无人机倾斜摄影测量在大比例尺地形图中的应用

唐治海

（浙江省工程勘察设计院集团有限公司 浙江杭州 315031）

1 引言

无人机倾斜摄影测量系统近年来已成为在基础测绘、智慧城市、城市规划等重要领域的数据采集手段,尤其是近年来，随着无人机差分技术的发展，无人机倾斜摄影测量的精度大幅度的提高，而传统人工测量往往依靠多人外场作业，作业成本高、作业周期长，无人机倾斜摄影测量技术相较于传统测量，灵活、迅速，作业范围广，作业覆盖面全。无人机倾斜摄影测量技术是通过无人机搭载多传感器对测量区域进行全方位、无死角的倾斜拍摄，经过后期内业的点云加密、建模等方法处理制作出三维实景模型，倾斜摄影测量具有全面直观、高效、低成本、高精度等特点。本文将无人机倾斜摄影测量技术和大比例尺地形图测绘相结合，将大量的测量工作交给无人机，这种方式不仅改变了现有的工作方法，极大提高了工作效率，同时还提高了测绘工作的准确度[1]。

2 倾斜摄影测量技术概述

2.1 倾斜摄影测量的原理

倾斜摄影测量是在无人机上搭载多台传感器，同时从下视、斜视等不同视场角度对地物进行影像获取，获取的信息可以完整表达地物的具体情况。相对于地面成90°夹角拍摄获取的影像称为垂直影像，相对于地面有相对应的夹角拍摄获取的影像称为倾斜影像。我们把倾角大于15°的相机都称为倾斜相机。倾斜摄影一次曝光可以获取多个角度的影像，使影像对拍摄物体全面覆盖[2]。

2.2 无人机倾斜摄影系统的组成

倾斜摄影平台是由三个部分构成，分别为无人机飞行平台、无人机驾驶员和地面控制系统。仪器由光学传感器和姿态定位系统组成，传感器主要是多镜头相机（用于多角度拍摄）和GPS 定位装置（用于获取的三个线元素Xs，Ys，Zs），姿态定位系统主要记录相机在曝光瞬间时的姿态（三个角元素φ、ω、κ）[3]。

2.3 倾斜摄影的优势

和传统航空摄影不同，倾斜摄影测量是反映拍摄区域的真实情况，补充了遥感影像的不足之处。这一突破使得其所获取的信息不再是基础的地物、地形的勘测。它涉及到地面高程的状况、地物纹理以及其他信息，构造了良好的三维立体模型。并且由于其分辨率相对较高，可从多视角获取影像信息，并同时输出DSM、DOM、DEM、DLG、DOM 等成果，同传统航空摄影相比具备很多优势，因此倾斜摄影测量受到了越来越多人的关注[4]。

2.4 倾斜摄影测量影像处理流程

无人机挂载倾斜摄影相机进行低空遥感飞行，获取航空倾斜影像，其中包含现场踏勘、相机检校、空域申请、航线设计、航空摄影、影像质量检查、成果整理与提交。

2.4.1 飞行参数的设置

（1）飞行比例尺

飞行比例尺是影像上一段线段与相应的地面线段之比，即

式中，m 是航摄比例尺的分母，l 为影像线段的长度，L 为地面上相对应l 的水平线段长度，f 为相机的焦距，H为飞行的相对航高。

（2）飞行高度计算

飞行高度是航摄时无人机相对于测区基准面的高度，飞行高度差应不大于5%，同一条航线内飞行高度高差不大于50 米。

式中：H 为飞行高度；f 为焦距；a 为CCD 元件大小；GSD 为地面分辨率。

（3）重叠率

航线重叠率主要是航向重叠率和旁向重叠率。航向重叠度指的是同一条航线内相邻两张像片之间的重叠度，通常以qx表示；旁向重叠度指的是相邻的航线之间的重叠度，通常以qy表示。根据重叠度的定义，有

式中，P 为两条航线在相同方向上的重叠距离，L 为影像沿航线方向投影到地面的长度。

（4）摄影基线

摄影基线是两次拍摄影像的距离。摄影基线B与重叠度qx的关系为

式中，m 为航摄比例尺分母，lx为像幅沿航线方向的边长[5]。

2.4.2 无人机航空摄影

无人机航空摄影主要包括无人机发射、作业飞行、无人机回收、数据检查等步骤。

（1）选择适宜的起降场地，在接收到飞行指令后，发射无人机。

（2）地面站实时监控无人机数据采集，由于无人机集成了高精度的差分系统，只需获取无人机端的差分数据和地面端的基站数据即可。

（3）无人机完成飞行任务后，返航到降落点上空，在无人机驾驶员能够掌控无人机的前提下，将遥控器切换到人员操纵模式，引导无人机安全着陆。

（4）从存储设备中导出影像数据和差分数据，并进行数据检查，检查数据是否合格，如不合格，进行重新补飞的工作[6]。

2.4.3 倾斜摄影测量内业处理

倾斜摄影测量内业处理的流程包括：影像预处理、空中三角测量、倾斜摄影建模、三维立体采集等，关键内容如图1 所示[7]。

图1 内业处理流程图

无人机在飞行完毕获取影像之后，倾斜影像的数量比较大且像幅较小，因此需要根据航摄像片的特点及倾斜设备定标参数、拍摄外方位数据以及相关的几何模型对影像进行几何校正[8]。

（1）多视影像联合平差

倾斜摄影系统大多是多镜头相机，并且配备一个POS 系统获取外方位元素，对于这类多相机系统，区域网平差有以下方法：

2.5 地形图制作

利用制作出来的三维立体模型采集线划图，进行1：500 线状地形图的绘制，主要包含4 个步骤[9]：

（1）建筑物外部轮廓绘制。利用建筑物侧面形状数据，绘制建筑侧面轮廓的基点，形成闭合线状要素，通过三维模型确定建筑物的特征，赋予要素建筑物的属性信息。

（2）线状地物的绘制。通过倾斜模型进行线状地物的绘制，三维模型上可以直观的展现地物平面位置、高程、属性特征等，进行快速地提取要素的内容。

（3）高程提取。在倾斜模型上具有高程信息，在模型上可以快速地提取需要获取的高程数据。

（4）地形图修饰。绘制完成后对照倾斜摄影模型检查图面注记，修饰绘制要素。

3 应用实例

3.1 地区概况

本文以烟台市高新区某乡镇为研究背景，测区面积为0.3km2，测区的主要地势为丘陵地带，本次选取测区内某村庄进行倾斜摄影航摄，村庄地势由东向西递增，相对高差6m。布设像控点10 个。

3.2 试验内容

试验平台为垂起固定翼无人机挂载航测五镜头倾斜摄影相机，一次曝光可获取1.2 亿像素的影像。本次无人机搭载高精度事后差分系统，可以有效的减少像控点地使用量。

本次无人机航线设计飞行1 个架次，设计行高为100m，航向重叠率为85%，旁向重叠率为72%，采集到高清航空影像7056 张，地面分辨率为1.58cm。如图2 所示。

图2 航线设计

将差分数据解算的像片导入到数据处理软件中进行全自动化一体生产，模型通过预处理、点云加密、模型建设等步骤并通过少量人工操作生成OBJ、FBX、OSGB、3DMAX 等格式的实景三维模型，如图3 所示。

图3 倾斜摄影模型

将实景三维模型导入清华山维立体采集软件中，按照《国家基本比例尺地图图式第1 部分：1：500、1：1000、1：2000 地形图图式GB20257.1-2007》规范中1：500 地形图要求，参照三维立体模型完成线状要素的采集，如图4 所示：

图4 三维立体采集

3.3 精度分析

在模型上选择两块区域进行实地测量检测，检测区域分为两块，一块为理论上精度相对较弱的边缘地区，一块为理论精度相对好一些的中部地区[10]。

在研究区域1 架设全站仪实测24 个检测点，在研究区域2 架设全站仪实测21 个检测点。将实测数据与相应模型坐标进行比对，结果如表1 所示。涉及到区域保密协议，坐标前三位数据进行隐藏显示，此操作不影响精度分析。

表1 精度分析检查表

对全野外采集数据或野外解析测量等方法所测的房屋角点坐标，相对于邻近控制点的点位中误差不超过±0.05 m。

检测点坐标较差在允许中误差二倍以内的误差值参与数学精度统计，超过允许中误差二倍的误差计为粗差。检测中误差采用计算公式如下:

式中: M 为成果中误差; n 表示检测点数的2倍，高精度检测，n 表示检测点数；Δ 表示检测点数。

经检测，点位中误差为±0.042 米，边长测量中误差为±0.037 米，可以符合项目精度的要求。利用无人机倾斜摄影模型绘制大比例尺线画图符合摄影测量规范对精度的要求规定，得到了限差范围内的精度成果数据，该方法省时高效的特点，适合快速测绘大比例尺地形图。

4 结束语

本文利用无人机倾斜摄影系统获取测区倾斜影像，通过内业处理生成实景三维模型，对倾斜摄影模型进行三维立体采集，并运用此方法对地物特征进行大比例尺地形图测绘，该方法大幅度提高了大比例尺测绘的效率，降低了作业的成本。并且可以根据模型获取地物的现状，最后进行了实地测量试验。实验结果表明测量精度能够满足1：500 地形图精度要求。综上所述，无人机倾斜摄影测量应用满足大比例尺地形图测绘要求。