倾斜航空摄影在大比例尺地形图测量中的应用

2024-04-24后剑秋

大科技 2024年16期

后剑秋

（长沙市规划勘测设计研究院，湖南长沙 410000）

0 引言

在大比例尺地形图测量中，可以利用搭载传感器的无人机，以倾斜航空摄影的方式，获取地表及附着物的多视角纹理信息，并借助倾斜航空摄影模式下的先进的自控飞行技术、三维模型生成等技术，生成实景三维模型，由此得到更加详尽、精准的地形图测量结果，为后续的地形图绘制提供依据。为此，应积极探索倾斜航空摄影的应用，以不断总结相关的应用经验，充分发挥倾斜航空摄影在地形图测绘上的效能。

1 倾斜航空摄影概述

倾斜航空摄影是一种新型的航空摄影方式。这种航空摄影方式通过在无人机上设置或搭载传感器，可以实现四个侧视角度、一个垂直角度的多角度地物影像信息采集，而这种多角度的地物影像采集模式相较于传统仅支持正射影像采集的竖直航空摄影方式，能够更加完整、精准获取地形图数据测量结果，因此，倾斜航空摄影在大比例尺地形图测量中具有更加明显的应用优势，可以为地形图的测绘提供更具体、准确的地物的外观和形态信息。

就目前来看，倾斜航空摄影系统通常包括无人机、专业航飞人员和传感器等。其中，传感器由多镜头相机、GPS 定位装置和姿态定位系统等部分组成。多镜头相机的拍摄方向为左右、前后、下方共5 个方向，且支持同时进行5 个方向的拍摄，与此同时，在实际飞行中，各个相机还可以根据对应的曝光点坐标进行自动曝光拍摄，因此，倾斜航空摄影模式支持一次性完成几十平方公里范围内地形模型、建筑构筑物的获取，极大地提高了建模效率，而且建模质量较高，纹理真实性强。此外，倾斜航空摄影还能获得正射影像和数字高程模型，方便后续的正射纠正与立体测图等处理工作[1]。结合之前做过的项目，对倾斜摄影所得1:500 地形图上的特征同名点，进行外业实测检测，再经过平面精度统计（图1）、高程精度统计（图2），分析得出，应用倾斜摄影测量技术所得出的测量结果精度，能够满足1:500 地形图绘制所需的精度要求。

图1 平面精度统计

图2 高程精度统计

2 倾斜航空摄影在大比例尺地形图测量中应用的流程

在大比例尺地形图测量中，首先，需要充分收集所测区域的信息资料，如坐标系统、控制点成果、高程基准参数等，然后根据这些参数，制定出航空摄影无人机飞行路线方案，并借此确定地面分辨率、传感器搭载方案、飞行高度、拍摄间隔等参数条件，同时还要办理好相关的空域申请手续[2]。其次，需根据上述方案，进行测区像控点布设，再用搭载了传感器的无人机，进行倾斜航空摄影，以实现从多个不同角度进行待测地区的地形数据采集[3]。再次，将通过倾斜航空摄影获取到的地形数据，导入专业的软件中，然后软件即可通过对数据的密集匹配，完成高密度真彩色点云的产出，再利用阐述的点云，建立TIN 三角网，由此产出高精度、高分辨率的数字表面模型。之后，再对该模型采取滤波处理操作，同时融合差异性的匹配单元，构建出最终的实景三维模型。最后，基于该模型进行大比例尺地形图测量，并采用补测的方法，对测量结果进行简单的补充，即可完成地形图测量，为后续的地形图绘制提供依据，如图3所示。

图3 倾斜航空摄影在大比例尺地形图测量中应用的流程

3 倾斜航空摄影在大比例尺地形图测量中的应用策略

3.1 做好前期准备

在倾斜航空摄影应用中，前期准备是第一项程序。该程序中主要包括设备选用、测绘区域信息收集、飞行范围确定、像控点布设等操作。在前期准备中，常用的无人机有两种，即垂直起降固定翼无人机、单镜头多旋翼无人机。其中，垂直起降固定翼无人机一般是搭载五拼装相机，垂直起降固定翼无人机技术参数如表1 所示，五拼装相机技术参数如表2 所示，其的主要优势在于，相较于传统固定翼的无人机，其无须手抛、弹射，就能够直接借助4 个旋翼进行垂直起降，规避了硬着陆、起飞事故等因素损坏设备的问题，而且其的配套软件支持笔记本安装使用，并可以在倾斜摄影过程中，通过地面电台，保持数据链连接[4]。

表1 垂直起降固定翼无人机技术参数

表2 五拼装相机技术参数

而单镜头多旋翼无人机自带云台相机，单镜头多旋翼无人机参数如表3 所示，此种无人机支持-90°～30°的镜头仰俯，以及对同一区域的多架次、多角度拍摄，同时还可以直接用专业的飞控软件对其进行控制。在此过程中，只需要在软件中选好航高、航向、旁向重叠度，软件即可自动设置拍照间隔、航线间距、飞行时间等参数[5]。

表3 单镜头多旋翼无人机参数

在准备工作中，首先，需要根据大比例尺地形图测量工作的实际条件进行上述两种无人机的选用。其次，再结合地形图绘制要求，根据当地的大致地形状态，界定测量范围，以及无人机飞行范围，再立足于此，进行布设像控点。一般来说，布设像控点需要在配套的软件中进行，并按照一定距离，进行像控点的均匀布设。在像控点的选择过程中，需要根据测绘像控点布设的距离要求，尽量选择空旷、交通便利的区域布设像控点，同时也要确保像控点所在地平整、无阴影、无遮挡、方便查找，避免设置在房角、树下等容易遮挡的地方。最后，待像控点布设完毕后，即可前往现场，寻找标志性的地面特征，或制作地标，作为像控点位置的标志，再使用GNSS-RTK 按照图根点精度进行像控点的测量。之后，即可通过将测图范围、像控点参数输入飞控软件中，得出航线规划方案，完成前期准备，为后续的倾斜摄影应用提供依据。但在上述过程中，需要注意，需做好航测分区，并确保各个分区内的地形高差在1/4 相对行高以内，而且应尽量将地貌类型相同、地物景反差一致的区域划分为同一个分区，同时，也要做好架次的选择，并根据实际测绘需求，以及当地地形、条件情况，进行架次的设置。

3.2 落实外业航摄

倾斜航空摄影的应用中，待上述前期准备工作完毕后，即可进行外业航摄。在此环节中，需要运用无人机配套的飞控软件，按照规划好的航线对无人机的航摄进行控制。但应注意，为了更好地控制无人机的飞行方向，需要确保无人机迎风起飞，并在起飞时根据风向调整方向，而且在起飞同时要对飞行时间进行记录，以监控无人机的飞行时长，以便于在其电量耗尽之前，加以召回。一般来说，在前期遥控飞行的模式下，需每隔5～10s 记录飞行高度、速度等数据，以及时调整无人机的运行状态，保持其平稳飞行。待无人机状态良好、确认无问题后，即可调整至自动控制的模式，但需要注意，当无人机在视距外飞行时，需要密切监视其的飞行高度、电源电压、发动机转速等运行参数，一旦出现异常，应立即发送控制指令进行干预，以免其故障，造成损失。

待无人机完成倾斜航空摄影任务之后，即可做好无人机降落准备。在此过程中，需根据风向、风速等实际情况，在合适的时间点，将自动飞行模式调整为遥控飞行模式，以控制无人机顺利落地。无人机落地后，需要从无人机中影像存储卡取出，然后对存储卡中的数据进行摄影精度核准，同时，还要对无人机的油量、电量、机载设备进行检查，以及时发现和处理使用过程中产生的损耗故障，确保无人机后续的正常应用。

3.3 推进摄影精度核准

摄影精度核准是倾斜航空摄影应用中的关键环节。工作者需要借此确认此次倾斜摄影操作所获得的数据信息是否能够支持地形图测绘应用，并筛除不满足精度要求的数据信息内容，以确保地形图测量结果的准确、有效。

在摄影精度核准过程中，考虑到倾斜摄影的成果数据是数字三维模型，而该模型作为倾斜摄影模式下的地形图测量结果，其需要服务于大比例尺地形图的绘制，因此，需要确保倾斜摄影所获取的数据信息精度，优于大比例尺地形图测绘精度要求。基于此，精度核准一般立足于两个维度，即平面精度、高程精度，而这两个维度对应的衡量标准分别为平面位置中误差、高程中误差。其中，在平面中误差的计算中，首先，提取数字三维模型中的平面检查点坐标数据，以及平面检查点实测坐标。其次，将两个坐标进行较差运算。最后，用中误差公式，对上述较差结果进行运算，得到中误差。而在高程中误差的计算中，也需要运用三维模型中的检查点高程，以及检查点实测高程进行较差运算，再用中误差公式计算得出中误差。当检查点数量在20 个以内时，上述两个中误差计算公式如下：

式中：M——中误差；n——检查点数量；Δi——较差值。

当检查点数量超过20 个时，上述两个中误差计算用的中误差计算公式如下：

式中：M——中误差；n——检查点数量；Δi——较差值。

3.4 根据需求进行补测

在倾斜航空摄影的应用中，经常会出现对一些地物的漏测，而出现这一情况的主要原因在于，部分地物较为细小，如钢丝铁网、路灯、电线杆等，但拍摄时的影像分辨率较低，无法支持细小地物的测量。对此，就需要根据实际情况进行补测。在此过程中，考虑到倾斜航空摄影所得到的影像，经过建模纹理映射处理后，所生成的DOM 在分辨率方面会比原始影像更低，所以，在补测过程中，可以先查看原始影像，并用原始影像得出补测结果，以提高倾斜航空摄影成果的完整性。在补测时，可以考虑采用传统的垂直摄影测量方式，对倾斜航空摄影的垂直方向影像进行处理，再采用立体测图的方式，完成补测。

此外，在补测过程中，针对因高程打点被植被覆盖造成的漏测，可以考虑重新进行打点，将打点位置转移到植被覆盖的空隙处，再进行倾斜航空摄影补测即可。但如果植被分布密集、覆盖范围较大，找不到合适的空隙处，则可统一在植被顶部打点，再将这些点的测绘结果减去植被的高度即可。但如果植被覆盖密集，同时仅有局部地区被覆盖，那么则可以考虑对被覆盖地区进行专门的测量，再将测量结果与整体倾斜航空摄影结果进行结合，由此得出漏测部分的数据。不过应注意，如果被大面积高度不一致的稠密植被所覆盖，就无法通过上述倾斜航空摄影的方法进行补测，则需要进行实测，来补充地形图绘制所需的测量结果，以支持大比例尺地形图测量工作的有效推进。