基于无人机倾斜摄影测量的大比例尺测图技术研究

陈会明

摘 要：利用无人机倾斜摄影测量技术可以实现小范围内大比例尺地形图的快速采集工作。以无人机倾斜摄影测量为对象，阐述了其发展现状及系统特点，并着重介绍了无人机实景三维建模流程和基于无人机正射影像的大比例尺测图技术。

关键词：无人机倾斜摄影;三维建模;大比例尺测图

中图分类号 P231文献标识码 A文章编号 1007-7731（2021）04-0169-02

由于受空域申请、航空摄影周期、项目经费等因素影响，传统的航空摄影测量工作在小区域范围内进行快速地形测绘及应急测绘保障等方面无法满足实际工作要求。而低空无人机航空摄影测量具有灵活、高效、机动、快速、生产周期短、作业成本低等优势，在测绘领域形成了强有力的技术支撑。笔者以无人机倾斜摄影数据为基础，构建了无人机实景三维模型，利用实景三维模型的正射影像成果快速生产处理一批小区域的地形图。

1 无人机倾斜摄影测量技术

1.1 发展现状 倾斜摄影测量技术是近10年发展起来的一项非常成熟的技术，克服并突破了传统航测只从垂直角度摄影的局限性。无人机通过搭载5镜头相机，分别从5个方向进行拍摄，快速高效地获取地表数据，真实反映了地表的客观情况，能满足人们在三维模型方面的多种需求。同时，由于是超低空航摄，获得的影像数据具有超高分辨率，在测绘领域具有非常重要的应用价值。

倾斜摄影测量技术是一项高科技成果，在各行各业均有广泛应用。以无人机航空技术为基本前提，搭载多镜头倾斜相机，对小区域进行快速测绘工作，相对于传统的地面测绘工作而言，其自动化程度高，节省人力、物力及成本。随着倾斜摄影测量技术的进步，用无人机搭载非量测型相机进行地形图测绘，配合实景三维建模技术，获得正射影像成果，测图周期在可控范围内，时效性有所保证，将大大提高大比例尺测图的工作效率。

1.2 测量系统及特点 无人机倾斜摄影测量主要是通过无人机平台搭载5镜头相机，同时从5个方向进行摄影，即通过1个垂直拍摄的镜头和4个倾斜镜头来获取地表影像，实现大重叠度的多角度视角。拍摄像片时，飞机自动记录飞行的有关参数，如航高、飞机速度、重叠度和曝光点的POS数据，根据这些数据对倾斜影像进行分析和整理。倾斜摄影过程中，无人机可同时拍摄5个角度的影像数据。在这个连续时段中，同一个地物可以在多个像片上找到其影像。内业建模人员可以根据地物多个角度的影像快速实现地物的结构分析，并且可以选择众多影像中最清晰的1张对其进行纹理制作。通过建立三维模型和纹理的自动映射，可以建立其与实地完全相似的立体几何模型，为用户提供实景三维数据，用户可以获得极高的体验感，极大地拓展了无人机影像应用范围。无人机倾斜摄影具有机动性强，灵活性高、经济且快速等优点。航空摄影采用无人机平台，能够在小区域范围内快速高效地获取该区域高分辨率的空中影像，逐步扩大了超低空无人机的应用范围，应用前景广阔。对于国家航空航天监测体系而言，无人机无疑是一种重要的影像获取手段，逐渐从实验室阶段过渡到实际应用阶段。

2 无人机倾斜影像实景三维建模技术流程

利用倾斜摄影测量技术进行实景三维模型构建主要的步骤包括无人机倾斜影像获取、像片控制测量、自动空中三角测量、多视角影像密集匹配、带控制点的区域网平差、全自动三维建模、数字表面模型和数字正射影像的生成。国际上主流的倾斜摄影测量数据处理软件有法国Accute3D公司的Context Capture、瑞士PIX4D公司的PIX4D mapper系统、法国 ASTRIUM公司的Street Factory等。从自动化程度和模型精度来看，Context Capture软件存在较大的优势，该软件运行后无需人工干预，建模精度最高，在纹理映射时可以补偿瓦片之间的数据差异，在空三和三维建模方面具有较大的优势。

2.1 数据采集

2.1.1 地面像片控制点的布设 在影像获取前，为保证研究区有足够数量的像片控制点，用于对空中三角测量和模型精度进行验证，需要进行像片控制点的布设。本项目采用基于网络RTK的模式来采集地面像片控制点。像片控制点一般布设在区域网周边，布设成平高点。由于高重叠度、多视角影像、计算机密集匹配等因素，外业布设的像片控制点基线跨度可适当放宽，但检查点的精度需满足精度指标要求。平高点布设在道路交叉口、斑马线的角点、体育场地标记线的拐角等部位。像片控制点的施测需按GNSS RTK作业规范进行。本次采集点共9个，5个用于像片控制点，4个作为检查点。

2.1.2 航线设计与倾斜影像采集 采用大疆精灵4 RTK版进行航线规划与设计。航线设计采用直线敷设，平行于摄影区域边界，保证首末航线能覆盖测区。在地图软件中进行合理规划，如飞行高度的设置、重叠度和相机的倾斜角度，保证可以获取满足要求的倾斜影像。无人机起飞前，选择晴天但日照阴影较短、无风的时间段进行拍摄，以便获取清晰可靠的影像。

2.2  全自动快速三维模型构建

2.2.1 自动空中三角测量 空中三角测量是完成三维重建之前最重要的工作。以Smart3D Capture自动空三为例，首先根据自动空中三角测量获取各影像的外方位元素，分析和确立影像匹配的单元大小，进行基于特征的影像匹配和按像素逐级进行密集匹配，在并行算法的作用下，提高并行计算效率。无人机影像是多個视角的影像，倾斜影像之间存在较大的畸变，增加了影像匹配的难度。在影像匹配时加入POS数据可以辅助多视影像的匹配，粗略地得到原始影像的外方位元素，进行相关算法的粗匹配，可以剔除一些误匹配点，从而可以再重新进行精确匹配。根据外业像片控制点，结合共线方程进行区域网平差，从而解决影像之间的拓扑关系重建。

2.2.2 数字表面模型生成及真正射影像纠正 多视角影像的密集匹配完成后，可以获取较高精度的数字地面模型DSM，通过对DSM数据进行滤波处理，将各种特征进行融合，形成最终的数字表面模型。DSM在地形表达方面具有无与伦比的优越性，将取代传统DEM模型，在新空间数据基础设施中发挥重要作用。利用多视角影像进行真正射的纠正可以基于数字高程模型DEM和各种分布的尺度差异较大的地物来进行，通过几何多特征进行物方语义提取;同时在相方根据密集匹配的结果建立与物方的同名点的关系，进行联合纠正，然后进行匀光处理，获取真正射影像。

2.2.3 纹理贴合 三维白膜的纹理贴合是城市三维模型构建中的重要组成部分。早期的纹理贴合主要基于白膜框架，外业拍摄影像，采用人工方式进行纹理贴合，数据处理效率低，而且地物的纹理表面还是出现失真等现象。目前，大多数三维重建均采用自动纹理映射。模型和纹理影像可以进行自动配准，基于计算机视觉原理建立地物点与各影像之间的投射关系，即实现模型点与多视纹理影像点之间的关系，经过筛选得到影像清晰的纹理，将多视影像点投影到模型中，实现三维模型的自动纹理贴合。

3 基于无人机正射影像的大比例尺地形图测绘

3.1 空中三角测量精度 空三精度检查按照《数字航空摄影测量空中三角测量规范》规定进行。一般从像方和物方2个方面进行检查，而物方的精度检查最为常见，就是对比加密点和检查点的坐标差。空三运算的精度指标一般包括是否有漏偏的情况，该情况是否合理;连接点是否正确，空三是否存在断层现象;检查点和像控点的残差、连接点的误差是否在允许范围内。通过计算 4个验证点的实测三维坐标与区域网平差得到的三维坐标间的误差，来衡量区域内空中三角测量精度。统计结果表明，空三加密点相对于检查点实测坐标和高程之间的误差均小于规定的平面误差和高程误差，说明该方法建立的三维模型在几何精度上符合要求。

3.2 基于正射影像的线划图采集 数字线划图的采集工作需要在有关数据的支撑下进行采编，保证数据有固定的格式和完善性。使用无人机进行大比例尺地图测绘时，应构建相应的数字表面模型DSM，因此要严格规范操作步骤，减少人工采集误差，从而保证工作的正确性;测绘系统会根据需要自动匹配形成DSM，根据数据和影响再进行滤波处理，将数据和影像转化成DEM的格式，從而进行相应操作，使用全数字摄影测量技术，生产满足制图要求的DOM正射影像数据。

3.3 高程点的补测 数字线划图需要一定数量的碎部高程点，可以从经过地面控制点校正后的实景三维模型上采集，达到大比例尺地形图对碎部高程点的密度和数量要求，从而满足大比例尺测图规范的要求。对于个别精度较低的高程点，可以采用实测的方法进行补测高程点。

4 小结

通过研究无人机三维实景模型的建立过程表明：（1）采用无人机倾斜摄影获得影像，结合高精度地面控制点，在一定环境下可以全自动化生成高精度的城市三维模型，生产的模型整体性好、地物无缝衔接、场景真实、纹理逼真，是一种经济高效的城市三维模型生产方法。（2）利用生成的真正射影像TDOM，结合地面像片控制点和模型刺点，完成了基于无人机正射影像的大比例尺外业测图工作。经过精度检查表明，利用无人机真正射影像进行大比例尺的测图完全能满足常规的地形测绘工作，是一种精度高且作业速度快的实用方法。

参考文献

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