无人机倾斜摄影技术在大比例尺地形图中的应用

田泽海，余 星

（1.广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510060）

“三旧”改造即“旧城镇、旧厂房、旧村庄”，是推进广东省节约集约用地示范省试点建设的重要举 措[1]。广州市黄埔区作为全国首个区级“三旧”改造改革创新试点区，城市更新投资总额、已批项目、开工面积等主要指标连续5a领先全市其他行政区， 3a蝉联广州市“三旧”改造考核第一[2]。“三旧”改造基础数据调查是“三旧”改造项目前期最为重要的基础性工作之一。而基础数据调查则必须依托于基本地形图数据进行开展。目前基本地形图测绘主要采取GPS-RTK配合全站仪进行作业的传统方法，其特点是工作效率较低、工期较长、人工成本高、劳动强度大，无法满足“三旧”改造对数据的现势性和迫切性需求[3-4]。

飞速发展的无人机倾斜摄影技术因其具备高效快速获取海量数据信息、真实可靠地反映地面客观情况等特点，被广泛用于城市规划、城市更新、应急指挥、国土安全等领域[4-9]，弥补了传统作业方法的不足。本文将研究面向旧村改造的无人机倾斜摄影技术在大比例尺地形图中的应用，以黄埔区夏园村旧改项目为例，验证无人机倾斜摄影技术在旧村改造中获取大比例尺地形图的可行性。

1 项目概述

本项目位于广州市黄埔区，测区总面积约为1.5km2。测区北部是菜地园地等农用地为主，测区南部是集中连片的村屋为主（见图1）。

图1 航线规划图

项目采用纵横CW10无人机（CW10无人机采用固定翼结合四旋翼的复合翼布局形式，见图2），主要技术参数：搭载5个SONY ILCE-5100高清镜头相机，相机分辨率为6000×4000。以固定翼飞行器为基础，在起降及低速状态下配合四旋翼飞行，克服重力及气动阻力进行飞行，以简单可靠的方式解决了固定翼无人机垂直起降、起降点环境限制等难题，同时兼顾固定翼无人机续航能力强、速度快、距离远等特点保证了项目在山区、丛林等复杂地形和建筑物密集区域的顺利进行[10-11]。

图2 项目现场照片

2 项目实施

2.1 技术路线

结合测区北部和南部的特点，提出了利用纵横CW10无人机进行无人机倾斜摄影技术测绘大比例尺地形图的作业方案[12-13]，技术路线如图3所示。

图3 基于无人机倾斜摄影的大比例尺地形图测绘技术路线

测区面积1.5 km2，实际飞行面积2.8 km2，共计飞行2架次，航飞高度250 m，航向及旁向重叠率80%，布设像控点共24个，地面分辨率为3.5 cm。本次航飞所得数据计划使用EPS2016三维测图软件按照航测标准生产1∶500地形图。

2.2 测区成果

2.2.1 实景三维模型

将获取的影像数据导入软件，设置相机参数。在相应的图像中标记控制点及检查点，经过特征点提取、空中三角测量、点云加密处理，再根据点云构建不规则三角网，建立三维模型，同步将多角度获取的纹理信息与之贴合，最终得到测区实景三维模型[13]，如 图4所示。

图4 项目构建的实景三维模型

2.2.2 地形图

基于测区所获的实景三维模型，利用EPS2016三维测图软件平台三维测图模块通过双屏模式同时加载实景三维模型数据和正射影像数据，二三维联动一体化进行地形图测绘，在生成模型时，对于房屋比较密集的部分进行一些必要的外业调绘。主要步骤分为三步。

1）实景三维模型导入。利用EPS2016三维测图软件中“模型转换”功能将Smart3D生成的0SGB格式的模型转成DSM模型，然后将格式转换后的DSM模型在EPS2016上加载出来[7]。在电脑上进行双屏操作，左边是绘图区，右边是DSM模型。

2）地形图勾绘。EPS2016三维测图软件中的模型空间量算功能可将地物、地貌的尺寸直接测算出来，同时软件带有模型平移、旋转及缩放等基础功能，通过自动识别地物特征（比如屋檐、河流边界）实现内业快速绘图，如图5所示。

图5 EPS2016双屏绘制地形图

3）房屋面积。基于EPS2016三维测图软件平台进行二维建筑线勾绘和图形属性赋值，图形主要属性含有点位坐标（X坐标，Y坐标，广州高程）、周长、面积、层数、建筑面积等。其中建筑层数是利用我院制作的EPS插件，通过主要点位高程减去附近地面点高程，除以平均层高（设定为3 m）自动获得，内业人员根据三维模型进行层数复核；建筑面积等于建筑层数和面积的乘积。需注意的是：农村梯屋普遍存在，因部分梯屋造型复杂会引起插件计算面积错误，需要根据针对复杂梯屋单独计算的方式处理建筑面积，图6中建筑物结构（A、B、C、D）可通过构建的实景三维模型进行判定，再依靠外业巡图确定。

图6 基于无人机倾斜摄影技术构建的地形图成果

3 精度分析

3.1 精度要求

本测区从点位、边长、高程和建筑物面积4个方面进行成果精度分析。其中点位、边长、建筑物面积精度对比是将基于无人机倾斜摄影技术获取的房屋角点与实地野外调绘得到的房屋角点坐标进行对比。

1∶500地形图精度要求[14]：地物点位中误差±15cm；临近地物点间距中误差±10cm，高程中误差不得大于±15cm。

3.2 点位精度分析

选取地形图中房屋角点和外业实测（检测）的同名点进行分析，如表1所示。最大点位误差为0.169m，最小点位误差为0.007m，所有检核点的点位中误差为0.061m，可满足1∶500地形图精度要求。

表1 点位精度分析表

3.3 边长精度分析

选取地形图中房屋边和外业实测（检测）边进行分析，如表2所示。最大边长误差为0.11m，最小边长误差为0.00m，所有检核边的边长中误差为0.052m，可满足1∶500地形图精度要求。

表2 边长精度分析表

3.4 高程精度分析

选取地形图中高程点和外业RTK实测（检测）的同名点进行分析，如表3所示。最大高程误差为0.147m，最小高程误差为0.007m，所有检核点的高程中误差为0.043m，可满足1∶500地形图精度要求。

表3 高程精度分析表

3.5 面积精度分析

选取地形图中房屋面和外业实测、经内业计算而得的对应屋面进行分析，如表4所示。最大面积误差为0.06m2，最小面积误差为14.91m2，所有检核房屋面的面积相对误差的中误差为1.71%，可满足城市更新基础数据误差比例小于或等于5%的精度要求[12]。

表4 建筑面积精度分析表

3.6 效率对比

在保证点位、边长、面积、高程等精度的前提下，大大的提高了工作效率，从人员、时间、作业成本、数据成果等方面与传统测量方法进行对比，如表5所示。

表5 效率对比表

4 结 语

本文以广州市黄埔区某村为例，提出了将无人机倾斜摄影技术应用于面向旧村改造的大比例尺地形图中，利用EPS2016三维测图软件平台绘制地形图，通过对点位、边长、高程和建筑物面积4个方面进行精度分析，证明了无人机倾斜摄影技术可满足面向旧村改造的1∶500地形图测图要求，并得出以下结论：

1）通过实际工程应用可知，在相机重叠度足够高、合理设置行高的情况下，无人机倾斜摄影技术能够满足1∶500地形图测绘、城市更新基础数据误差比例要求。

2）将无人机倾斜摄影技术应用于面向旧村改造的大比例尺地形图中，能够大大减少外业工作量，将工作重点由外业转到内业。由于外业工作迅速、时间短，对气候依赖性低，相对比传统测绘，项目进度大大提升。传统测绘手段内业工作需要依靠外业人员通过画草图、凭记忆完成，而无人机倾斜摄影技术生成的实景三维模型能够很好地辅助内业人员绘图工作，提高内业工作效率。

3）旧改工作往往需要现势性强的基础数据，无人机倾斜摄影技术因其高精度、高效率、作业便捷的特点很好地贴合了“三旧”改造工作需求。

同时，基于生成的实景三维模型能够快速、较为准确地计算出调查区域房屋建筑总量，节省了大量人力物力，缩短工作周期，满足了旧村改造数据的高时效性要求，为全国旧改领头的广东省、广州市其他“三旧”改造项目提供了一定的参考。