无人机倾斜摄影测量在实景三维模型测图中的应用

2022-05-05田振东秦少林杜新红李艳贵

资源导刊(信息化测绘) 2022年3期

田振东秦少林杜新红李艳贵

（1.辉县市春诚测绘有限公司，河南辉县 453600；2.辉县自然资源和规划局，河南辉县 453600）

1 引言

近年来，无人机航测技术凭借机动灵活、作业高效迅速、可高频监测关键区域、成本低廉等特点，在应急保障和小区域地形图测绘领域具有明显优势[1]。但传统航测技术只能从垂直角度获取影像，且影像畸变严重，倾斜角和旋偏角较大，外业工作量大。无人机倾斜摄影技术作为一项新兴的测绘手段，其获取的倾斜影像可让用户从多个角度观察地面上的各种建筑、自然景象等，更加真实反映实际物体的情况，利用倾斜摄影测量技术进行三维测图成为了一种可能[2]。

无人机倾斜摄影测量技术通过无人机搭载传感器设备，从多角度获取高分辨率和多方位影像数据，通过内业处理软件生成实景三维模型，并在此基础上运用裸眼三维采编软件在模型中直接测量坐标、采集成图[3]。通过实景三维模型能多角度查看地物，房屋结构、屋檐、飘楼、阳台、层数等细节信息，都可直接在三维场景下采集、标注，大大减少了外业调绘的工作量。无人机倾斜摄影裸眼三维测图，相比传统测量具有机动灵活、外业工作量少、劳动强度低、生产效率高、精度高、测量限制少等优点，避免了野外测量受天气影响大、劳动强度大、安全隐患多、工序复杂、成本高等缺点，在智慧城市、不动产测绘、城市规划、国土资源管理、拆迁建设、全域土地综合整治等需要大比例尺地形图的项目中具有广阔的应用前景[4]。

本文通过无人机飞行平台搭载倾斜相机，采用倾斜摄影的方式获取高重叠度影像数据，利用集群处理影像数据，输出实景三维模型，采用裸眼三维模型立体量测技术，实现外业调绘的高精度大比例尺地形图测绘，并通过具体实验验证此技术路线的可行性。

2 倾斜摄影三维测图技术

倾斜摄影三维测图是基于实景三维模型对地形、地貌数据进行“裸眼”测图。用低空无人机搭载多台传感器，同时从垂直、左侧、右侧、前方、后方五个不同的角度采集影像，获取丰富的建（构）筑物顶面、侧视及地形的高分辨率纹理，通过自动化三维建模软件，制作实景三维模型。在内业测图中，裸眼即可清晰看到地物的特征及细节，直接观测立体影像，采集地形图各类要素，如房檐改正距离、建筑物层数、植被属性、路宽等，在实景三维模型上即可准确判断，极大减少了外业工作量，提高成图效率和成图质量[2]。基于无人机倾斜摄影测量的大比例尺三维测图技术流程如图1 所示，主要包括无人机倾斜摄影数据采集、空三加密、模型构建、裸眼立体测图、外业调绘。

图1 倾斜三维测图作业流程

（1）倾斜数据采集。根据作业区地形类型和成图精度要求的不同采集外业数据，踏勘研究区，选取飞行器与相机，设计无人机飞行航线、飞行时间，以获取地表影像数据、像控点信息。航摄完成后对航摄影像、POS 数据、像控信息等各项参数进行全面检查，检查无误后，及时将航摄数据提交内业处理。

（2）空三解算。倾斜摄影数据空中三角测量使用多视角联合平差，空三解算自动化程度更高，算法复杂，计算量大，人工干预少。将机载POS 提供的6 个外方位元素引入摄影测量区域网平差中，利用后处理软件采用统一的数学模型和算法实现对多视影像的自动匹配，得到同名连接点，构建自由网，实现倾斜摄影影像的空三加密。

（3）模型构建。采用分块计算，经过空三加密后，自动选择不同视角上的最佳像对模型，生成三维尺度的密集点云。然后采用不规则三角网方法，对点云数据成果进行分割，构建TIN 数据，进而生成白模数据。根据三维TIN 的空间位置信息，获取最佳视角影像纹理，自动赋予模型纹理，输出osgb 格式三维模型成果。

（4）裸眼立体测图。目前国内大多数实景裸眼三维采集软件均能实现360°无死角视图作业，对同一地物可通过不同角度进行点线量测。将倾斜摄影建立的高精度实景三维模型加载到三维测图软件中，裸眼直接观测立体影像，采集地形图各类要素。内业数据采集采用二三维联动一体化测图模式，加载实景三维模型数据，实现二维或三维环境下采集各种地物类型的特征点或特征线、地貌、高程信息，完成地形图绘制。

（5）外业调绘。以内业采集数据为底图进行实地调绘，对内业不能准确绘制的地形地物进行查缺补漏，最终完善地形图。

3 应用实例

3.1 测区概况

鹿邑县位于豫皖交界的河南省东部，属河南省周口市。地理坐标介于北纬33°43′～34°51′，东经115°25′～115°37′。鹿邑东西长54.6 公里，南北宽40.5 公里，总面积1238 平方公里，耕地面积124 万亩，境内地势平坦、低缓倾斜，西北高、东南低，地面要素主要以居民地、耕地为主。鹿邑县全域地形图测绘项目需要获取地面分辨率优于0.03 米倾斜影像数据。本文选取张店镇为生产区进行分析，技术路线如上文所述。测区DOM 如图2 所示。

图2 测区局部DOM

3.2 无人机数据获取与处理

结合测区地形地貌，项目采用飞马V10 垂直起降无人机系统，全画幅倾斜摄影五拼相机作为航摄仪，设计适宜的飞行时间段进行航飞，飞行平均航高为400m；影像地面分辨率为3cm；航向重叠度为75%，旁向重叠度为70%。航摄完成后，首先全面检查航摄影像、POS 数据等各项参数，检查无误后，对外业航摄数据进行预处理，包括创建工程，导入影像、飞行文件、像控点坐标，对原始影像数据进行匀光匀色和畸变差改正。其次，使用Context Capture 软件经过影像匹配、空三加密、生成TIN 和纹理贴图等工序，建立高精度实景三维模型。最后经核查修改，提交下一步高精度测图工作。实景三维模型成果如图3 所示。

图3 测区局部实景三维模型

3.3 三维数字测图

地形图要素采集采用航天远景裸眼三维测图模块，该系统直接与AutoCAD、南方CASS 等软件结合，摆脱了传统三维采编中立体眼镜的束缚，通过创建并加载倾斜摄影实景三维模型，分别对房屋、道路、植被、斜坡、独立地物、管线、水系等地物地貌以及等高线进行绘图，实现多窗口二三维联动一体化联动采编。二三维联动采编如图4 所示。

图4 二三维联动采编

内业数据采集完后，需对无法测量、识别的地物进行实地调绘与补绘，主要包括：①对内业漏测和难以准确判绘的图形信息（如遮盖区域、光缆标），尤其对地物遮挡造成的实景三维模型局部模糊、变形，少量地物要素难以准确采集的情况；②部分线状悬空的地物，如电力线、通讯线等，实景三维建模较难，难以准确辨别其走向和连接关系；③对内业难以获取的属性信息进行调绘，如单位名称、路名、村庄名字等，最终上图编辑形成数字化地形图，如图5 所示。

图5 局部实景三维模型+DLG

4 精度分析

为检验基于三维模型量测地形图的可行性和精度，在测区采用RTK技术均匀量测平面和高程点各50个点。以这些实地量测的检查点坐标作为已测地形图的检核点，分析地形图的平面和高程精度（如图6、图7 所示），地形图的平面精度统计如表1 所示，高程精度统计如表2 所示。经对比分析，得出平面中误差0.083m，高程中误差0.132m，满足大比例尺测图精度要求。