无人机倾斜摄影技术在大比例尺测图中的应用.pdf

6月0引言传统的大比例尺测图多采用外业调绘与人工内业成图的方式进行，具有精度高、要素信息精准等优势，但测图成本高、效率低等劣势的存在，已不适于大范围的测图工作1。随着科学技术发展，测绘技术装备也得到快速发展。无人机倾斜摄影技术的发展使得快速、高效、精准的大范围大比例尺测图成为现实2。无人机倾斜摄影技术能够从多视角获取测区近地高分辨率遥感数据进行三维建模，不仅能够展现测区范围内的真实地形、地貌信息，还能包含测区地物的空间信息。利用多视角航摄影像基于三维建模技术建立实景三维模型，进行三维模型立体测量，已应用于大比例尺测图中。本文基于项目实情，结合实地调研、地形分析、规范分析等，从航线布设、控制点选取测量、控制点约束空三加密技术以及实景三维模型构建等技术，探讨无人机倾斜摄影测量技术在大比例尺测图中的应用。该方案可有效减少外业调绘工作，具有测图效率高、节约项目成本、灵活机动等诸多优势，且能结合内业人机交互测图保证要素提取、属性赋值等测图工作要求，保证测图要素完整、精确，在大比例尺测图中具有相当的推广应用价值。1无人机倾斜摄影技术1.1无人机倾斜摄影系统构成无人机倾斜摄影系统主要由飞行平台、飞控系统、数据传输系统，以及影像获取传感器四大部分构成。飞行平台主要指各结构类型不同载荷的无人机机体，其任务是搭载飞控、数据获取传感器以及数据传输系统。飞控系统主要任务是实现无人机飞行平台的控制以及任务规划管理，由机载自主控制系统与地面控制系统两部分组成。地面控制系统由专业人员进行控制，保证无人机飞行平台平稳安全地发射与回收。飞行平台达到指定高度后，由机载飞控系统进行控制摘要：传统大比例尺测图多采用外业实测调绘与内业人工成图的方式，数据采集周期长、人工成本高。为节约成本，提升测图效率，结合实际项目，从航线规划、控制点布设以及实景三维建模等关键技术出发，制定了无人机倾斜摄影大比例尺测图的总体技术流程，并完成精度分析，探究无人机倾斜摄影测量技术在大比例尺测图中的可行性。关键词：大比例尺测图；倾斜摄影；实景三维中图分类号:P231文献标识码:A文章编号：2095-7319（2023）03-0041-04The application of drone tilt photography technology in large scale mappingLI Peng(Gansu Provincial Institute of Surveying and Mapping Engineering,Lanzhou 730000,China)Abstract:Traditional large-scale mapping often adopts the methods of field measurement and manual mapping in the field,resultingin long data collection cycles and high labor costs.In order to save costs and improve mapping efficiency,in combination withpractical projects,the overall technical process of unmanned aerial vehicle tilt photography large-scale mapping has been developedstarting from key technologies such as route planning,control point layout,and real-time 3D modeling.The completion of itsaccuracy analysis explores the feasibility of unmanned aerial vehicle tilt photogrammetry technology in large-scale mapping.Key words:large-scale mapping;oblique photography;realistic 3D无人机倾斜摄影技术在大比例尺测图中的应用李鹏（甘肃省测绘工程院，甘肃 兰州 730000）收稿日期：2023-02-20作者简介：李鹏（1986），男，甘肃张掖人，本科，工程师，主要从事测地图制图等工作。E-mail：李鹏：无人机倾斜摄影技术在大比例尺测图中的应用41经纬天地Survey World2023年第3期No.32023自主驾驶。飞行任务中，人工控制与自主控制可实现自由切换。数据传输系统、影像获取传感器则主要完成数据的获取与传输。本文采用 CW30 垂直起降型无人机搭载飞思 IXU-180 R 相机进行 5 cm 分辨率倾斜影像获取，可满足 1 1000比例尺测图。飞行平台与航摄平台的主要技术参数如表 1、表 2 所示。1.2无人机倾斜摄影原理无人机倾斜摄影测量技术可从飞行平台搭载的传感器系统获取目标各个方位的表面纹理、三维信息，且获取记录航飞的航高、航速、航向、旁向重叠等各项飞行参数信息。通过影像匹配算法计算获取影像的特征点，并对拥有同一个特征点的三张或者三张以上的照片影像，进行空三加密处理，以优化照片影像的位置信息3-4。当空三加密符合相关精度要求后，对优化后的照片进行逐像素匹配计算，生产密集点云数据，再将点云数据构建三角网，形成一个初步的三维模型后，进行平滑处理，得到最终的三维模型。最后，将对应的照片纹理信息映射到三维模型中，即可生成最终的实景三维模型成果。1.3无人机倾斜摄影优势无人机具有低空作业、时效性高、空间分辨率高、运行成本低等优势。以无人机为飞行平台搭载多镜头可获取高清立体影像数据，完成三维地理信息模型构建，有助于实现测绘行业对地理信息数据快速获取的需求。无人机倾斜摄影技术主要优势在于：（1）可完成低空飞行，从多视角共同分析观测目标，在一定程度上能有效规避地物遮挡的影响，可以更详尽地反映地物的真实情况；（2）无人机倾斜摄影测量相较于传统的测图模式，减少了外业调绘的工作，节约了人力、物力以及成本，将外业工作转换到内业，极大地提高了作业效率，降低了外业劳动强度；（3）无人机影像时空分辨率高，精度准确，操作简单方便；（4）由于无人机为低空作业，除大风、降雨等恶劣天气外，基本能够排除云层等干扰；（5）无人机操作携带方便，能快速响应突发情况，为用户提供丰富的地理信息，为应急事件的处置提供辅助决策支持。2在大比例尺地形图测绘中的应用本文通过无人机倾斜摄影平台获取某地区主城区的影像数据，测区范围内地势平坦，建筑物分布集中，且建筑高低具有一定的差异性，植被分布较少，航飞空域良好，具有良好的数据获取优势。本次研究主要任务分为资料获取与处理、航空摄影、创建三维实景模型成果、内业数字化成图、外业调绘补测、精度检查、成果提交，具体作业流程如图 1 所示。2.1无人机航空摄影测量关键技术2.1.1测区控制点布设无人机飞行平台受飞行高度、搭载相机等限制，无人机倾斜摄影获取的影像的像幅小、像片数量多，根据摄区的面积大小、地形地貌，为方便后期对像片进行纠正处理，需根据测区面积、地形地貌等完成像控点的布设。可先在高分遥感影像上进行点位预选，后进行实地调研考察进行像控点标靶布设以及点位的精确测量。本文采用 GNSS RTK 技术获取像控点精确坐标信息，像控点布设细节如图 2 所示。序号12345678910名称翼展机长最大起飞重量任务载荷起降方式理论升限正常巡航速度续航时间动力系统材质技术参数4 m2.2 m34 kg3 kg垂直起降6000 m100/h3 h电动机/汽油发动机复合材料序号1234567名称传感器相机焦距传感器类型有效像素数传感器尺寸辅助设备兼容操作系统技术参数飞思IXU-180 R40 mm/50 mmCCD8000万53.7 mm40.4 mm二轴稳定云台Windows98/98SE/ME/2000/XP图 1具体作业流程表 2航摄平台技术参数表 1飞行平台技术参数表426月航飞工作进行前，应确认仪器正常运行并记录相关参数，如航线高度、飞行速度、单架次飞行航程等航线相关信息，确认完毕后可升空作业。本次实验航飞，结合研究区地形、地物特征，将飞行高度设置在 65 m，为保证影像图之间的重叠度，航飞航向重叠设置为 75%，旁向重叠设置为70%，地面分辨率为 5 cm5，部分影像概略图如图 3 所示。2.2实景三维建模2.2.1控制点约束下的空三加密处理空三加密技术基于少量的实测野外控制点，对航摄影像进行控制点加密处理，基于现有的数学模型、算法求取加密点空间位置信息，加密控制点可为实测控制点未覆盖的地区进行测图提供绝对定向信息，是倾斜摄影测量中完成实景三维建模的关键步骤3-5。空三加密技术主要分为相对定向、模型连接、平差解算和绝对定向等步骤。相对定向是为恢复立体像对的相互关系，恢复相对影像相对位置，建立几何模型，进而计算获取模型定向参数。相对定向后，为保证各模型具有统一坐标系，需通过模型建立连接点匹配，导入实测像控点保证影像的绝对定位。绝对定向是对无人机航空影像进行空中三角测量的重要环节，目的是建立像片间的相对位置关系以及确定绝对空间位置信息。同时，将测区影像以及测区控制点数据导入到 ContextCapture 建模系统中，进行控制点约束，成果如图 4 所示。2.2.2影像密集点匹配为精确获取研究区内地形、地貌以及目标物的详细信息，保证模型结构完整性以及空间位置的准确性，需对采集的影像进行高精度的影像密集点匹配，获取大量的特征点密集点云数据，再经过滤波处理，以获取高精度三维点云4，结果如图 5 所示。2.2.3三维模型构建三维模型构建主要采用瓦片技术，根据数据情况合理分配瓦片数量、大小，保证效率，但要保证最大瓦片纹理不超过100 Mpixels。基于空三加密结果，从影像中抽取特征点形成密集点云组合为海量三角 TIN，再经优化构建出目标物白模，同时将同时期获取的像片的纹理信息映射到相应的白模上，构建实景三维模型，得到符合真实色彩视觉的三维模型4，如图 6 所示。图 2像控点布设细节图图 3部分影像概略图图 4控制点约束下空三加密示意图图 5密集点云（a）TIN 白模（b）实景三维模型图 6纹理映射成果李鹏：无人机倾斜摄影技术在大比例尺测图中的应用43经纬天地Survey World2023年第3期No.320232.2.4三维实景数字化测图完成测区三维模型构建后，本研究采用清华山维的 EPS专业测图软件进行数字化采集，实现研究区实景三维模型的数字化。EPS 测图系统可将 OSGB 模型数据转换为 DSM 进而加载入 EPS 三维测图系统中，对参数设置完成后，经人机交互实现点、线、面等要素的采集、编辑工作，并按照相关测图规范要求赋予属性信息6-7。内业完成数据采集后，为精确成图，保证测图成果的准确性，对部分无法确定属性信息以及受遮挡区域进行外业实测、补测，保证成果符合项目需求以及满足技术规范，绘制测区部分线划图如图 7 所示。3精度分析基于实景三维的数字化成图不仅要保证要素的完整性、属性信息的准确性，同时要保证地形图测图成果的精确性。在完成数字化信息采集后，对测图成果进行精度分析是地形图制作中的必要环节，以保证地形图测图精度满足国家级相关规范要求。测图精度验证主要从平面精度与高程精度两方面进行，误差计算式如式（1）所示：X=Xji-XdiY=Yji-YdiZ=Zji-Zdi（1）式中：X、Y、Z为 X、Y、Z 方向的误差；（Xji、Yji、Zji）为控制点实测坐标；（Xdi、Ydi、Zdi）为内业采集点坐标。为对本文实验测图成果进行精度验证，对此次生产的DLG 数据，采集 10 个检查点，与外业实测点位进行对比分析计算平面误差与高程误差，精度检查结果如表 3 所示。4结语本文通过实地调研、地形分析、相关规范查询等制定无人机倾斜摄影大比例尺测图的整体技术流程，以某市城区为测区，采用 CW30 垂直起降型无人机搭载飞思 IXU-180 R相机进行 5 cm 分辨率倾斜影像获取，构建测区内实景三维模型，并在三维模型基础上制作数字线划图。通过外业检查，进行精度评定，确定成果满足国家 1 1000 大比例尺测图要求。同时无人机倾斜摄影三维测图技术能够高效获取测区影像，完成测区实景三维建模，并内业成图，具有高精度、高效率、机动灵活的特点，相对于传统的人工外业实测提供了一种全新的测图理念与方法，具有一定的应用推广价值。参考文献:1沈建波,黄薏,吕晓芳.无人机倾斜摄影在大比例尺测图中的应用研究J.山西建筑,2018,44(35):2.2林洪,周伶杰,王继琮.无人机倾斜摄影技术在大比例尺测图中的应用J.中国金属通报,2021(11):118-119.3陈宙翔,叶咸,张文波,等.基于无人机倾斜摄影的强震区公路高位危岩崩塌形成机制及稳定性评价J.地震工程学报,2019,41(1):257-267,270.4项翩.无人机倾斜摄影测量技术在农村不动产确权登记中的应用J.测绘与空间地理信息,2023,46(1):5.5王虎,吕伟才,苏晓刚,等.消费级无人机倾斜摄影大比例尺测图技术J.合肥工业大学学报(自然科学版),2020,43(4):507-511.6陈兆斌.无人机倾斜摄影测量不同像控点密度对地籍图成果精度的影响J.科技创新与生产力,2023(2):3.7巨迪雯,何龙,韩俊扬,等.基于倾斜摄影测量技术构建三维模型J.电子技术与软件工程,2018(5):198-199.图 7数字线划图（局部）点号12345678910均值X0.0760.035-0.054-0.024-0.06-0.032-0.0060.0570.045-0.0260.009Y0.0490.0530.010.0530.048-0.0020.0310.0510.034-0.0560.020H0.0730.0640.034-0.030.008-0.067-0.0960.0520.032-0.0250.025表 3精度检查结果单位：m44