无人机倾斜摄影测量技术在大比例尺地形图测量中的应用

无人机倾斜摄影测量技术在大比例尺地形图测量中的应用

郑安武,胡光

武汉中测晟图遥感技术有限公司湖北省武汉市430000

摘要：长期以来，大比例尺地形图的测量工作主要采用人工野外作业模式，使用RTK或全站仪进行全野外作业，这种作业方式存在外业劳动强度大、作业周期长以及成本高的问题。无人机倾斜摄影测量技术是近年发展起来的一项高新测绘技术，它通过在无人机上搭载多镜头相机和定位装置，使无人机在飞行过程中可以从垂直、侧视等多个视角同时采集地物影像及其空间位置信息；通过对这些影像数据进行处理，从而建立直接裸眼可视的三维模型，在模型上进行全方位数据采集，如地形、地物及其属性信息等，再结合少量的外业调绘和修补测，可以快速完成大比例尺地形图的绘制，大大提高了工作效率，缩短了生产周期。基于此，本篇文章对无人机倾斜摄影测量技术在大比例尺地形图测量中的应用进行研究，以供参考。

关键词：无人机倾斜摄影测量实景三维模型 大比例尺地形图测量 立体测图调绘与补测

引言

随着社会经济的进步，大比例尺地形图需求升级，传统的工程测绘方式实施难度高，存在准确率低的棘手问题，并且绘图周期长，测量的成本高。为了有效解决这些问题，无人机倾斜摄影测量技术从此产生。这种新的测绘技术极大地减少了由于天气造成的工作延期，降低了外业人工成本，减小了外业劳动强度，极大提高了工作效率。

1无人机倾斜摄影测量的支撑技术

在利用无人机完成任务区域的倾斜摄影工作后，需及时处理摄影获取的数据，将相关数据成果导入软件系统，通过构建三角网模型自动创建立体模型，确保地形测量的时效性。通过研究发现，无人机倾斜摄影测量较特殊，不同于其他摄影测量技术，其中多视影像的密集匹配和联合平差时主要的关键制程技术。

多视影像不仅包含垂直摄影数据，还包括倾斜摄影数据，传统空中三角测量技术无法较好地处理倾斜摄影数据，因此，多视影像联合平差充分考虑影像间的几何变形和遮挡关系，结合多视影像的外方位元素，采取由粗到精的金字塔匹配策略在每级影像上进行自由网光束法平差，得到较好的同名点匹配结果。同时建立连接点和连接线、控制点坐标、GPS/IMU辅助数据的多视影像自检校区域网平差的误差方程，通过联合解算，确保平差结果的精度。

多视影像密集匹配技术能有效解决不同视角影像同名点的密集匹配问题，在一定程度上不仅能够获得高精度、高密度的密集匹配点云数据，还能为三维模型的顺利建立奠定良好的基础。

2无人机倾斜摄影测量的实现过程

2.1测量准备工作

为达到理想测量效果，在应用无人机辅助测量之前，需对测量设备的指标进行预先调试，以保障测量数据可靠及精确。完成上述步骤后，才能执行倾斜摄影，获取清晰的影像，为后期成功构建三维模型提供有力的保障。基于此，想要提升测量质量，发挥无人机倾斜摄影测量的优势，需做好以下两点工作：第一，要设法提高影像曝光点的测量精准度；第二，结合实际测量需求，布设适当数量的控制点，保障测量成果的精确度。根据现实工作经验，如果需对房屋密集区开展倾斜摄影测量，每隔150m需设置基本的控制点，如果房屋相对稀疏，可以每隔300m设置控制点，借助这样的方式，为后续的测量精度提供保障。图1为无人机倾斜摄影测量的实现流程图。

图1无人机倾斜摄影测量的技术流程

2.2无人机倾斜摄影

考虑到任务区域地形特征和无人机续航能力,将任务测区划分为多个航摄分区。以东西向航线布设为例，东西向相邻航摄分区之间至少重叠3-5条基线,相邻南北分区之间的间隙不应超过航线旁向间隔的1.2倍。如果测量区边缘有房屋等高层建筑,航线应外扩一个相对航高的距离进行布设；边缘如无高层建筑,航线无需外扩布设。航线规划完成后，可以相应地整体调整航线位置,以保证边缘处影像覆盖完整。以某个任务测区为例，其航摄分区如图2所示。

图2 航摄分区示意图

2.3像片控制点布设与测量

根据项目任务的需求，采用区域布点的方式在测区布设像控点。像控点布设需选择地面明显地物拐点，其周边没有房屋、树木等遮挡，能在影像上清晰判读以及利于点坐标的外业测量。常用的像控点有道路交通标志的拐点、地面铺装材料纹理或材质变化的交点，也可选用房屋的房角点。

2.4空三加密

空三加密是三维模型建模的关键环节之一,为了提高模型的空间位置精度水平,需要将像控点刺在影像的对应位置,每个像控点至少要能刺到4张影像上。通常采用ContextCapture软件进行影像的空三加密处理。根据航摄分区划分空三加密分区，可以将多个面积小的航摄分区合并成一个加密分区，也可以将一个大的航摄分区划分为多个加密分区，主要取决于用于空三加密解算的电脑性能以及测区地形地貌。各个空三加密分区的加密成果以及各分区间的接边误差应满足项目的精度要求。空三加密分区如图3所示。

图3 空三加密分区示意图

2.5三维建模

三维建模软件利用空三加密模型中自动匹配的加密点形成的点云数据构建三角格网,在三角格网的基础上进行模型纹理映射等步骤,最后形成测区的实景三维模型。如图4所示。

图4 三维模型示意图

2.6三维立体测图

将三维模型成果导入三维测图软件中进行全要素内业采集，包括居民地、交通、水系、植被、地貌、主机和高程等。采用三维模型采集能够基本达到真三维的效果，可以对建筑的楼层、材质等属性信息进行内业判读。多数建筑能直接采集外墙体，无需外业调绘进行房檐改正，节省了外业工作量。对于因地物遮挡、阴影等原因无法内业采集的要素应做好标记，后期进行外业调绘和补测。

2.7外业调绘和补测

在内业测图时无法准确判读要素的属性，需要通过外业调绘的手段来确定地物属性的准确性和完整性；并对内业采集时因遮挡等原因无法采集的要素以及实际调绘时发生变更的要素进行外业补测，主要通过RTK测量的方式。

2.8数据编辑成图

通过整合内业采集数据、外业调绘成果及修补测数据在编图软件中进行要素的图形、属性编辑，最终形成数字地形图成果。

3无人机倾斜摄影测量在大比例尺地形图测绘的应用特点

（1）三维模型是对现实场景的模拟重建，相对于传统的采集方式，能够对地物进行多视角测量，减少植被以及高层建筑间的遮挡带来的采集问题；另外对于部分地物属性能够通过模型进行内业判读（如房屋材质和层数、道路材质和车道数等）；三维模型采集可以通过直接采集建筑物墙体的方法进行房檐改正，无须外业调绘。

（2）三维模型测量时通过软件平台来显示立体模型，不需要测量人员佩戴立体眼镜进行作业，一方面降低了内业作业人员的技术要求，另一方面也减轻了作业人员的工作强度。

（3）利用三维模型采集能够在地物采集、房檐改正、部件测量以及属性判读等方面达到真三维的效果，一定程度上减少了外业调绘的工作量，提高了工作效率，降低了外业作业成本。

结束语

综上所述，在社会经济牵引下，大比例尺地形图的应用更加广泛，技术标准越来越高。为了提高大比例尺地形测量工作效率，同时保障测量数据精度，可在传统测量技术模块中，增加无人机倾斜摄影，借助该技术，提高大比例尺地形测量的时效性。目前，城市地形测量行业正向着数字化迈进，无人机倾斜摄影技术融合其中，可推动传统测量技术升级。无人机倾斜摄影测量技术相较于传统测量技术具有作业效率高，投入成本更低、精度和时效性更强的特点，与此同时应用范围广泛，适用性强，具有良好的应用优势。在今后的应用中，需持续优化无人机倾斜摄影技术，加大该技术研究力度，将其全面应用到大比例尺地形图测量中，借此推进测量行业的健康发展，为后续工作夯实基础。

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