倾斜摄影测量技术在测验河段平面图测绘中的应用——以大草坪水文站为例

任 彤，赵建永，马占辉

（1.海河水利委员会水文局，天津 300170；2.河北省保定水文勘测研究中心，河北 保定 071025）

1 引言

水文测站考证是为反映水文资料一致性可能受影响的程度，与测站水文要素观测同步，对测验环境条件、观测技术、数据质量和测站测验任务变化情况进行的相关测量、记录、说明和行程考证的工作，是选择水文资料整编方法和使用资料的依据[1]。测验河段平面图作为测站考证中的重要内容，能够反映测验河段的河道情况、测验设施的布设情况及下垫面条件变化情况，为水文测站的运行管理提供重要依据。测验河段平面图测绘主要依靠高精度GNSS（全球导航卫星系统，下同）和全站仪等传统测量方式。由于水文测站主要建设在山区、河流、湖库等周边，传统测量方式受地形、地貌、水域和天气等条件限制，时常出现卫星信号差和通视条件不佳等测量盲区问题，且后期绘图过程中可能由于关键地物要素测量缺失或碎部点测量密度不够出现补测或返工的情况，测验河段平面图测绘效率不高。

无人机航测作为传统航空摄影测量手段的有力补充，具有机动灵活、高效快速和适用范围广等特点，在中小区域和测量环境较复杂地区测绘方面具有明显优势。以大草坪水文站为例，利用无人机倾斜摄影测量技术，研究绘制测验河段平面图新的方式和方法，有效提升了外业作业效率和成图的精细程度及范围，是无人机在水文勘测工作中一次成功探索，也为无人机在水文行业的应用提供了参考。

2 关键技术

无人机倾斜摄影测量技术是多种技术融合的产物，主要包括飞行器技术、传感器技术、姿态控制技术、通信技术和影像处理技术等，是当前测绘遥感领域中快速发展的高新技术，在测绘行业中广泛应用。该技术是在同一飞行平台上搭载多个传感器，同时从一个垂直和四个倾斜五个不同角度采集影像，多角度、多方位对地物进行信息采集，因此其获取的地形、地物和地貌信息更完整、更全面。

无人机倾斜摄影测量系统由倾斜相机、GNSS、IMU（惯性测量单元，下同）系统和多种传感器高度集成，如图1 所示。摄影相机提供影像信息，GNSS、IMU 分别提供位置和姿态信息，多种传感器为无人机提供飞行辅助。在数据后处理过程中，通过照片影像，结合飞机姿态、位置数据和像控点进行空中三角测量处理，将照片“转化为”赋予三维坐标的点云数据或三维模型，供使用者根据需求输出成果进行进一步应用。

3 实例分析

3.1 大草坪水文站概况

大草坪水文站为省界水资源专用水文测站，站址位于河北省丰宁满族自治县汤河乡大草坪村，属潮白河系汤河流域，控制流域面积622 km2，主要承担潮白河白河水系一级支流汤河由河北省入北京市水资源量监测任务。按照《水文测站考证技术规范》（SL742-2017）有关要求，开展大草坪水文站测验河段平面图测绘工作。该水文站三面环山，周边地形高差较大，测量条件较为复杂，本文采用无人机倾斜摄影测量技术完成水文站测验河段平面图测绘任务。

3.2 软硬件平台

本次使用搭载五镜头的六旋翼无人机，飞机续航时间30 min，相机镜头为索尼ILC-E5100，垂直镜头焦距25 mm，倾斜镜头焦距35 mm，单架次飞行控制面积约0.25 km2。

无人机数据处理采用Smart3D Capture和3DReshaper 软件，绘图使用南方CASS 软件，辅助软件为Google earth，辅助设备包括高精度GNSS设备等。

3.3 技术路线

技术路线，如图1所示。

图1 技术路线

3.3.1 外业数据采集

外业数据采集主要包括影像采集和像控点采集。在山区测绘环境中，能发挥旋翼无人机快速、高效和灵活特点，避免测量人员携带设备登山和山区卫星定位信号不稳定等情况。此次航测外业人员投入3 人，作业时间80 min，在保证测量精度前提下，极大提升了外业作业效率。

测验河段平面图中不仅包括测站测验河段的范围，而且包含测站所有水文测验设施，测验河段附近村庄、桥梁、铁路、公路和主要水工建筑物等地形地物应完整绘入，山地应绘制等高线。根据规范要求，考虑水文站重点关注区域和周边地形高差，为保证后期建模和DOM（数字正射影像，下同）精度，使用分区域影像获取方式进行飞行作业，该航测任务共分3个区域。

大草坪水文站布设了100 m长测流槽，水文信息采集设施均集中在测流槽上下游30 m 范围内，周边有县道509和跨河桥，因此确定区域1为重点飞行区域，该区域飞行高度70 m，航向和旁向重叠度为80%。测验河段周边山地区域，由于高差较大，且无重点关注的地物要素，建模精度要求相对较低，为提高单架次作业效率，区域2 和3 飞行高度设定为120 m，航向和旁向重叠度为70%。为保证山区飞行安全，飞行区域范围通过Google earth 经初步测量山体高度后划定，再导入飞控系统中进行航迹规划，避免出现撞机等危险情况发生，区域划分和区域1 航迹规划如图2所示。

此次航测像控点使用RTK（实时动态定位，Real-Time Kinematic）技术进行测量，像控点测量平面控制采用CGCS2000 坐标系统，高程控制采用国家85高程基准。测区外围边角布设像控点，其余像控点均匀布设在测区，高低错落，高程分布合理[2]。本测区共采集像控点12个，其中4个作为校核点，供精度检验时使用。

3.3.2 无人机内业处理

无人机内业处理主要包含空中三角测量和三维建模，倾斜摄影技术将部分外业工作转化为内业工作，使得外业工作得到了简化，同时内业数据处理工作技术变得尤为关键。

（1）空中三角测量。空中三角测量是倾斜摄影技术内业数据处理的核心，其算法是根据少量的野外控制点，求解未知点坐标和影像的外方位元素，以获得加密点的高程和平面位置的测量方法。采集像控点是获取野外控制点的方法之一，此次数据处理采用解析空中三角测量方法，即电算加密法。空中三角测量主要包含影像匹配和绝对定向两个过程，其精度会直接影响整个数字测图过程和输出结果质量，本次使用Smart3D capture 软件进行空中三角测量、三维建模和DEM（数字高程模型，下同）、DOM 等主要成果输出。

影像匹配又称相对定向，利用同名光线对对相交的原理，自动提取足够的分布合理的同名像点，并计算该立体像对的相对方位元素的过程[3]。此次无人机影像匹配采用基于特征点的图像配准方法，先提取图像的特征信息（特征点），然后进行特征匹配，最后确定影像相对位置和姿态，同时解算出特征点及其他未知点的坐标，并形成独立的相对坐标系统，完成相对定向。

绝对定向是利用像控点将相对定向建立的相对坐标系转换为绝对坐标系的过程，处理中对8个像控点进行平差计算，建立绝对坐标系，后采用坐标系变换矩阵，通过如下七参数模型（数学方程组）对坐标系进行平移、旋转和尺度缩放，进而实现相对坐标系向绝对坐标系的转换，完成绝对定向。空中三角测量成果为点云数据，如图3所示。

式中：m为尺度变化参数；ΔX0、ΔY0、ΔZ0为平移变化参数；εz、εY、εX为旋转参数。

（2）三维建模。空中三角测量完成后，获得具有绝对坐标的密集点云数据。由于测区有房屋、桥梁、道路、水文设施和其他地物，无法直接获取DEM 数据。为此，先采用三维表面模型重建法，通过不规则三角网格模拟地物和地形表面，对点云数据进行三维建模，获取DSM（数字地表模型，下同）[4]；后将DSM数据导入3DReshaper 模型处理软件中，人工剔除房屋、桥梁道路、水文设施和其他地物，同时根据DSM模型进行高程数据内插，生成水文站周边山地区域等高线，从而获取水文站测验河段完整的DEM数据。

DOM 制作是以DSM成果为基础，对原始影像进行辐射校正、几何校正，把中心投影转换为垂直投影，并经过整体调色、镶嵌、裁切等步骤后对地面高程DSM 进行纹理映射，消除各种畸变和位移误差，最终得到具有包含地理信息的影像地图。大草坪水文站数字正射影像，如图4所示。

图4 大草坪水文站数字正射影像

3.3.3 测验河段平面图绘制

大草坪水文站测验河段平面图主要由包含多种地图要素的DLG（数字线划图，下同）和水文测站山区地形等高线（DEM）组成。山区等高线数据获取方法已经详细说明，下面重点介绍根据DOM 绘制DLG的方法。

测验河段平面图中DLG 是对DOM 中包含的地物要素进行矢量化处理，输出一种矢量化数据文件，其数据量小，便于分层，能快速生成包含多种信息的平面地图[5]。

本文使用南方CASS 软件进行DLG 绘制，首先在CASS 软件使用光栅图像工具插入DOM，人工对影像地图进行坐标校正，再利用影像地图将房屋、桥梁、道路等基本特征地物和河堤、水尺、水位自记井和站房等水文相关要素进行矢量化处理，得到DLG成果。将DLG 与DEM 两项成果数据同时导入CASS软件中可实现自动整合，最终获取完整的水文站测验河段平面图。

经统计，此次无人机内业数据处理时间约3 d、绘图时间约3 d，总耗时约6 d。在测图范围和测图精细程度等方面，无人机航测绘图较传统绘图手段均有较大提升，成图更具有实用性和参考价值，可以为测站运行管理提供有力支撑。无人机航测绘图与传统绘图对比，如图5所示。

图5 无人机航测绘图与传统绘图对比

3.4 精度检验

《1∶500 1∶1000 1∶2000 外业数字测图技术规程》（GB/T14912-2017）有关要求，详见表1—2。

表1 地物点平面位置精度m

将校核点与DEM 中对应的验证点进行比对，计算得到DEM 平面中误差：X 方向为0.041 m，Y 方向为0.045 m，均小于0.3 m；计算得到DEM高程中误差为0.131 m，小于0.17 m（1∶500 地形图的平地等高距0.5 m 的1/3）。由此可见，DEM 平面和高程中误差均满足标准中1∶500 比例尺要求，而大草坪水文站测验河段平面图比例尺为1∶500。

4 结语

本文以大草坪水文站为例，采用无人机倾斜摄影测量技术，提出测绘测验河段平面图的新方法。该方法可极大提升测量外业作业效率，提高测验河段平面图绘制的精细程度和范围，更好地为水文测站运行管理提供服务。但倾斜摄影测量技术在内业处理如涉及水面和复杂水工建筑物成图方面尚存在一定短板，下一步将通过控制约束和分区块处理等方式探索新的内业处理方法，继续升级完善该技术，以便使其进一步在水文行业中得到推广应用。