無人機傾斜攝影測量在地形圖測繪的應用

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摘要：針對無人機垂直攝影生產大比例尺地形圖精度難以滿足規范要求的問題，本文提出利用無人機傾斜攝影建模技術生產實景三維模型數據，然后使用清華三維EPS軟件進行地形圖采集的作業流程。通過實例驗證，本文所提到的方法可以滿足1:500大比例尺地形圖精度要求，為地形圖生產提供了一種高效的辦法，具有一定的實用性。

關鍵詞：無人機傾斜攝影；攝影測量；實景三維模型；EPS軟件；

大比例尺地形圖傳統的1:500地形圖生產都是通過利用GPS-RTK外業實測完成的，這種作業方式具有效率低、風險高、工期長、費時費力、成本高等特點。隨著無人機技術的迅速發展和軟件算法的不斷優化，利用無人機掛載單鏡頭相機獲取影像，然后利用攝影測量軟件進行空中三角測量解算，導入像控點進行平差調整，將虛擬空三坐標成果轉為目標坐標系下的成果[1-3]。利用地形圖采集軟件，在虛擬環境下，通過恢復空三成果獲得立體像對，然后進行地形圖采集，這種作業方式較傳統的全外業方式，具有風險低、工期較短、省時節資的特點，可以滿足1:1000地形圖精度的要求，但是很難滿足1:500地形圖精度要求，且無人機相機均是采用非量測相機，影像畸變大，像幅小，效率也不高[4-6]。采集方式是基于立體像對采集，這種作業方式對作業員的技術水平要求高，也有一定的局限性。隨著無人機荷載能力的提升和傾斜攝影技術的出現，無人機傾斜攝影建模成為測繪產品生產的主流作業方式，傾斜攝影自動化生產的模型，具有真實、高精度的特點[7-9]。本文首先介紹了無人機傾斜攝影的原理和建模技術，然后以實際項目為例，對無人機的航線規劃、像控點布設以及采集、影像獲取進行了說明，對作業中主要用到的軟件進行了簡單介紹，重點講解了模型生產和地形圖采集，并通過外業實測檢測點，利用同精度檢測的方法對生產的地形圖精度進行了檢測，結果表明，精度可以滿足1:500的地形圖精度要求。這種作業方式，精度高、效率高、外業調繪工作少，風險低，是很實用的一種作業方式。

1無人機傾斜攝影技術介紹

1.1無人機傾斜攝影原理

無人機傾斜攝影測量是指在無人機飛行平臺上掛載多鏡頭相機，完成對地面多角度的數據采集任務。常見的有武漢大勢智慧掛載的搖擺兩鏡頭、陜西飛盟的掃擺九鏡頭以及賽爾、睿鉑等的固定五鏡頭，其中以五鏡頭最為常見。五鏡頭相機，包括一個下視相機，四個側視相機，下視相機主要從垂直角度采集地面影像，無法采集建構筑物側面信息，而四個側視鏡頭，分別從前、后、左、右四個角度對建構筑側面信息進行采集，彌補了不同角度采集影像的不足。

1.2無人機傾斜攝影建模技術

無人機傾斜攝影建模是指利用建模軟件，對獲取的影像數據進行自動化或半自動化處理，得到“一張皮”的實景三維模型。實景三維模型具有精度高、紋理真實、立體效果強、所見即所得的特點。常見的國外建模軟件有Bentley的ContextCapture，美國skyline公司的photomesh，俄羅斯的PhotoScan，國產的主要有上海瞰景科技的Smart3D2019，中測智繪的Mirauge3D等，本次實驗使用的是上海瞰景科技的Smart3D2019。

2基于傾斜攝影的大比例尺測圖流程

基于傾斜攝影的大比例尺測圖主要包括航線規劃、像控點噴繪與采集、數據獲取、空中三角測量、實景三維模型生產、地形圖采集、調繪與編輯、整理與提交，具體流程見圖1.

3實際項目驗證

3.1數據獲取

3.1.1任務區概括。任務區地形屬于山地，測區面積約1.5平方公里，測區范圍內，高差約150米，一到二層房屋面積約占測區的2/3，其余以地形為主，地形較裸露。3.1.2航線規劃。結合已有的無人機性能和測區地形，將任務區分為2個架次，旁向、航向重疊度均設置為80%，地面采樣分辨率設置為0.05米，并在規劃時將航線外擴2個航高，以確保測區邊緣模型完整，完成航線的布設并提交任務至無人機。3.1.3像控點測量。根據范圍線和地形，按照300米間距均勻布設像控點23個，并完成像控點的噴繪與坐標采集。為了對后續生產的地形圖精度進行檢測，在采集像控點的時候，在測區隨機均勻的采集了35個平高點作為檢測點，檢測點主要是房角點、道路交叉口等在地形圖上可以明顯反應出來的點位。3.1.4影像數據獲取在完成像控點的噴繪與采集后，對測區按照已有的航線進行影像拍照，完成2架次影像數據的采集。影像獲取完成后，查看影像質量，刪除試拍影像，共獲取有效影像15895張，整理POS數據，使POS和影像一一對應。

3.2軟件介紹

3.2.1Smart3D2019軟件Smart3D2019軟件是上海瞰景科技的一款自動化建模軟件，其具有空三成功率高、精度高、建模速度快、模型質量好等特點，并且在像控點轉刺環節，可以通過已刺點進行未刺點點位的實時計算，從而確保了轉刺點位更加準確。3.2.2清華三維EPS軟件EPS軟件數目前用戶較多的一款軟件，其主要模塊有三維測圖、管線入庫、立體測圖、房地一體等，本實驗使用了其中的三維測圖模塊，并在該軟件中，將檢測點導入并進行了精度的檢測。

3.3三維模型生產

對2架次影像進行預處理和重命名，確保所有照片無重名。對POS數據進行整理，新建工程，加載影像和導入POS數據。提交空三任務，完成空中三角測量任務的解算，將23個像控點導入并進行像控點點位轉刺。提交平差任務，利用像控點對空三進行平差調整，查看平差報告，像控點平面中誤差為0.005米，高程中誤差為0.003米。提交重建任務，選擇平面規則格網劃分方式，結合電腦內存大小，設置瓦片大小為150米，選擇OSGB格式模型，提交任務到任務等待區，完成實景三維模型的生產。

3.4大比例尺地形圖制作

將OSGB格式的三維實景模型恢復到EPS軟件中，利用EPS軟件中的三維采集功能，對模型進行數字線劃圖采集。采集房屋主要利用五點房命令，在采集完，并對房屋的屬性進行完善；采集高程直接基于模型上打點，對裸露地形，給出范圍線，設置高程點密度，進行高程點自動提取；采集平面位置可基于正射影像采集；采集等高線通過淹沒的方式進行。對有房檐的房屋，直接在EPS軟件中進行屋檐改正，較虛擬立體像對采集地形圖，大量減少了外業調繪工作。對于模型拉花導致無法精準采集的點位，可通過空三成果，進行立體像對采集，對于模型上無法辨別的地物以及獨立地物屬性，需通過外業補測與調繪，并對外業成果進行編輯，得到最終的地形圖成果，成果見圖2。圖2基于模型采集的地形圖4精度驗證采用同精度檢測的方式，利用35個平高檢測點對采集的地形圖成果進行精度檢測，檢測結果見表1，表中單位均為米，“X實測”是指外業實地采集的坐標，“X圖”是指地形圖上對應的坐標。通過檢測，得到35個檢測點的平面點位中誤差為0.235米，高程點位中誤差為0.267米，且35個點位中平面位置殘差最大為0.397米，高程殘差最大為0.454米，均未超過2倍中誤差0.6米和0.8米，說明采用此方法生產的地形圖完全可以滿足1:500地形圖精度要求。

結束語

本文在垂直攝影難以滿足大比例尺地形圖精度要求這個問題上，提出基于傾斜攝影建模采集地形圖，并以實際項目為例，對本文提出的作業方式進行驗證，得出本文作業方式完全可以滿足1:500大比例尺地形圖精度需求的結論。對于同行從業人員來說，可借鑒本文的作業方式來生產大比例尺地形圖，不但可以提高效率，而且可以減少外業工作量，具有一定的實用性和借鑒意義。

參考文獻

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作者：趙忠 單位：中國建筑材料工業地質勘查中心寧夏總隊