无人机倾斜摄影技术在大比例尺地形图测绘中的应用探讨

2022-09-01雷宇宏

科技创新与应用 2022年24期

雷宇宏，俞倩

（三和数码测绘地理信息技术有限公司，甘肃天水 741000）

随着无人机技术的发展和航空摄影测量技术的出现，采用航空摄影进行影像数据获取，利用影像进行空三加密，然后基于虚拟立体像对采集地形图成为了大比例尺地形图测绘的主要方法[1]。但是通过实际作业发现，采用垂直摄影，基于立体像对采集的地形图，其精度很难满足1∶500 地形图规范要求，因此不能作为1∶500 地形图生产的方案[2]。为了解决这一问题，笔者在分析了倾斜摄影测量技术后，提出利用倾斜摄影测量技术进行1∶500 地形图生产的作业方案。并通过外业实地采集的特征检测点对本文方案生产的地形图精度进行了检测，结果表明：按照本文方案生产的地形图，其精度可以满足1∶500 地形图精度要求，可以作为1∶500 地形图生产的方案进行推广，希望可以解决大比例尺地形图生产的痛点，为1∶500 地形图生产带来借鉴。

1 倾斜摄影技术概述

倾斜摄影是近几年来发展起来的一项测绘新技术，其是指在飞行器上搭载多镜头航摄仪，从空中对地面进行全方位、多角度影像数据获取的技术。首先利用无人机搭载多镜头非量测数码相机进行影像数据采集，然后利用专业的数据解算软件进行空三加密的解算和实景三维模型的生产，然后基于实景三维模型进行多类型测绘产品的制作。利用无人机倾斜摄影技术进行大比例尺地形图生产的作业流程如图1 所示。

图1 基于无人机倾斜摄影生产大比例尺地形图流程图

2 案例分析

本次案例来源于实际生产项目，为了减少外业工作量，缩短工作周期，在分析倾斜摄影技术后，提出采用倾斜摄影进行1∶500 地形图的生产。工作主要分为外业和内业两部分，具体的工作内容如下。

2.1 外业工作

外业工作主要包括测区勘察与已有资料收集、像控点喷涂与采集、航线规划和航空摄影4 部分。

2.1.1 测区勘察与已有资料收集

本次任务位于甘肃省天水市城区，需要对城区某一区域进行1∶500 地形图全要素测绘。测区位于繁华地段，车辆行人多，路况复杂，测区内最高建筑约为50 m，地势较为平坦。测区内有D 级控制点1 个，2020年0.2 m 分辨率正射影像成果。

2.1.2 像控点喷涂与采集

首先将0.2 m 正射影像和范围线导入到ArcGIS中，然后按照300 m 的间距，在正射影像上均匀布设像控点点位，在范围线拐角处和边缘需布设像控点，从而确保边缘成果的精度。布设完成后，将其导出为工作底图，用于外业进行像控点点位的快速查找。为了提高像控点内业转刺的精度，本次像控点点位全部采用红色油漆进行“L”形喷涂，喷涂的拐角要非常垂直，这样有利于内业进行准确转刺。利用GPS-RTK 进行像控点点位采集，首先对任务区内的D 级控制点进行采集，并和已有的点位进行对比，对仪器进行检核，确保参数输入误差，采集点位成果准确可用。在采集的时候，采集“L”的内拐角，并对每个点位进行3 次有效采集，有效采集是要求彼此之间交叉均小于1 cm，最后取平均值作为最终的采集成果。在采集完像控点成果后，在测区精度薄弱区域，随机均匀采集23 个平高特征检测点，用于后期对地形图成果精度进行检测。

2.1.3 航线规划

结合50 m 的高差，本次航线规划，按照东西方向，航向、旁向重叠均为85%，地面采样分辨率为3 cm，相对航高为120 m，共布设飞行架次21 个。本次测试选取其中1 个具有代表性的架次进行。具体的航线规划参数如图2 所示。

图2 航线参数规划

2.1.4 航空摄影

在无人机进行航空摄影作业前，先要进行航飞前各项指标检查，主要查看飞机各部件是否固定牢靠，相机是否可以正常曝光，POS 是否可以正常记录，内存卡读写是否正常，电池电量是否可以满足航飞要求等。在确保符合航飞要求前提下，进行无人机升空采集影像数据。在采集影像的过程中，要时刻关注地面站上飞机的飞行状况，确保飞行是可控的。如果发现无人机偏离航线，需采取必要措施，对无人机进行返航，确保不会发生安全事故。在无人机完成影像数据的采集后，按照规划好的航线进行降落，并第一时间对内存卡中的影像和POS 数据进行导出并保存。

2.2 内业工作

内业工作主要是对外业提供的成果进行预处理，并选择专业的建模软件进行工程的创建和数据的导入完善，然后进行空三加密和实景三维模型的重建，最后基于实景模型进行地形图的测绘。

2.2.1 数据预处理

数据预处理主要是对POS 数据进行解算，对影像质量进行提升。

（1）POS 数据解算。在倾斜摄影中，通常记录的是下视镜头的POS，然后用下视镜头的POS 代替侧视镜头的POS 进行数据解算，这样由于侧视镜头POS 精度不高，无法准确还原采集影像时的位置和姿态，容易导致解算失败。通过对航摄仪中安置的相机进行分析，结合平台安置参数，利用Matlab 软件进行编程，然后以下视镜头POS 为基准，对4 个侧视镜头POS 进行解算，使得影像和POS 可以一一对应。

（2）影像质量提升。5 个镜头获取的影像名字是相同的，因此首先需要对影像进行重命名。利用拖把更名器，对5 个镜头影像进行重命名，使得影像名和POS 名可以对应上，且是唯一的，不存在重名的。通过人机交互的方式对影像进行查看，影像质量整体较差，对比度不明显。为了后续成果的质量有保障，首先利用Photoshop 软件对其中1 幅影像进行匀光匀色和调整亮度处理，然后利用软件中的批处理功能，对所有影像按照同样的处理步骤进行匀光匀色和亮度调整的处理。

2.2.2 工程创建

工程创建主要的目的就是建立新工程，然后把POS 数据、影像和相机参数进行导入。首先通过文件夹的形式，对5 个镜头影像进行加载，然后将POS 数据进行导入，将检校的相机参数进行填写完善。在实际作业中，由于倾斜镜头检校成本高，因此多数情况下利用软件自检校完成，本次在作业时也利用自检校方式对相机参数进行优化。

2.2.3 空三加密与刺点平差

倾斜摄影数据解算中，空三解算通过率是很低的，主要原因是相机参数不够精确。为了解决这一问题，需要进行相机参数优化。首先选取连续的100 张影像，5个镜头共500 张影像，对这些影像进行空三加密解算，通过平差得到优化后的相机参数，然后将得到的参数导出，并引入到所有影像解算的工程中，这样有利于提高空三的解算成功率。本次参与运算的影像共15 435张，解算后未入网影像13 张，解算成果未分层，未弯曲，空三成果质量较好。将采集的像控点导入空三中，并对所有的像控点进行转刺。对于位于影像边缘部分的点位，本次不进行转刺，转刺完成后进行平差调整。平差完成后，查看平差报告，本次所有像控点的平面中误差为0.011 m，高程中误差为0.013 m，加密点重投影中误差为0.351 个像素，小于规范的2/3 个像素，平差精度符合要求，成果可用。

2.2.4 三维重建

结合集群电脑的配置，在建模时，采用规格格网平面划分的方式对瓦片进行划分，大小设置为100 m×100 m，这样内存约为15 G，小于集群电脑最低配置32 G 的1/2，这样可以确保在建模过程中，电脑内存不会溢出，保证建模顺利完成。在输出参数设置中，贴图质量选择100%，瓦片输出格式选择OSGB，输出坐标系统选择和像控点一致，其余参数默认，提交建模任务，开启所有集群电脑的引擎，快速完成三维模型的重建。

2.2.5 地形图测绘

本次地形图采集选用北京清华山维的EPS 软件，新建工程，选择1∶500 地形图数据库。首先对OSGB 格式的模型和元数据xml 进行加载，然后生成索引文件DSM，并将其加载到软件中，然后选择不同的图层命令，进行地形图的采集。在采集等高线时，利用高程点和水面淹没的方式，对等高线进行生成和采集。