無人機(jī)傾斜攝影測量在大比例尺地形圖測繪中的應(yīng)用

摘要：無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用能夠有效應(yīng)對各種復(fù)雜的外業(yè)測量狀況，通過靈活機(jī)動地控制無人機(jī)進(jìn)行航拍，可全面獲取目標(biāo)測區(qū)的影像信息，且在內(nèi)業(yè)工作中也是依靠各類軟件和三維建模技術(shù)來完成圖像處理和地形圖繪制等工作，無須占用大量的人力資源。鑒于此，在對無人機(jī)傾斜攝影測量的應(yīng)用優(yōu)勢進(jìn)行分析后，就無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在大比例尺地形圖測繪中的關(guān)鍵流程和應(yīng)用要點(diǎn)展開研究，以期加大對該項測繪技術(shù)的推廣應(yīng)用范圍。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)傾斜攝影測量大比例尺地形圖測繪

中圖分類號：P27

ApplicationofUAVObliquePhotogrammetryinLargeScaleTopographicMapping

XIONGYangkun

PingxiangLandandSpaceSurveyandPlanningInstitute，Pingxiang，JiangxiProvince，337000China

Abstract：TheapplicationofUnmannedAerialVehicle（UAV）ObliquePhotogrammetrytechnologycaneffectivelycopewith variouscomplexfieldmeasurementsituations.ByflexiblycontrollingUAVsforaerialphotography，comprehensiveimageinformationofthetargetsurveyareacanbeobtained.Inaddition，italsoreliesonvarioussoftwareand3Dmodelingtechniquestocompleteimageprocessingandtopographicmapdrawingworkintheworkplace，withoutoccupyingalargeamountofhumanresources.Inviewofthis，afteranalyzingtheapplicationadvantagesofUAVObliqueThotogrammetry，thekeyprocessesandapplicationpointsofUAVObliquePhotogrammetrytechnologyinlarge-scaletopographicmapsurveyingandmappingarestudied，inordertoincreasethepopularizationandapplicationrangeofthissurveyingandmappingtechnology.

KeyWords：UAV;ObliquePhotogrammetry;Largescale;Topographicmapping

無人機(jī)攝影測量技術(shù)中融合了多種現(xiàn)代化測量技術(shù)，且借助高效的圖像處理技術(shù)能夠更加準(zhǔn)確地還原目標(biāo)測區(qū)的地物特征，使得地形圖測繪結(jié)果更加可靠，提升地形圖信息的適用度，為多種土地資源管理和利用等工作提供有效的信息參考。目前，無人機(jī)航測技術(shù)已經(jīng)逐步被應(yīng)用于城市建設(shè)規(guī)劃、自然資源調(diào)查和礦山測繪等領(lǐng)域中，技術(shù)應(yīng)用效果十分顯著。為能進(jìn)一步發(fā)揮無人機(jī)航測技術(shù)的應(yīng)用價值，仍需不斷總結(jié)技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

1無人機(jī)傾斜攝影測量的應(yīng)用優(yōu)勢

1.1成本投入低，經(jīng)濟(jì)效益顯著

無人機(jī)航拍測繪中的人工投入和設(shè)備投入較小，相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，相同測繪區(qū)域和測繪條件下，人工測繪技術(shù)的成本是無人機(jī)航拍測繪成本的10倍左右，且人工測繪的效率偏低，一些陡峭山崖和涉險區(qū)域并不可達(dá)，還會對測繪數(shù)據(jù)的完整性帶來一定影響。無人機(jī)測繪設(shè)備的采購成本雖然偏高，但支持反復(fù)使用，且維修養(yǎng)護(hù)得當(dāng)?shù)那闆r下全壽命周期也較長，為野外測繪工作帶來了極大的便利。與早期人工測繪技術(shù)相比，無人機(jī)測繪的經(jīng)濟(jì)效益十分明顯[1]。

1.2測繪效率高，縮短地形圖測繪周期

無人機(jī)測繪中可以根據(jù)測區(qū)范圍和地形特點(diǎn)對航拍路線進(jìn)行科學(xué)設(shè)計，并綜合多方因素對測繪點(diǎn)位進(jìn)行合理優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)航行高度、方向和路線的合理控制，使得無人機(jī)能夠通過調(diào)整方向和高度獲取更加全面的圖像信息，也在很大程度上節(jié)約了測繪時間。在無人機(jī)航測技術(shù)的支持下，往往能夠在短時間內(nèi)獲取全面的影像信息，后期經(jīng)過軟件和三維建模處理后，可以生成質(zhì)量可靠的地形圖，有效縮短了地形圖測繪的周期。

1.3靈活機(jī)動，測繪結(jié)果可靠

采取無人機(jī)航測技術(shù)時可以有效應(yīng)對各種復(fù)雜的測繪條件，對于人工測繪中面臨的地勢問題和地質(zhì)問題可以采取靈活機(jī)動的測繪手段輕松化解，保障獲取影像信息的全面性。其中的多旋翼無人機(jī)可以隨時隨地開展航拍任務(wù)，靈活作業(yè)能力較強(qiáng)，且可在航拍的同時將測得的數(shù)據(jù)信息及時回傳，相關(guān)人員及時檢查影像信息質(zhì)量，如出現(xiàn)不合理的影像信息則可控制多旋翼無人機(jī)進(jìn)行及時補(bǔ)拍，在較為復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境下，可能會影響航拍效果，可暫停拍攝，并標(biāo)記好坐標(biāo)，當(dāng)作業(yè)環(huán)境穩(wěn)定后繼續(xù)完成航拍作業(yè)即可[2]。

2無人機(jī)攝影測量的關(guān)鍵流程和應(yīng)用要點(diǎn)

2.1無人機(jī)傾斜攝影測量的關(guān)鍵流程

2.1.1合理規(guī)劃航拍路線

在實(shí)際開展地形圖測繪工作之前，先要根據(jù)地形圖測繪的范圍和基本要求對航拍的線路進(jìn)行合理設(shè)計，既要保障航拍畫面的全面性，也要避免多次返航，提高航拍作業(yè)率。進(jìn)行航拍路線設(shè)計時，主要考慮因素包括無人機(jī)的飛行高度、航線重疊率和攝影基線等。其中的飛行高度設(shè)計中要結(jié)合實(shí)際測繪需求進(jìn)行高度控制，且航線間的高度差不得超出5%，最大高度差要控制在50m以下；而重疊率則是指航向重疊和旁向重疊，航向重疊指的是同一航線下相鄰兩張圖像的重疊率，而旁向重疊則是指臨近飛行航路之間的重疊率；拍攝基線則是指兩次攝影時的間距。通過對上述參數(shù)的合理設(shè)計能夠獲取更為全面的影像信息，為地形圖的繪制提供可靠的資料參考[3]。

2.1.2無人機(jī)航拍

航拍作業(yè)流程：（1）確定無人機(jī)的起飛和降落區(qū)域后，做好航拍準(zhǔn)備工作，即將攝像機(jī)架設(shè)到位，保障無人機(jī)電量充足，一切準(zhǔn)確就緒后，便可在接收起飛信號的第一時間啟動發(fā)射無人機(jī)；（2）地面站實(shí)時監(jiān)測無人機(jī)的數(shù)據(jù)收集狀況，鑒于無人機(jī)中搭載了較為精密的差分系統(tǒng)，僅需對差分?jǐn)?shù)據(jù)和基站數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測即可；（3）無人機(jī)完成航拍任務(wù)并返航時，當(dāng)其航行至降落點(diǎn)附近，需要切換成人工操控模式，將降落點(diǎn)位置的雜物和障礙物全部清除后，控制無人機(jī)平穩(wěn)落地；（4）將儲存裝置中的信息數(shù)據(jù)全部提取出來，對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行檢查，查看有無不合格數(shù)據(jù)和缺漏數(shù)據(jù)，如有則需立即安排下一次航拍作業(yè)，對缺漏數(shù)據(jù)和不合格數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。

2.1.3像控點(diǎn)的布設(shè)

可以基于《傾斜數(shù)字航空攝影技術(shù)規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定來明確像控點(diǎn)的布設(shè)要求，并且做好像控點(diǎn)的測量和定位等工作。具體測量方法如下：（1）基于待測區(qū)域的范圍大小和地形特點(diǎn)將待測區(qū)域劃分為上千個分區(qū)，并且搭建起GPS網(wǎng)絡(luò)，且要保障各個網(wǎng)絡(luò)之間至少有3個公共點(diǎn)，將公共點(diǎn)之間的誤差控制在點(diǎn)位誤差的兩倍以下，此舉能有效提升坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換速度以及增強(qiáng)待測區(qū)域的地形的高程擬合度，有助于提升地形圖的測繪效果；（2）在使用GPS技術(shù)對像控點(diǎn)進(jìn)行測量時，要先在GPS網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置一個基準(zhǔn)起算點(diǎn)，并以此為起點(diǎn)，逐步向四周輻射測量；（3）對于需要轉(zhuǎn)換成其他參考系的狀況，需要至少設(shè)置3個已知坐標(biāo)系的基礎(chǔ)控制點(diǎn)，并在聯(lián)合GPS網(wǎng)和周圍聯(lián)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上形成一個二維約束平差起算點(diǎn)。即利用七參數(shù)計算方法得出最終的轉(zhuǎn)換參數(shù)，且其中至少有一個檢查點(diǎn)，起算點(diǎn)的選擇要能充當(dāng)起全網(wǎng)的控制依據(jù)[4]。

2.1.4內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的處理方法如下。

第一，空三計算法。主要是借助專業(yè)的三維建模軟件Smart3D軟件完成對航測數(shù)據(jù)的提取和處理等工作，首先將航拍影像信息導(dǎo)入軟件，利用特殊的信息處理功能對其中的特征點(diǎn)進(jìn)行提取，之后通過提取同名點(diǎn)、定向匹配和區(qū)域網(wǎng)平差等操作進(jìn)行具體計算，最終形成合格的可被用于繪制地形圖的空間測量數(shù)據(jù)。

第二，高密集點(diǎn)云生成技術(shù)。指的是在輸出空三測量數(shù)據(jù)后，提取其中的影像特征點(diǎn)并形成高密度點(diǎn)的云數(shù)據(jù)。

第三，TIN網(wǎng)模型建立。模型建立的過程涉及大量的數(shù)據(jù)處理操作，相對來說工作量偏大，為能有效提升模型建設(shè)的效率，可以先對航拍區(qū)域進(jìn)行分割，并進(jìn)行小塊模型的劃分，在每個小塊模型中構(gòu)建起精細(xì)化的網(wǎng)絡(luò)，在多個小塊模型的同步作業(yè)下，逐步組建成不規(guī)則的三角網(wǎng)，即為TIN網(wǎng)。

第四，自動紋理映射?；谧詣蛹y理映射技術(shù)能夠?qū)IN網(wǎng)模型中的相關(guān)信息轉(zhuǎn)變?yōu)榉直媛瘦^高的影像信息，并且形成紋理精度較高的三維模型。此種形式下獲取的三維模型支持OSGB和OBJ格式的輸出，這為入駐市場中的主流應(yīng)用平臺創(chuàng)造了良好的條件，相關(guān)用戶可以通過訪問特定的平臺來獲取較為直觀的地形圖測繪信息。

2.2無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)

2.2.1傾斜攝影技術(shù)

在當(dāng)前的無人機(jī)傾斜攝影測量作業(yè)中，通常是選用五視鏡頭進(jìn)行拍攝，此類鏡頭的優(yōu)勢在于能夠多角度地獲取影像信息，使得航拍過程中獲取的影像信息更加完整，在航線設(shè)計合理的情況下，采用此種航拍方式很少出現(xiàn)畫面遺漏的現(xiàn)象。在無人機(jī)中搭載的慣導(dǎo)系統(tǒng)還能保障對三維坐標(biāo)信息的實(shí)時獲取，使得畫面信息與坐標(biāo)信息相互對應(yīng)，有助于更好地還原地形效果。無人機(jī)傾斜攝影的過程中，航線、高度和飛行速度等因素均會對影像獲取效果帶來直接影響，因此在實(shí)際航拍作業(yè)之前，需要先做好對航線和高度等的設(shè)計工作，充分考慮目標(biāo)測區(qū)地形地勢分布特點(diǎn)的基礎(chǔ)上對無人機(jī)航線進(jìn)行科學(xué)設(shè)計，確保盡快完成目標(biāo)測區(qū)地上影像的收集工作。其中航拍作業(yè)中為了避免出現(xiàn)畫面遺漏的問題還需對航向和旁向重合度進(jìn)行科學(xué)控制，為保障重合率的控制效果還需選擇具有代表性的地征物作為主要參考目標(biāo)。無人機(jī)航拍任務(wù)結(jié)束后，對獲得的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行全面檢查，重點(diǎn)查看有無缺漏現(xiàn)象和不合格的影像信息，根據(jù)數(shù)據(jù)檢查結(jié)果決定是否立即開啟新的航拍任務(wù)，對缺漏信息和不合格的影像信息進(jìn)行補(bǔ)充。此外，可以通過有效篩查將其中沒有利用價值的影像進(jìn)行及時篩除，以免加大圖像處理量，影響地形圖測繪的效率[5]。

2.2.2數(shù)據(jù)整理形式

在地形圖測繪中較為常用的數(shù)據(jù)處理工具有DPW和VirtuoZO兩種，在大尺寸地形圖測繪中如需要獲取數(shù)字正射影像，就需要有較為豐富的數(shù)據(jù)資源作為基礎(chǔ)保障。此外，相關(guān)人員需要盡可能地收集航拍信息和測繪信息，并使用計算機(jī)技術(shù)對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理。數(shù)字正射影像的應(yīng)用空間十分廣泛，既能為控制點(diǎn)的布設(shè)提供一定的輔助作用，也能得到較為準(zhǔn)確的外方位元素。在對航拍影像信息進(jìn)行校正處理后，還需將校正之后的圖像信息形成數(shù)字正射影像，目的是對測繪數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充，使其能夠盡可能滿足地形圖測繪的基本要求。在進(jìn)行數(shù)據(jù)整理時，可以直接將目標(biāo)測區(qū)的地貌作為主要參考依據(jù)，通過對前期獲取的數(shù)字正射影像進(jìn)行有效拼湊和比對，并在拼接的過程中做好圖像剪裁工作，可以獲得更加立體和全面的地形圖測繪影像圖形。

2.2.3空三測量方法

空三測量過程中對相關(guān)測繪軟件的依賴度較大，空三測量的目的是明確待測區(qū)范圍內(nèi)各類地物的位置關(guān)系和遮擋關(guān)系，這與多視影像聯(lián)合平差地形測繪的目標(biāo)相符?，F(xiàn)行的空三測量中均會將POS系統(tǒng)融入其中，確保實(shí)現(xiàn)對各類方位圖形像片要素的合理分配，經(jīng)過匹配處理后，可通過對控制點(diǎn)坐標(biāo)以及相互間的連線描繪出地物的空間關(guān)系。在無人機(jī)航測中收集的數(shù)據(jù)相對準(zhǔn)確，與實(shí)際地形信息的誤差較小，但為了更進(jìn)一步地提升地形圖測繪信息的準(zhǔn)確性，仍需對獲取的測繪信息進(jìn)行檢查。這主要是由于無人機(jī)航拍作業(yè)中不可避免地會受到部分不利因素的影響，致使產(chǎn)生誤差問題，如不能及時縮小誤差則很可能導(dǎo)致地形圖測繪信息失真的問題，鑒于此，需要采取合適的檢測措施對測繪信息的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。較為常用的檢測方法為，在目標(biāo)測量區(qū)域內(nèi)設(shè)置多個散點(diǎn)，并且通過多次誤差校正來提升測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2.4三維模型構(gòu)建

所有測得的影像經(jīng)過處理之后便可基于已有的圖像信息來構(gòu)建三維模型，模型構(gòu)建方法為，先對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行加工預(yù)處理，為三維模型的構(gòu)建提供可靠的信息參考。常見的三維模型包括兩大類：一類為基于紋理映射構(gòu)建的三維模型；一類是利用特定軟件構(gòu)建的三維模型。兩種三維模型的表現(xiàn)形式不同，適用范圍也有所不同，具體的地形圖測繪工作中可以基于地形圖的功能特點(diǎn)選擇對應(yīng)的三維模型構(gòu)建方法。

3結(jié)語

無人機(jī)航測技術(shù)在地形圖測繪中的應(yīng)用價值有目共睹，尤其是在一些大比例尺地形圖測繪工作中，能夠利用現(xiàn)代航拍手段提升測繪效率，縮短測繪周期，增強(qiáng)地形圖測繪數(shù)據(jù)的時效性，為土地資源管理和國土空間開發(fā)等工作提供可靠的信息參考。無人機(jī)航測技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢不僅僅局限于此，其在地形圖測繪中的作用價值還有待繼續(xù)開發(fā)，相關(guān)技術(shù)人員需要積極總結(jié)技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，并深度挖掘無人機(jī)航測技術(shù)的應(yīng)用價值，使其為地形圖測繪工作奠定堅實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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