制点。建议至少加入3 个连接点。

在完成加入手动连接点后，选择重新优化(Reoptimize)，重新生成质量报告，检查质量报告。现在两个测区已经合并在一起只有1 个块，Dateset 中没有提示不合格。

同时，质量报告中还会显示我们添加的连接点误差，检查这些误差，如果需要我们可以再去调整这些点或者手动添加更多的点。完成以上步骤后，可以把这个测区继续与其他测区融合，或者接着完成空三加密生成 DSM 和 DOM[5]。

2.5 地形图测绘

将2.4 中生成的 OSGB 格式文件导入 EPS 软件中，并进行某区块的全要素采集。完成要素采集后，导出DWG 格式文件。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，最终完成地形图测绘，地形图成图流程（如图6 所示）：

图6 地形图绘制主要流程

2.6 外业调绘

外业调绘方法原则上利用航测内业初编的线划图进行实地调查测绘，主要工作为内业采集数学精度的检测、地物补测、房檐改正、碎部高程测量、地理名称调绘和其他地物地貌的调绘、补绘等。调绘图件需标识调绘人员、检查员、调绘日期。

2.7 坐标系转换

地形图采集成果采用地区城市坐标系。同时利用控制成果，选取能够均匀覆盖项目区域的同名控制点，并与计算RTK 转换参数所用控制点位一致，计算测区转换参数，将地形图数据成果转化一套2000 国家大地坐标系数据。并将转换后成果按规格进行分幅裁切和图廓整饰，同时也为下一步地名地址调查、质量控制与检测验收提供便利。

3.结束语

现阶段互联网发展迅速，随着5G 技术的普及，大数据下的地理信息服务产业将会被人们广泛应用在生活生产中，时空大数据平台建设刻不容缓。本文以构建时空信息云平台的基础数据生产阶段为例，详细介绍了其数据处理的技术流程，重点从数据采集、正射影像图制作、地形图测绘等方面讲述智慧城市数字化建设过程中的基础数据准备工作方式方法，可为此类项目作为参考。