无人机倾斜摄影在矿山大比例尺地形图测绘中的应用研究

周 攀

（银川市房地产测绘中心（有限公司），宁夏 银川 750000）

地形图对于矿山的开采管理、规划来说非常重要，因此生产高精度的地形图是非常有必要的。传统生产地形图是利用GPS-RTK进行全野外作业，然后内业根据外业采集的坐标和绘制的草图进行连点成图，其精度主要取决于外业采集点的数量。点多则精度高，但是效率低、成本高、工期长；点少则精度低，但是效率高、成本低、工期短。这种作业方法已经不能满足当今社会发展的需求。随着无人机以及导航定位技术的发展，采用无人机搭载相机进行航空摄影，然后基于虚拟立体像对进行地形图生产成为了一种主流的生产地形图的作业方法，但是这种方法无法满足1∶500地形图精度要求。随着倾斜摄影测量技术的出现以及快速发展，采用无人机搭载倾斜相机进行航空影像数据获取，然后内业进行数据解算和地形图生产又成为了研究热点[1-3]。笔者在深入分析了倾斜摄影测量技术后，提出采用倾斜摄影的方式生产1∶500地形图，并以实际矿山大比例尺地形图生产项目为例，采用外业实地采集的地物特征点对本文提出的方案进行了验证。通过对检查结果进行统计分析后可知，采用本文方案生产的地形图，其平面精度、高程精度均可以满足1∶500地形图精度要求，可以为大比例尺地形图的生产带来借鉴。

1 无人机倾斜摄影概述

1.1 无人机倾斜摄影原理

无人机倾斜摄影是指在无人机飞行平台上搭载一台或数台航摄影，从空中对地面进行多角度、全方位影像数据的采集[4]。目前常见的倾斜相机有摇摆2镜头、扫摆3镜头、5镜头等，其主要区别在于获取影像的角度不同。以5镜头倾斜相机为例，其由1个下视和4个侧视相机组成，下视主要是垂直地面获取地物影像，其获取的主要是顶部信息，而侧视相机是以一定的角度获取地物影像信息，其获取的主要是建构筑物的侧面信息。较传统垂直摄影来说，虽然增加了影像的冗余度，匹配速度有了降低，但同时增加了影像的有用信息，提高了匹配的精度和可靠性。在5镜头中，最合理的搭配是下视与侧视呈45度，这样侧视获取的影像信息更加丰富。由于航摄分辨率与航摄相对高度、焦距以及像元大小有关，而在摄影测量解算时，要求航摄分辨率尽可能一致，因此需要保证倾斜摄影获取的影像分辨率也尽可能一致，这样才可以获得最优的解算成果。通过5镜头相机组合可知，要想得到同分辨率的影像，对于同款相机，当像元大小相同时，必须保证航摄高度和焦距呈正相关。由45度夹角可知，侧视镜头到被摄物体的距离是下视镜头的1.41倍，因此必须保证侧视焦距是下视焦距的1.41倍，当下视焦距为35mm时，侧视焦距必须是50mm，这样才可以得到高质量的数据解算成果。

1.2 倾斜摄影生产大比例尺地形图流程

采用无人机倾斜摄影技术生产大比例尺地形图，其工作内容主要分为外业和内业，外业主要包含无人机倾斜影像数据采集和像控点的布设与测量；内业主要包含影像数据的解算和地形图的生产，其具体作业流程如图1所示。

2 无人机倾斜摄影在矿山大比例尺地形图测绘中的应用

2.1 像控点布设与测量

由于目前无人机姿态不稳定，定位精度并不高，因此在生产高精度测绘成果时，需要通过适量的像控点来对其进行校正。本次像控点布设与测量主要流程为：首先将任务区范围线导入到图新地球中，结合任务区范围内地形，按照500m的间隔均匀布设像控点，在任务区边缘拐角处，也进行了像控点位的布设。布设点位完成后，将布设成果导出为kml文件，并提交给像控点采集人员，像控点采集人员将布设点位成果导入奥维APP软件中，通过导航放样的形式，可以快速到达点位，并在实地找到合适的点位进行点位喷涂和坐标采集。在坐标采集时，首先需要确保各项参数输入准确，并对每个点至少采集3次，每次平滑次数不低于20次，多次采集坐标较差其平面和高程均要求在2cm内，否则视为超限点重新进行采集，在采集时，必须是固定解的状态方可采集。为了便于内业对点位进行判断和转刺，在采集坐标时，需要从不同角度，远景和近景分别采集实地照片，照片要能反映出点位和周边的地物关系。按照同样的方式，在像控点稀疏区域、精度薄弱区域采集98个特征检查点，用于后续地形图成果的精度检测。本次所采集的点均为平高点，用于对平面和高程精度的控制和检测。

2.2 原始数据采集

在数据采集前，需要进行航线规划。本次航线规划选用WapPointMaster软件，按照地面分辨率为5cm的要求进行航线规划，航向和旁向重叠度均设置为80%，为了保证任务区边缘地形图成果精度不受模型精度的影响，在航线规划时，将任务区范围线外扩100m，确保任务区边缘模型精度符合要求。将规划好的航线上传至飞控，完成无人机起飞、影像数据采集和降落。在起飞前，首先对设备进行了检查，包括内存卡是否正常读写，相机是否正常曝光，POS是否记录等。航飞的时候，飞控手通过地面站时刻关注飞机的飞行状态，确保飞机飞行状态安全可控。航飞完成后，第一时间取下内存卡，并将里面储存的影像和POS数据拷贝出来，并利用Pix4D软件快速完成航飞成果的质量检查。经检测，本次航飞成果旁向、航向重叠度符合要求，采用人机交互方式对影像的亮度、对比度等表征质量进行了检查，成果均满足项目需求。

2.3 数据预处理

首先对航摄成果进行预处理，预处理主要包括影像数据和POS数据的重命名，POS数据的优化和相机参数的优化。

2.3.1 数据重命名

本次获得的5镜头影像，每个镜头的编号和命名规则都是相同的，为了确保参与数据解算的影像是唯一的，采用拖把更名器软件对5镜头影像数据分别进行重命名。为了确保POS数据和影像能够一一对应，对POS数据也进行重命名。

2.3.2 POS数据优化

为了提升空中三角测量解算的成功率和精度，本次需要对POS数据进行优化。由于本次记录POS的装置只记录了下视相机曝光时的位置和姿态，并未对侧视相机曝光时的位置和姿态进行记录。因此对于数据解算来说，侧视镜头的POS精度是不可靠的。利用专业的软件，结合5镜头相机安置的位置、姿态、角度、距离等参数，就可以以下视POS为基准，解算得到侧视相机曝光时的准确位置和姿态，这样就可以更加准确地还原被摄物体和相机之间的关系，有利于数据的准确解算。

2.3.3 相机参数优化

目前用于5镜头的相机检校场在国内并不多，而且检校一次费用相对较高，因此在实际进行数据生产时，并未对相机进行检校，而是采用软件自检校的方式进行。本次所采用的相机在航飞前后，并未对其焦距等参数进行检校，因此需要对其进行检校，这样才可以得到准确的相机参数，便于后期空中三角测量的准确解算。本次检校采取软件自检校，首先选择5镜头对应的影像数各100张，并且包含4个像控点，将其导入ContextCapture（下文简称CC）软件中进行自由网数据的解算和带像控点的平差调整，得到平差后的相机准确参数，将其添加到软件自带的相机库中，便于后期直接调用。

2.4 空中三角测量解算

通过对目前主流的建模软件进行分析和评估，本次矿山实景三维模型生产选用美国本特利的CC软件。首先新建工程，导入优化后的影像数据和POS数据，选择对应的相机文件，完善相机参数。通过人机交互的方式检查导入的成果，确保导入无误后，提交空三解算任务，完成空中三角测量的解算工作，本次空三解算采取集群方式进行。解算完成后，将像控点导入并完成空三成果的平差调整，查看其空三报告，精度符合规范要求，成果可直接用于实景三维模型的生产。

2.5 实景三维模型生产

实景三维模型数据量庞大，不能像正射影像一样大面积一次性输出，需要结合电脑配置，对其进行分割，按照瓦片输出。本次在生产实景三维模型时，瓦片划分方式选择规则格网，瓦片大小设置为150m，瓦片输出格式选择OSGB，瓦片切块原点和模型输出原点采用软件默认值，坐标系统设置和像控点的坐标系统相一致，提交重建任务，完成实景三维模型的生产。采用人机交互方式，对模型成果进行查看，模型精细度良好，结构完整，存在少量拉花结构变形，但不影响测图，成果质量整体良好，可直接用于数字线划图的采集[5]。

2.6 大比例尺地形图测绘

目前数字线划图采集主要有虚拟立体像对和裸眼采集两种方式，本次采集采用裸眼采集方式，采集软件选择北京清华山维的EPS软件。首先将OSGB格式模型和xml文件导入EPS软件中，生成EPS能够识别的DSM索引文件，然后加载索引文件至软件窗口，并加载数字正射影像。在

DSM上采集的地形图成果，可同步到数字正射影像上，方便对成果进行检查。在采集房屋时，对规则的四边形房屋，可以使用EPS软件中的五点房命令；对于等高线的采集，在地物稀疏区域，利用软件自动提取高程点，并基于高程点生成等高线，在植被茂密区域，可采用淹没的方式进行等高线的绘制。对于其它地物的采集，选择对应的图层，并完成地形图的绘制。

3 精度检测统计与分析

将98个平高检测点导入到EPS软件中，对地形图的平面和高程精度进行检测，检测结果见表1。

表1 平面和高程精度检测统计表

由表1可以计算得到，98个检测点的平面较差最大为0.267m，高程较差最大为0.312m，采用同精度中误差计算公式可计算得到98个检测点的平面点位中误差为0.119m，高程点位中误差为0.126m，成果精度均满足1∶500地形图测绘规范要求。

4 结语

本文对倾斜摄影测量技术进行了深入分析，提出采用倾斜摄影测量的作业方式进行矿山大比例尺地形图的测绘生产，并以实际项目为例，对其整个作业流程中的关键点进行了介绍，最后采用外业实地采集的特征检测点对本文方案得到的地形图成果精度进行了检测。通过对检测结果进行统计分析可知，采用本文方案生产得到的地形图，其精度可以满足1∶500地形图测绘精度要求，可以为矿山大比例尺地形图测绘带来借鉴。