倾斜摄影测量技术在大比例尺地形图测绘中的应用

2022-11-16黄金鑫

科技与创新 2022年7期

黄金鑫

（中国公路工程咨询集团有限公司（武汉）建设分公司，湖北武汉 430000）

地图在多种领域中均有重要的作用，精准无误的地图也是从业者们所追求的。地图除了最基本的能够显示地形之外，也要根据各行各业的特殊需求进行车道、植被、农田、房屋等信息的采集。地图的测绘工作从过去的地面测量，到之后的空中测量，再到最近兴起的无人机测量，测量技术在不断进步，所提供的地图也从过去仅显示部分地形发展到现在的全信息收集。倾斜摄影测量技术的出现，能够为大比例尺地图绘制赋予新的能量。

1 传统地图测绘与倾斜摄影技术

地图的历史可以追溯到人类文明发展起源，地图的作用也从过去的领土意识变成了现在的信息辅助工具。最为传统的地图测量方式为地面测量，采用的具体方法通常为坐标系测量法。坐标系测量法目前仍在小区域范围内的地图绘制中进行应用，它的简要操作是在绘制区域内选取一点作为坐标原点，然后根据要求的精度进行坐标系的分割，例如将1 m作为单位，则该地图的精度就为1 m。将拟定好的1 m标准在坐标系原点开始向远处进行划线，将测量区域分割成若干个1 m×1 m的方格，然后记录每个方格内的地理信息数据，例如地形有无房屋等。在测量区域的边界处也能够清楚地看到在哪个1 m的格子位置终止，然后将上述收集到的所有信息在地形图中表述出来，即得到了精度为1 m的地图。这样收集地图的方式原理简单、容易理解，且无需任何后续的数据处理，若需要更高精度的地图，则需要将最小单位分割成更小的长度。

在中国航空领域技术逐渐发展成熟之后，空中测量地图也成为了主流技术。相比于地面测量，空中测量能够更快更迅速地测量较大区域的地形以及其他信息。它的原理通常与地面测量类似，同样采取建立坐标原点，分割最小单位的方式。但在航空技术逐渐发展成熟之时GPS技术也在同步发展，此时已经无需实际标出测量区域，在缩略图上模拟标出测量线，只需通过计算机处理技术，将GPS坐标数据直接引入测量区域即可。这种方法的好处是多个测量区域也能够叠加为一张地图，因为采用的均为GPS坐标且原点是固定的，无论多少个地图的测绘均可以整合在同一数据之中。采用此种方法进行的地图测量，适用于省份地图、国家地图或更大区域的海域地图制作等。

近些年来，无人机技术逐渐发展成熟，民用无人机也成为了很多航空爱好者的必备设备。无人机属于小型航天器，通常采用电池作为能源来源，无人机的导航方式采用数据网络和GPS的方式，再利用GPS导航信号的同时通常也与无人机使用者的手持终端进行持续通信。大部分无人机均内置GPS导航网络，利用现有卫星数据进行位置确定。无人机还能够搭载其他设备如摄像头，利用无人机进行摄影的技术也逐渐成熟和普及。

倾斜摄影指的就是无人机在空中摄影的过程中，对斜向的影像进行取景，在高度固定的前提下，即使无人机不到目标区域，也可通过倾斜摄影的方式对目标区域进行取景。由于多种因素影响，在倾斜摄影取景的过程中，可能会造成采集的图像失真，近些年来经过技术探究和人工智能的引入，对于如何通过倾斜摄影技术采集到高精度图像，也有了较为成熟的操作模式和标准。

倾斜摄影技术与地图测绘相结合也在此时出现，顾名思义，就是将无人机倾斜摄影技术与地图测绘相融合，使用无人机代替人工作业。下面将简要说明倾斜摄影技术在地图测绘中的应用。

2 倾斜摄影技术地图测绘应用

2.1 概况勘察

在测绘工作开始之前，要对测绘的区域进行简要勘察，主要勘察其地势地形、有无危险源、有无军事区等不适宜测量的区域。勘察要采取实地勘查的模式，尽量减少对网络资料和陈旧资料的应用，力求准确真实，便于制定相关的测绘方案。使用无人机进行地图测绘的过程中，需要有数据网络和GPS信号的支持，也要注意勘察测绘区域是否满足该条件。测绘的过程中会进行图像采集，无人机图像采集范围较大，要确定在测绘区域内是否有不适宜拍照的场景，如监狱、军事管控区以及其他实验基地等。在勘查过程中，也要注意有无操作平台及无人机的起落点和相关人员的聚集点。如果测绘区域是远离市区的位置，还应注意生活区的建立，保障相关工作人员的后勤。在做好勘查工作并制定完备的方案，确定可以采用无人机测绘之后，才可进入下一步工作[1]。

2.2 无人机准备

首先是对使用的无人机进行全面了解，主要了解无人机的导航方式、续航能力、最大遥控高度和数据传输距离等。在无人机正式执行任务之前，要进行简单的测试。主要测试其最大续航能力、最大巡航高度和数据传输能力等，以避免在正式工作中出现失误。在进入现场之后，还要重新测试无人机的通信能力和导航能力。对于无人机的易损件，需要在每次工作之前和之后进行检查，保障其不带病工作，确保安全的同时能够保证工作效率和数据传输的稳定性。在携带无人机进入工作区域后，应及时确定工作区域的充电位置，以保障无人机在工作中的能源补充。

2.3 巡航点和像控点选取

巡航点的设置主要针对无人机而言，除了传统意义上的巡航点之外，还需要设置起飞降落点和备降点。无人机具备自动导航功能，在相关手持终端上设置好巡航路线之后，无人机会自动按该路线执行飞行任务，并进行指定位置的图像采集。正常情况下，无人机接到指令后，会从当前位置起飞，然后到达第一个任务点后执行飞行任务，而后再去第二个巡航点执行任务，以此类推。当无人机结束了最后一个巡航点的任务之后会返回最初的起飞位置。

巡航点所连接成的线即为无人机执行任务的飞行路线，在进行飞行路线的规划时，最需注意的就是无人机的续航能力，是否能够满足任务的要求，对于往返的路程也要给无人机留出预备的能源空间，以应对其他突发情况。在进行续航能力测试时，也要注意其携带的设备是否会影响续航能力。除了正常的起飞降落点之外，还要给无人机设置备降点，当能源突然减少或出现其他情况不足以支撑无人机飞到起飞降落点的时候应采取备降的形式，防止无人机失联造成损失。

巡航点的选择应注意和测绘工作的区域一致，如果遇到难以测量的位置可采取低空辅助测量或其他形式辅助测量，不能因为几个巡航位置的改变而舍弃或更改整条线路。对于备降点，要充分进行勘察，当无人机触发备降动作时，其已经失去控制，备降动作通常是以最高高度飞行到指定坐标位置，然后垂直缓慢下降。这就要求选取的背景不能被障碍物遮挡，并且该点的信号强度要大，确保能够被无人机精准识别。

像控点是针对测绘而言的基础点，在选择和设立的过程中，也有诸多注意事项。像控点能够对无人机当前的坐标信息进行矫正，也是对数据采集可信度的反向验证。选择像控点应注意，该点的位置精确并且没有被遮挡，能够被无人机直接检测到。像控点也需设置多个，其间距不能够超过无人机最大续航里程的1/2，这样能够保证每次无人机执行任务时，均能够至少经过1个像控点。

2.4 数据采集与整理

数据采集是整个地图测绘工作当中的重点，若前期工作做好，在数据采集过程中所进行的工作就会变得简单。在数据采集的过程中，首先要将整体工作分解为若干个小的航线。在每个航行线路设置对应的巡航点，巡航点设置规则应遵循上文中所说的注意事项。在进行飞行工作之前，还要对无人机进行全面检查，然后就可以开始执行测量和采集工作了。通常无人机能够全自动完成测量和采集工作，在设置好巡航路径之后可将无人机设置为自动模式，这样无人机在对应的点会进行图像采集，所有的采集工作完成之后，即会飞回到最初的起飞点或飞行到备降点。

在工作区域选取和设立的过程中，应当注意所有的测区至少经过2次测量，这样能够保证测量的准确性，且要保证所有的航线并不是完全重合的，以便从多个角度获取同一个点的数据，这样能在提高准确率的同时，也能为后期数据整理提供验算和参考的价值。在数据采集的工作中，应建立数据采集台账，每个测量点应至少对应2次测量。而后可以通过台账的方式去查验有无漏测的情况。

无人机飞行经过的点仅仅通过了测量区域，而是否对测量区域进行了有效的数据采集，还需要进行后期的整理工作确认。可对照无人机的飞行记录和采集数据台账进行图像筛选和对照。对于未采集到有效图像或采集到的图像不符合规定的点，应进行记录。对于图像漏采集的部分，应分析原因，探究无人机在该点是否因技术因素或设备影响造成了图像漏采。对于拍摄不清晰或无法体现有效信息的部位，应考虑是否从其他角度重新设置拍摄点[2]。

2.5 补测

在数据采集、测量和资料整理工作完成之后，应对照工作成果，整理出需要重新测量的区域，然后进行补测工作。补测工作通常在测量工作整理之后立即进行，以便数据采集的连续性。在补测时也应注意，所有的补测点至少经过2次的测量，且与正式测量工作中的相邻点也要进行重新测量。重新测量的目的，一方面是验证补测数据的准确性，另一方面也是对误差的纠正，防止因中间数据测量失误而对相邻数据产生的不利影响。

补测工作通常是测量工作的最后环节。所以在补测工作进行之后，应及时检查整理所有的补测点是否补充到了有效合理的数据，且应及时验证其准确性。对于大部分测量工作而言，在进行补测工作之后即撤出外业场地。所以一定要保证数据的准确性，防止将来还需重新返回场地，造成时间的损失和成本的增加。

2.6 内业整理、数据纠错

在拿到所有的测量点数据之后，就可以进行内业资料的整理了。内业整理过程中应注意分辨正式数据与废弃数据的标记，对于废弃数据及时舍弃，相关资料及时删除，防止后续工作或其他交接过程中误将错误数据整理进来。在进行倾斜摄影照片校正的过程中，应结合拍摄角度、拍摄时间、拍摄高度等多种参数，采取合适的校正工具和因子，保证倾斜摄影图像的还原。内业资料整理的过程中，同样要进行数据的验算工作，对于突然变化的坐标点或GPS信号极弱的位置，则考虑数据不可信，应采取其他正面或侧面的方式对该数据点进行验证，若发现误差较大，也应按废弃数据舍弃。在资料整理的过程中，还要注意目标工作的需求，对于需求数据可同步进行整理。

2.7 地图绘制

数据整理完成后，即可进行地图的测绘工作，与传统地图测绘工作类似，数据来源通过无人机倾斜摄影技术进行采集，因此数据处理与地图资料生成在本文中不做过多赘述。在进行地图数据生成时，应注意当地相关标准和国家地图规范，对于无人机采集到的不利于公开的数据，应在地图整理的过程中省略或舍弃，防止因工作失误造成其他不利影响。

3 倾斜摄影技术测绘优缺点简析

3.1 操作便利、效率高

在传统测量工作中，无论是地面测量还是空中测量，均需要人的参与，但采用无人机倾斜摄影测绘技术，除了无人机操控人员之外，在外业工作过程中并不需要人的长时间参与，且测绘过程由无人机全自动完成，可由技术人员操控，多个无人机同时进行采集作业工作，这个过程是能够节约很大的人力成本的。

与过去空中测量不同的是，无人机属于民用飞行设备，不需要提前报备申请，也不会影响到民航线路或军事层面。同一技术人员可同时操控多架无人机，不同无人机可设置不同的巡航高度，且无人机本身的体积较小，因此在起飞和降落的过程中对天气和环境因素几乎没有要求，大大提高了效率[3]。

3.2 术业专攻、内外业分离

采用无人机倾斜摄影测绘技术能够做到内业工作与外业工作的分离，进行外业工作的技术人员无需知晓地图测绘相关知识，将无人机按预设流程起飞，并完成地图测绘工作过程中的摄影作业即可。通过5G与互联网技术，能够做到无人机采集与内业技术人员实时数据交互。在进行采集作业的过程中，外业技术人员可听从内业技术人员的相关指导，准确无误地完成测绘作业，而无需像传统测绘技术一样，测绘人员须同时具备测绘知识和内业整理能力。

3.3 操作简单、失误率小

当前倾斜摄影技术已经发展成熟，对于倾斜摄影所采集到的图像资料矫正也有了很便捷的操作流程。通过规范化操作，能够将倾斜摄影中采集到的图像精准还原，相比于传统人工测量精准度有着极大的提升。无人机倾斜摄影测绘技术也没有特别复杂的操作流程，将前期工作准备好之后，只需按预设路线放飞无人机即可，无人机可根据预设好的线路进行图像采集，并通过当前高度和角度实时对采集到的图像进行矫正完成传输，其余均可交由内业技术人员进行资料整理和筛选。