基于无人机倾斜摄影技术的地形图测绘方法研究

肖永东

摘要：斜摄影测量技术作为一门快速发展的测绘技术，在高效作业的同时，成图精度也不断得到改善，为大比例尺地形图的测绘提供了一个有效的选择。本文通过实例对无人机倾斜摄影测量在大比例尺地形图测绘中的应用进行了框架上的论述，并通过必要的精度分析，验证了其应用的可靠性。

关键词：倾斜摄影测量；无人机；三维建模；大比例尺地形图

1、引言

作为一种体现地形具体空间分布的图件，地形图尤其是大比例尺地形图在国家安全、国民经济建设等方面发挥着重要作用。隨着空间数据获取方式的演进，虽然全站仪、RTK等数字化测图技术相较传统成图技术有了很大的效率提高，但是，其最本质的作业方式依然是工作人员必须到达现场，具有很大的应用局限性。近年来，基于航空摄影测量理论，侧重于小区域、大比例尺测绘技术的无人机倾斜摄影测量系统，以其模型生产速度快、精度高、机动性强、空域申请相对简单等众多优点，在地形图测绘领域快速得到大量应用。无人机倾斜摄影测量系统可以获取测区的真三维模型，直接在模型上进行空间信息的获取，全面提升地理信息获取的精度、广度和深度。

2、无人机倾斜摄影测量技术

倾斜摄影技术是近年来测绘领域快速发展起来的一项新技术，倾斜摄影测量主要从垂直和倾斜共五个不同方向对影像数据进行采集，在摄像的同时记录航速、航向、航高、纵向重叠和旁向重叠等空中姿态信息，在获取影像数据后，利用倾斜摄影测量软件系统对倾斜影像、POS数据和地面控制点数据进行内业处理并获得测区的数字表面模型。作为一套完整的空间数据获取系统，包括了无人飞行平台系统、飞行导航与控制系统、任务设备、数据传输系统、地面监控系统、综合保障系统等六大部分。在数据处理上，常见的倾斜摄影测量软件包括ContextCapture、PhotoScan、Pix4Dmapper及Smart3D等。

3、倾斜摄影测量技术测图流程

基于无人机倾斜摄影测量技术的大比例尺地形图测绘工作主要包括：

3.1 基础资料准备

包括对测区的基本地形条件进行熟悉，获取测区的相关资料，如可用的老地形图，控制点数据等，根据测区地形高差情况进行航线设计，工作时间安排；所采用无人机型号选择，无人机功能性检测，摄像机参数获取等。

3.2 像控点布设

像控点在测区的分布状况、数量及精度是影响倾斜摄影测量结果精度的主要影响因素，在野外布点方面，一般选择特征明显、易于识别、容易到达且不易被破坏的点位，有时辅以人工制作特征点位。目前在实际应用中，多是使用区域网布点的方法，即像控点沿着区域网四周按一定跨度布设平高控制点，内部再布设若干排高程点，其布设密度应严格按照《低空数字航空摄影测量外业规范》来安排。

3.3 无人机航空摄影

在基础工作完成之后，即可实施野外摄影。在摄影时，应根据测区大小、方向、测区高差及摄影比例尺、航向重叠度（70%-80%）、旁向重叠度（60%-70%）等要求进行航线设计，必要时要进行分区。在实际摄影采集时，多用五镜头摄像头，其中一个正摄，其余四个倾斜，但考虑到成本原因，有时也采用单镜头相机的方法进行拍摄，只是这种拍摄方法需要通过不断调整角度，持续飞行3-5个架次才能满足要求。

3.4 内业三维建模

外业摄影作业完成后，需要及时将数据导出转入内业处理，内容包括：

（1）数据检查：主要检查航摄作业的飞行质量以及所拍摄影像质量，如实际影像重叠度、像片倾角和旋角、航线弯曲度，摄取覆盖范围、影像的清晰度、像点位移等。如果检查内容不满足内业规范和作业任务要求，则应根据实际情况重新拟定飞行计划对局部区域补飞或重飞。

（2）空三加密：目前在无人机倾斜摄影测量内业数据处理过程中，通常采用光束法区域网联合平差的方法，也称联合平差。联合平差的基本原理是对运用两种不同观测手段得到的数据进行平差，将控制点坐标数据和像片的POS姿态数据作为外方位元素的初始值进行联合平差。

（3）实景三维模型建立：基于原始影像及空三成果，即可使用Pix4Dmapper等内业处理软件生成三维模型及派生数据，包括DOM、DSM（含DEM）、数字点云等数据。

3.5 内业数据采集

实景三维模型生产完成后，应使用像控点和检查点对模型精度进行检查。模型精度符合相关规范要求后，采用相关数据采集平台，如清华山维EPS三维测图等进行地形数据采集，作业模式采用先内后外的模式生产。其主要作业流程如图：

4、实例及精度分析

以曲靖市麒麟区某片区1：500倾斜摄影测量为例，测区大小3KM2，形状基本规则，东西走向。采用华测P550六旋翼无人机搭载五镜头一次性数据采集方案。因地势相对平缓，且测区面积适中，故只分出一个测区。测区共布设像控点27个，检查点64个，共获取像片约5000张。内业建模采用了 Context Capture平台。建模完成后，采用EPS三维测图软件平台进行了内业数据采集与编辑处理，最后成图。期间，因少量地区植被茂盛，进行了必要的外业补测。

为验证测绘成果的平面位置精度及高程精度，在本项目实例中，共选取了206个地物特征点，用RTK实测了其平面坐标及高程，并将测量结果与图上相应位置的坐标值进行比较，并用中误差计算公式计算地物点的中误差，通过剔除少量几个粗差，最终计算所得平面中误差为±0.05m，高程中误差为±0.09m，完全满足1：500地形图精度要求。

5、结论

无人机倾斜摄影测量方法因其快速便捷、效率及精度高、数据全面且干扰因素少等有点，为大比例尺地形图测绘提供了一个更加有效的手段，可以预见，在今后的测绘领域中，将会被大规模使用。但同时，也因其平台稳定性、作业范围与数据量等原因，限制了其在国家基础测绘等大面积作业项目的推广应用，且对数据处理计算机硬软件有了更高的要求。在实际项目中，应该要根据自身的条件选择最合适的测绘方法。

参考文献

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（作者单位：云南能源职业技术学院）