无人机倾斜摄影测量在广州白云区某镇大比例尺测图中的应用实践

阮水聪

（广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510060）

1 引言

传统大比例尺测图多采用外业调绘与人工内业成图的方式进行，具有精度高、要素信息精准等优势，但存在测图成本高、效率低等问题，不适于大范围测图工作[1]。近年来无人机倾斜摄影技术的发展使得快速、高效、精准的大范围大比例尺测图成为现实[2]。无人机倾斜摄影测量技术能够实现超低空、多视角作业，获取测区范围内近地、多视角高分辨率遥感数据，不仅能够体现测区真实的地形、地貌情况，还能获取测区目标物更为丰富的纹理信息，进而构建实景三维模型[3]。以构建的实景三维模型为数据基底，可实现测区地物、地形、地貌的提取分析，最终绘制地形图。

本文以广州市白云区某镇为例，结合实地调研、地形分析、规范要求等，从航线布设、控制点选取测量、控制点约束空三加密、实景三维模型构建等流程，探讨无人机倾斜摄影测量技术在大比例尺测图中的应用。基于无人机倾斜摄影测量技术开展地形图测绘，可有效减少外业调绘工作，具有测图效率高、节约项目成本、灵活机动等优势，按照要素提取、属性赋值等测图要求，结合内业人机交互测图，可确保要素完整、精确，在大比例尺测图中具有较高的推广应用价值。

2 无人机倾斜摄影大比例尺测图流程

利用无人机倾斜摄影测量技术获取测区影像数据，主要任务有数据获取处理、三维模型创建、内业数字化成图、外业补测、精度检查、成果提交等，具体作业流程如图1 所示。

图1 具体作业流程

2.1 无人机航摄流程

2.1.1 航线任务规划

无人机航摄前需规划好航线、计算出相对航高、根据测区大小及高差判断是否需要分区、设置好影像的航向和旁向重叠度等。

2.1.2 像控点布设与影像获取

像控点是用有限的地面控制点计算影像模型外方位元素，然后用空中三角测量计算其余地面点坐标。像控点应选在航线重叠区域，以及易判读、不易破坏移动、具有明显特征、方便内业判读区域。每个像控点共采集四组观测数据，根据像控点采集规范要求，四组观测值平面差小于2cm，高程较差小于3cm，将四组观测数据平均值作为像控点最终成果数据。影像获取应选在天气良好的时段，为保证作业时侧视镜头能完整覆盖测区边界，航线布设时，航向、旁向覆盖应至少超出航摄分区边界一个相对航高的距离。

2.2 三维模型建立

三维模型构建需对外业采集的高分多视角影像数据、像控点数据进行联合处理，采用Inpho 等专业软件构建三维模型，三维模型构建流程如图2 所示。

图2 实景三维构建作业流程

三维模型构建的步骤主要有：（ 1 ）空三加密。基于少量实测野外控制点，对航摄影像进行控制点加密处理，实现多视角影像的定向。（ 2 ）影像密集点匹配。通过计算机解算生成高密度三维点云信息，对影像数据进行密集匹配。（ 3 ）三维倾斜模型构建。从影像中抽取特征点形成密集点云组合为海量三角TIN，再经优化构建出目标物白膜，将同时期获取的像片纹理信息映射到相应白膜上，构建实景三维模型，得到符合真实色彩视觉的三维模型[4]。三维模型数据包含3 种信息，分别是真实影像纹理、不规则三角网、高密度点云。

2.3 内业测图

将三维模型数据导入生产平台，对模型进行矢量化，采集地物、地貌等目标信息，并结合影像、真实场景对地物、地貌进行判读，获取目标物属性信息。完成内业数据采集后，对因数据遮挡等导致信息丢失、属性无法判读的，需外业实地调绘，确保数据完整性。

3 项目实践

以广州市白云区某镇为测区，测区地势平坦，建筑物分布集中，且建筑高低有一定差异性，植被分布较少，航飞空域良好，在数据获取方面优势明显。测区最大地形差约为46m，面积约36km2，航摄地面分辨率为5cm，根据任务书要求施测1∶1000 地形图。

3.1 测区数据采集

3.1.1 航空摄影测量仪器设备

采用CW30 垂直起降无人机搭载飞思IXU-RS1000相机获取5cm 分辨率倾斜影像，满足1∶1000 比例尺测图，无人机数据处理采用Inpho、EPS 三维测图系统等设备。航摄平台的主要技术参数如表1 所示。

表1 航摄平台技术参数

3.1.2 测区控制点布设

无人机倾斜摄影测量技术在数据获取时，受飞行平台飞行高度、搭载传感器性能等限制，所获取航空影像数据幅宽较小，为满足后期处理需求要确保一定的重叠度，这就导致影像数量较多。为保证后期纠正精度，需根据测区范围、地形地貌，布设地面像控点，作为后期影像纠正的控制资料。利用地面像控点与影像物点的对应关系，计算出相机的外方位元素，联合相机内方位元素，实现倾斜摄影三维模型数据几何校正，完成空中三角测量。

采用GNSS RTK 技术获取像控点精确坐标，像控点布设细节如图3（a）所示。航飞任务开始前需确认仪器正常运行，并记录航线高度、飞行速度、单架次飞行航程等信息，确认完毕后升空作业。本次实验结合测区地形、地物特征，将飞行高度设置为65m，航向重叠设置为75%，旁向重叠设置为70%，地面分辨率为5cm[5]，部分影像概略如图3（b）所示。

图3 像控点布设细节及部分概略影像

3.2 实景三维建模

3.2.1 三维模型构建

三维模型构建主要采用瓦片技术，根据数据情况合理分配瓦片数量、大小，最大瓦片纹理不超过100 Mpixels。基于空三加密结果，从影像中抽取特征点形成密集点云，组合为海量三角TIN，再经优化构建出目标物白膜，将同时期获取的像片纹理信息映射到相应白膜上，得到符合真实色彩视觉的三维模型[4]，纹理映射成果如图4 所示。

图4 纹理映射成果

3.2.2 三维实景数字化测图

将制成的三维模型导入地形图生产平台，基于倾斜模型数据获取各要素三维特征点、线及相关空间属性信息。采用清华山维EPS 专业测图软件进行数字化采集，该软件可将OSGB 模型数据转换为DSM，加载入三维测图系统，完成参数设置后，经人机交互实现点、线、面等要素的采集、编辑，并按照相关测图规范要求赋予属性信息[4-5]。为保证测图成果的准确性，内业完成数据采集后，对部分无法确定属性信息及受遮挡区域进行外业实测、补测，保证测图成果符合项目需求及相关规范要求。部分线划图成果如图5 所示。

图5 数字线划图（部分）

4 精度分析

基于实景三维模型的数字化成图不仅要保证要素完整、属性信息准确，还要确保测图成果精确。完成数字化信息采集后，对测图成果进行精度分析，保证测图精度满足相关规范要求。首先利用CORS 测量获取图根点，再利用全站仪在图根点上架站，后视定向后采集建筑物角点、道路特征点的平面坐标。为了对测图成果进行精度验证，对此次生产的DLG 数据分批次采集检查点，并与外业实测点位进行对比分析，计算平面中误差与高程误差，精度检查结果如表3 所示。

表3 精度检查（单位：m）

5 结语

本研究通过实地调研、地形分析、相关规范查询等，制定了无人机倾斜摄影大比例尺测图的整体技术流程，并以广州市白云区某镇为测区，采用无人机飞行平台搭载飞思IXU-RS1000 相机，获取测区全域5cm 分辨率倾斜影像，通过内业专业处理软件构建测区实景三维模型，并基于实景三维模型制作数字线划图。 通过外业补测、实地调绘方式验证了测图成果的准确性，实验成果满足国家1∶1000 大比例尺测图要求。与传统人工外业实测方式相比，无人机倾斜摄影测量技术具有高效、便捷的数据获取与内业成果快速、高精度的数字化能力，提高了测图效率、降低了项目成本，为大比例尺测图提供了一种新方法，具有一定的推广应用价值。