基于倾斜摄影的三维测图在地形图测绘中的应用

摘要： 无人机倾斜摄影裸眼立体测图技术以其全自动、高效率、高精度、高精细的特点目前广泛应用于1：500高精度大比例尺地形图测绘、不动产测量、农房一体测量、资源调查等领域，解决了常规测量成本高、周期长、效率低的技术难题，是测绘领域的一项新技术。本文从技术层面上探讨了基于无人机倾斜摄影三维测图技术在大比例尺测绘作业中的应用，对其作业流程及技术要点进行了总结。

关键词：无人机倾斜摄影;三维场景建模;三维测图;大比例尺测图

中图分类号：P231

采用传统的全站仪或GPS接收机测量方法时，普遍存在“观测死角”而无法直接进行测量，只能采取图解法获取坐标值和几何尺寸，势必影响成果精度。依托无人机倾斜摄影测量技术数据采集成本低、效率高、精度高，重建的三维模型现势性好等特点[1]，将无人机倾斜摄影测量三维建模技术应用于大比例尺地形图生产有着诸多优势，解决了传统测图过程中遇到的通视条件、人工难以获取区域和居民不配合等问题，减少了外业强度和工作量，极大提高了工作效率。

1  倾斜摄影技术

无人机摄影测量技术，通过在同一飞行平台上搭载多镜头相机，同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度采集影像，获取更为完整精确的地面地物信息[1]。同时还可获取到丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理，通过先进的定位、融合、建模等技术，生成真实的三维模型，真实地反映地物情况[2]，而内业可直接在倾斜实景三维数据上进行测量，实现了在高精度航空摄影的基础上，完成数字线划图等数字地图产品的快速生产。

2  无人机倾斜摄影技术要点

2.1  飞行设计

根据实际测区情况，来设置飞行参数，根据成果精度要求来设定飞行高度，计算航向和旁向距离，制定飞行计划。。

1）  航高确定

无人机倾斜摄影的飞行高度是航线设计的基础，实际作业中需根据地面分辨率（GSD）要求，结合倾斜相机的性能来确定航高。航高与地面分辨率关系如图1所示：

根据式（1）可计算摄影航高。

（1）

式（1）中：h—摄影航高，单位为米（m）;

f—镜头焦距，单位为毫米（mm）;（焦距：35.8242mm）

a—像元尺寸，单位为毫米（mm）;（像元大小：4.8μm）

GSD—地面分辨率，单位为米（m）。

2）  像片重叠率

低空数字航空摄影规范规定“航向重叠度一般应为 60% ～ 80%; 旁向重叠度一般应为 15% ～ 60%”。由于无人机的种类、飞行区域天气环境以及建筑物的高度、密度等因素都会对像片重叠度造成影响，同时又要保证模型的精度和细节，考虑飞行作业及内业数据处理的效率，在无人机倾斜摄影航线设计及实际作业过程中，需依实际情况根据地面分辨率和相对航高确定重叠度。一般情况下，确定航向重叠率为80%，旁向重叠率为75%。

3）  航线设计原则

在规划航线时，航线长度越长越好。频繁换航会导致飞机经常性的减速、转向，浪费时间与电量。所以，为了提高作业效率，降低作业成本，规划航线时应尽量以长航线为主。

航线一般按东西向平行于图廓线直线飞行，特定条件下亦可作南北向飞行或沿线路、河流等方向飞行，测区内建筑物密集区域，飞行主航线方向应按横切房屋复杂面。

4）  飞行计划原则

由于天气条件的制约，航摄飞行时间决定了影像的质量。在制定飞行计划时，要考虑天气的水平能见度、垂直能见度、气流的稳定性等因素，保证影像的清晰度，避免大面积阴影、云影、反光等现象。

2.2  摄影数据检查

飞行任务完成后，应及时对航摄作业的飞行质量以及所拍摄影像质量进行检查，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。

2.3控制点布设

1）像控点选点原则

①像控点位的布设，应坚持“角点布设，中间加密，均匀布设”的原则，设计像控点位。

②像控点应该选择航摄像片上影像清晰、目标明显的像点。

②实地选点时，也需考虑侧视相机是否会被遮挡。

④对于弧形地物、阴影、狭窄沟头、水系、高程急剧变化的斜坡、圆山顶、跟地面有明显高差的房角、围墙角等以及航摄后有可能变迁的地方，均不应当做选择目标。

2）像控点布设要求

①大面积布设像控点等长度分割布设，200m-300m布设一个。

②像控点的布设喷标宜设置为L型，RTK测量其外拐点，像控点标志物应与地表颜色形成鲜明对比，以提高刺点精度，保证成图精度。

③像控点喷标要大小合适且清晰可见，采用RTK测量是需要至少测量三遍，且中途需要断开RTK连接。

④在地形起伏落差较大的地方布设像控点，在均匀布设的前提下，考虑其地形起伏处高点、低点均布设像控点。

⑤在存在水域的地区因水面需要在水域四周额外增加控制点。

⑥像控点需选择较为尖锐的标志物，以提高内业精度。

⑦若工作人员选择地物特征点作为像控点，应选择较大地物，且提供现场照片2-4张，辅助内业人员寻找像控点。

2.4像控点测量

1）像控点GPS动态测量

采用CORS网测量的像控点，图根点点位应处于视野开阔，周围对空高大建筑物较少，目距离无线电发射源大于50m的地方。

为了保证像控点的观测精度，像控点观测时必须在内部附合坐标精度小于±3㎝以内时记录数据，并且每个像控点要独立观测五次，在平面与高程观测值校差均小于±5cm時取中数。

2）像控点静态测量

当遇到无法接收CORS网络信号、内部附合精度无法达到限差、或多次独立观测较差无法达到要求等情况时，像控点须采用静态GPS观测。

3  三维场景建模

三维建模包括数据预处理（POS解算整理、影像检查、影像调整）、相对定向、绝对定向、空中三角测量，3d模型重建[3]。三维场景建模流程如图2所示。

1）数据预处理

采用CC软件在进行数据处理之前，需要将获取的航摄影像数据、POS数据、像控测量数据进行预处理。影像预处理主要是进行格式转换、对比度调整、曝光调整、白平衡编辑、降噪等。同时需对对获取的相片数据进行整理，对相片数据名称进行更改，使之与POS数据一一对应，从而保证数据格式正确和资料完整。预处理后，将数据导入软件进行相应建模处理。

2）空三加密

空三加密是为了能够将无序的影像在空间中相互对齐并构建与真实状态下相接近的统一的空间模型，是以航空相片上量测的像点坐标为依据，采用严密的数学模型，按最小二乘法原理，以少量地面控制点为依据，快速求解影像的定向及地面点加密[4]。目前，采用无人机倾斜摄影测量时，内页通常采用光束法区域网联合平差的方法进行数据处理，将控制点坐标数据与像片的POS姿态数据作为外方位元素的初始值进行平差。

3）模型构建

模型构建包括密集点云生成、TIN模型构建和纹理自动映射。根据空中三角测量解算出的影像外方位元素，通过多视角密集点云匹配可获得高密度的数字点云。将点云数据分块后再进行不同层次细节度下的TIN模型构建[5]，并根据三角网所构成的曲度变化对TIN模型进行简化，将优化后的模型和纹理影像进行配准和贴图，同时为带纹理的模型建立多细节、多层次的LOD，经过处理后即可获得三维场景模型[6]。

4）模型优化

无人机倾斜摄影三维模型建立过程中，由于无人机姿态变化、大气环境、影像主控点落水等外业原因，会导致无人机倾斜影像的重叠度、几何畸变等问题，进而导致三维模型出现飞面、凸包、纹理不均、破洞，水面缺失等问题，造成视觉误差和应用障碍，因此需要在初始三维模型的基础上对其进行二次优化处理。

①几何修复可以对模型中的破洞、凸包等进行修补、抹平还原，同时筛除飞面碎步[7]。

②细节整理装饰可利用替换或者修补措施，对重要地物、标志物的问题处理。

③纹理修理则可通过替换、修补等措施，进行不均匀纹理处理。

4数据采集与编辑

在EPS软件平台三维测图环境下，加载导出的OSGB格式三维场景模型和正射影像数据，采用二三维联动一体化测图模式进行数据采集，地形要素矢量化在编辑操作在二三维窗口皆可自由切换，有效提高了数据采集效率。采集数据时应选择清晰度较高的特征点以及最佳视角，避免出现坐标飘逸情况。EPS环境中三维模型地形数据采集如图3所示：

在裸露地表或非林深树茂区域，通过EPS的地模处理模块，在实景三维模型的基础上，可通过自动提取高程点，结合地形地物的特征点和特征线，基于高程点生成不规则三角网或方格网，从而实现等高线的自动生成。EPS环境中三维模型地貌数据采集如图4所示：

对于不能通过模型判读的地物、由于地物存在严重遮挡造成三维模型局部变形而难以采集的地物以及部分地物的属性信息，通过外业調绘后再进行数据编辑整理。

5  结论

在大比例尺地形图生产过程中，采用基于无人机倾斜摄影的三维测图技术，技术路线可行，产品质量可控，具有数据处理自动化程度高、数据采集工作量小、数据生产效率高等特点，避免了传统测量外业工作强度大，干扰因素多的问题。同时，该技术可生产完成三维模型，正射影像、三维场景、数字线划图等丰富的数据成果，这些成果可广泛应用于自然资源调查、不动产测量、地质灾害应急保障、三维地籍管理、三维城市建设等领域，可产生较好的社会经济效益，具有广阔的应用前景和推广价值。

参考文献

[1]曹洪涛，高伟，张海峰，张亮，边延凯.无人机倾斜摄影分辨率建模与分析[J].地理空间信息，2019，17（01）：14-15+40+10.

[2]原喜屯，高鹏伟.基于倾斜摄影三维建模的不动产高效测绘[J].北京测绘，2018，32（10）：1138-1142.

[3]原明超，仇俊.无人机倾斜摄影测量在三维模型测图中的应用[J].测绘通报，2020（07）：116-119+142.

[4]邱春霞，董乾坤，刘明.倾斜影像的三维模型构建与模型优化[J].测绘通报，2017（05）：31-35.

[5]范攀峰，李露露.基于Smart3D的低空无人机倾斜摄影实景三维建模研究[J].测绘通报，2017（S2）：77-81.

[6]冯启翔.基于无人机倾斜摄影技术的三维实景建模技术研究[J].地理空间信息，2018，16（08）：34-37+7.

[7]马昭辉.无人机倾斜摄影实景三维建模分析与质量评价[J].中小企业管理与科技（中旬刊），2019（06）：135-136.

基金项目：无

作者简介：王天骄（2000—，男，北京建筑大学测绘与城市空间信息学院本科在读，主要研究遥感科学与技术。