无人机倾斜摄影测量技术下的地形数据建模和应用研究

翟丽

（阜新市生态空间勘测设计院有限公司 辽宁省阜新市 123000）

随着科学技术地不断进步，矿山测量的方法也不断在增多，获取的数据精度也越来越精密，不仅获取方式快捷、效率也越来越高。全站仪和GPSRTK 动态测量技术是目前矿山测绘中应用最广泛的技术手段。该技术不仅具有集成化、自动化程度高的特点，而且在一定程度上提高了矿山数据获取的准确性和效率。但也存在一些问题，对于矿区一些陡坡区和一些危险地段，测绘人员往往无法到达，存在着测量安全隐患。传统的人工单点测绘方法不仅增加了劳动强度，而且降低了工作效率。然而，随着无人机技术的广泛应用和无人机倾斜摄影测量技术的不断完善，一方面缩短了工人进入矿区的工作时间，另一方面安全无需担心，保证矿区三维数据信息的完整性，并且还满足工程要求的高精度这一要求。露天矿地形复杂，采用传统的测绘手段根本无法获得高精度的地理信息数据。针对这一现状，我们提出了利用无人机倾斜摄影测量技术进行露天矿地形测绘的技术方案。通过低空轻小型无人机遥感系统来完成摄影测量工作，具有操作简单，机动性强的特点，不受地形和天气的影响，可以高效率地完成规定的测区任务。此外，无人机航空摄影测量技术在测量过程中，不仅使我们所获取的数据精度高，而且还能降低我们人工的计算难度，直接通过对应的软件得到我们所需要的数据。

1 基本原理

1.1 倾斜摄影测量原理

倾斜航空摄影是利用倾斜航空相机获取地物信息的一种新型航空摄影方式。和传统的竖直航空摄影方式还是有些区别，倾斜相机通常采用五个方位进行数据采集，分为正摄、前视、后视、左视、右视，配合惯导系统获取高精度的位置和姿态信息，通过对应的软件将数据进行处理，所有的影像都纳入到统一的坐标系统当中，有利于后期的数据处理。

倾斜摄影测量技术可以应用到无人机上，无人机倾斜摄影技术通过超低空倾斜摄影，多角度采集信息。基于影像数据可对任意点线面进行量测，获取厘米级的测量精度并自动生成三维地理信息模型，具有低成本、高效率、数据精度高、操作方便等优点，极大优化测绘内、外业的并行工作，较为圆满地解决了天气或人工等外因造成的作业延误。

1.2 倾斜摄影测量技术特点

1.2.1 倾斜摄影技术过程

倾斜摄影技术不仅在摄影方式上区别于传统的垂直航空摄影，其后期数据处理及成果也大不相同。倾斜摄影技术的主要目的是获取地物多个方位（尤其是侧面）的信息并可供用户实时量测、多维浏览，并且方便获取多方面的信息。

1.2.2 倾斜摄影测量技术的特点

1.2.2.1 能反映出地物真实情景

与正摄图像不同，倾斜图像可以让用户从不同的角度观察建筑物，更准确地反映事物的真实情况，这在很大程度上弥补了正摄照片的缺陷。

1.2.2.2 倾斜摄影可单影像量测

使用一些软件可以进行基于图像的测量，包括地球物体的特征数据，并扩大倾斜摄影技术的应用。

1.2.2.3 建筑物侧面纹理可采集

将三维“数字城市”应用于大规模航拍、坡度信息提取和纹理映射、数据采集，三维建模可以大大提高效率，降低成本。可以多次收集轮廓以选择相同位置的最佳纹理。

1.2.2.4 数据量小，适于网络发布

使用倾斜摄影技术制作的真实3D 模型可以快速发布在互联网上，发布后将实现包括PC 端和手机端的共享应用。

1.3 空中三角测量

无人机倾斜摄影测量技术的核心步骤为空中三角测量，其主要原理是共线方程与空间后方交会。

计算图像的方向参数，外部方向元件，相机镜头的失真系数和接地控制点是处理空中三角测量数据所必需的最重要的步骤。

如图1 所示，无人机通常具有五个镜头，在飞行采集数据时，通过四个倾斜角度和一个垂直角度的摄像机镜头对所要采集的地区进行数据采集。这样子，同一个地物会得到各种不同角度的信息采集。在无人机飞行过程中，还可以记录每张照片的经纬度、高度、飞行姿态数据等，在无人机外业数据采集完毕后，通过空中三角测量解算技术得到地物的三维模型，并用贴图的方式进行纹理构建，这样便可以建立具有精细数据的三维真实场景。这整个阶段极少有人工的干预，因此具有十分高效的建模效率。

图1： 五个镜头对地面实体拍摄

拍摄影像时，无人机会记录航高、曝光时间、大地高度以及经纬度坐标和飞行姿态等信息，这些信息将会在无人机三维实景建模中得到分析与管理。

1.4 倾斜航空影像拼接技术

近几年来航空摄影测量得到了我们越来越多人的关注，由于技术的不断完善，乘搭的相机的像素越来越高，获取的数据的准确性不断变高，倾斜航空摄影测量逐步应用到各种测量当中例如距离、高度、面积等。但慢慢我们应用中往往需要一大幅的影像数据，当时由于我们无人机的电量有限和众多限制的影像，往往需要很多架次，而且不同位置的影像，所以我们需要把影像进行拼接处理，利用拼接技术不仅能剔除图像序列间的冗余信息，更能有效地表示信息，总体技术流程：

（1）获取各视角的倾斜影像；

（2）建立虚拟影像；

（3）选取视野范围内的倾斜影像；

（4）将选择的倾斜影像像素反投影至虚拟影像；

（5）减少高出地面竖直物体的重影效应。

2 矸石山的数据获取及处理

航拍总技术流程图如图2 所示。

图2： 航拍总技术流程图

2.1 制定飞行计划

此次测区范围为392m x 390m，平均高程约为197m。使用Altizure 航线规划软件iOS 版，此版本还具有导入kml功能，将测区的kml 导入APP，能够更合理的规划航线，节省电量等。航线规划图如图3 所示。

图3： 范围线

2.2 现场踏勘及航线规划

构架航线又叫作控制航线，主要是指在测区内与测图路由大致垂直的几条航线。其主要功能是起到基本路线两端控制点的作用，减少测区地面场像控制点布设的工作量，增强区域网模型之间的连续性，提高加密平差的精度。

（1）注意测区是否属于禁飞区，测区内是否有高层建筑、信号塔和高压线，从而确定合理的飞行高度。起飞点选择地势平坦、开阔、位置较高的地方（如小山丘、平房屋顶），起飞点应考虑最远路线的信号传输问题。合法飞行，申请空域！

（2）起飞前，先用DJIGO4 连接无人机，检查飞行器状态，刷新返航点（重要）。飞行中，应该走到空旷的无遮挡的地方将遥控器天线对准飞机的位置，以防止断开信号，导致无人机中断任务返航。

（3）规划航路时，适当扩大飞行区域，使测量区域完全覆盖，航线重叠不小于85%，侧面重叠不小于75%；该位置的控制点应均匀分布，避免出现一条直线。控制点数量不少于3 个，控制区域周边区域，每平方公里至少1 个。

2.3 像控点采集

一般是在测区的四个角和中间位置（但不要太靠近边缘，以免拍不到）。像控点布设位置如图4 所示。

图4： 像控点布设

本次实验我们选取了5 个控制点作为像控点，控制点选用的是2000 国家坐标系，1985 国家高程基准，我们选取的控制点布置在飞行区四周和中心。

3 矸石山实景模型的应用研究

本研究采用了法国 Acute3D 公司的Smart3D 软件进行三维建模，它是一款革命性的制作实景影像三维模型的软件系列，它可以通过简单的照片生成具有高分辨率的真实三维模型。近乎于没有任何限制的照片拍摄要求，并且数据处理的过程也具有高伸缩性和高效率，整个处理过程不需要人工干预，并且它还支持输出多种数据成果和兼容多种数据源，有效解决了不同的GIS 应用平台的兼容问题。它基于高性能摄影测量、计算机视觉与计算几何算法，在实用性、稳定性、计算性能、互操作性方面，能够满足严苛的工业质量要求，其关键优势是快速，简单，全自动。

三维实景建模技术即利用航空拍摄的像片或地面拍摄的像片，利用空中三角测量的方法，获得所拍摄点的三维位置信息，进而重建其立体模型的技术。三维实景建模可以仅仅通过几百张拍摄的照片便能够重建真实立体形状，在国内外各种事件场景中都能得到运用。三维实景建模技术的原理是通过数学方法，比较同一物体点在不同航拍像片中的位置，进而推求出其在真实世界中的三维位置信息。三维实景建模技术是实景还原技术，因此不仅能够得到地面实体的空间坐标，还可根据所拍摄的航片获得其真实的纹理细节。在倾斜摄影中，拍摄的航片本身就携带有坐标信息，因此能够通过三角测量得到未知点的三维坐标。

3.1 Smart3D三维建模流程

使用Smart3D 建模，需要做一些准备工作，首先应做的是确定工程所需的硬件设施，由于三维建模是比较耗时、高要求的工作，对计算机硬件有一定的要求。其次，是确定好航拍时所用无人机的焦距、传感器尺寸、数据格式等。另外还需要对地面控制点进行一定的测量工作，地面测量点一般选择形状明显，特征突出的地方。

通过数据资料分析和预处理，排除资料先天缺陷，确保用于建模的数据和资料完整、格式正确。然后利用Smart3D软件进行三维实景建模，总体技术路线：

（1）将倾斜影像进行空中三角测量，获得所有影像的高精度外方位元素；

（2）基于畸变校正后的倾斜影像和高精度的外方位元素通过多视影像密集匹配，获得高密度三维点云，构建校园3D TIN 模型；

（3）根据3D TIN 每个三角形面片的法线方程与二维图像之间的夹角选择相对应的最佳纹理信息，实现纹理的自动关联；

（4）输出并获得真三维模型成果。

3.2 实景模型测图

地面数字测图、地图数字化和数字摄影测量等方法是数字测图的重要方法，数字测图与传统的测图方法比较有所差距，从字面意思上不难看出，数字测图主要偏重于数字化，它是以计算机为核心技术的，在连接输出设备和成图软件的支持下，借用我们通过测量手段获得测区内的相应数据输出我们所需要的图形数据，它是一个面向图形的过程，通俗一点的说就是计算机将我们所获取到的采集数据通过处理，输出数字地图的方法。

传统的数字测图已经满足不了现在我们所需要的测图需求了，原先我们都利用CAD 或者CASS 这两个平台软件处理我们所需要的数据，但是随着我们测量手段不断地更新变化，航空摄影测量技术走入我们的视野当中，传统的测图的缺点也逐渐显示出来。由于我们航测所获得的数据范围巨大，如果我们应用CAD 这些软件的话，需要数据加工方能入库，航测所得的数据最少也都好几个G 以上，处理起来是非常耗费时间的，往往我们会出现没有数据没法工作的情况，其次CAD 的图形与属性是分离的，是分开储存的，不利于我们整理和利用。

3.3 EPS测图成果

基于真实三维模型的矿井地形要素采集，采用清华山维EPS 三维绘图软件。EPS 基于真实三维模型的DLG 测绘数据采集，采用二维和三维一体化的方法，实现了测量野外工作的内部工作。二维与三维符号一致，二维与三维编辑联动。这种快速简单的采集方法与航空测量相当。本测区矿井主要特征为地形地貌，包括道路、水系、少量简易建筑物等，因此强调地形要素的采集。真实三维模型的osgb 格式数据由EPS 软件加载，地形元素直接采集在真实三维模型上，具有真实的地理坐标信息，无需佩戴立体眼镜。测图成果如图5所示。

图5： EPS 测图最终成果

由于建筑物高度是通过点云数据量测得到的，所构建的三维实景模型的空间框架能够保证其精度。通过对模型进行空间量测，也得出三维实景模型与其实际建筑的空间框架保持一致。

3.4 三维实景模型的应用与研究

（1）地形信息的提取：通过3D 模型我们不难看出新邱露天矿矸石山地形的险恶程度，由于原先是矿山的缘故，人们的不断开采，大型车的运输，导致现在矸石山的车辙沟壑变得非常多。主要地形是中部以底坑为主，南部为未开采，形成了一个相对高一些的山部，四周也基本山是以沟壑为主，所以我在用EPS 画图的时候基本上画的都是陡坎，在标高程点的时候，陡坎的上下都需要标注高程点，显示出陡坎的坡度大小。

（2）获取地理高程模型：在我们应用EPS 进行测图时，地物画完之后，我们可以直接把测区范围画出来，然后导入到CAD 中按15 个距离标上点，再导入到EPS 中直接标上高程点，自动就可以生成地形等高线图，比我们传统的人工采集数据更加的全面和安全。利用EPS 工作站进行地形图绘制，运用多窗口联动绘图，地形图的精度满足测图要求、此种方法提高了绘图精度，并且大大提高了绘图工作效率。

（3）工程量测：和传统的测量手段相比，我们可以直接对三维实景模型进行距离量测、面积量测，高度量测等等。

4 结论

本文利用无人机倾斜摄影测量技术和基于Smart3D 的三维实景建模技术，对露天矿矸石山地形做了精细数据采集和三维模型的建立工作。实验表明，三维实景建模技术在地形测量方面具有实践价值，结合EPS 对三维模型管理，对露天矿地形数据的采集具有借鉴意义。

（1）以新邱露天矿3 号矸石山为实验场地，在我们进行航飞之前进行航线规划等。在基础数据设计之后，利用无人机进行航拍来获取倾斜影像数据。

（2）基于倾斜摄影测量技术，利用Smart3D 软件将所得航飞数据进行处理，快速构建真实、直观的三维实景模型，相比于传统测量手段，本次实验大大缩短了作业周期，并且生产成本也得到降低。

（3）利用EPS 软件进行测图，然后用所得结果进行分析与应用，模型精度非常可靠，得到的影像数据满足应用需求。