無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在大比例尺地形圖測繪中的應(yīng)用

李能國

（南寧市勘察測繪地理信息院，廣西 南寧 530021）

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在大比例尺地形圖測繪中的應(yīng)用

李能國

（南寧市勘察測繪地理信息院，廣西 南寧 530021）

大比例尺地形圖測繪工作需要更多先進(jìn)技術(shù)的大力支持。文章從闡述無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值等內(nèi)容出發(fā)，在探討了無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用前提后，對于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在大比例尺地形圖測繪中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)；大比例尺地形圖；三維模型生產(chǎn)；空中測量調(diào)整

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在大比例尺地形圖測繪中的應(yīng)用能夠較好地判斷并檢查出點(diǎn)位中可能存在的誤差，并在此基礎(chǔ)上驗(yàn)證出基于三維模型量測地形圖的可行性和精度，故在這一前提下對于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在大比例尺地形圖測繪中的應(yīng)用進(jìn)行研究就很有必要性了。

1 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)簡析

1.1 應(yīng)用價(jià)值

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)有著很高的技術(shù)應(yīng)用價(jià)值。眾所周知，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在這一過程中數(shù)字化城市的建設(shè)步伐日益加快，這導(dǎo)致了每個(gè)工程的開展都離不開空間地理信息的支持，在這一過程中其對于大比例尺地形圖的快速獲取有著更高的需求。因?yàn)閭鹘y(tǒng)測繪地形圖的方法中存在著不容忽視的固有缺陷，這導(dǎo)致了存在著軸作業(yè)效率低和出圖時(shí)間長以及成本高的缺點(diǎn)。與此同時(shí)，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的誕生，顛覆了傳統(tǒng)測繪的作業(yè)方式，該技術(shù)通過無人機(jī)低空多位鏡頭攝影獲取高清晰立體影像數(shù)據(jù)，自動生成三維地理信息模型，快速實(shí)現(xiàn)地理信息的獲取，具有效率高、成本低、數(shù)據(jù)精確、操作靈活、側(cè)面信息可用等特點(diǎn)，滿足測繪行業(yè)的不同需求。

1.2 應(yīng)用優(yōu)越性

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)越性是顯而易見的。通常來說，隨著我國無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，在這一過程中無人機(jī)垂直攝影技術(shù)和與之相對應(yīng)的傾斜攝影技術(shù)都得到了更加廣泛的應(yīng)用。在這一過程中需要注意的是，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)與無人機(jī)垂直攝影相比能夠獲得多角度高分率影像并且可以生成數(shù)字三維模型，因此這使得其在數(shù)字城市建設(shè)和城市管理以及應(yīng)急救災(zāi)中都能夠得到更加廣泛的應(yīng)用。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的優(yōu)越性還表現(xiàn)在通過數(shù)據(jù)處理得到的數(shù)字三維模型能夠進(jìn)行測量，并且還可以直接地在三維模型上進(jìn)行量測地形圖，這意味著其與傳統(tǒng)垂直攝影技術(shù)相比可以避免戴立體觀測眼鏡進(jìn)行測圖，故其在小范圍測圖時(shí)能夠具備一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和意義。

1.3 基本原理

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用需要遵循相應(yīng)的基本原理。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的基本原理是通過在無人機(jī)飛行平臺上搭載多臺數(shù)碼相機(jī)，然后在這一過程中能夠同時(shí)從垂直和傾斜多個(gè)不同的角度采集高分辨率影像，并且通過結(jié)合無人飛行平臺搭載的系統(tǒng)就能夠獲取數(shù)據(jù)和像控點(diǎn)。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可以經(jīng)過相關(guān)軟件處理獲取數(shù)字表面模型、數(shù)字正攝影像和三維模型的攝影測量。其本身的基于物方的多視立體匹配算法生成基于真實(shí)影像紋理的實(shí)景三維模型可以期待具有良好的使用效果。

1.4 關(guān)鍵技術(shù)

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用離不開關(guān)鍵技術(shù)的支持。一般而言，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)能夠針對傾斜攝影測量來進(jìn)行無約束區(qū)域網(wǎng)平差和附加約束的區(qū)域網(wǎng)平差和傾斜影像的直接定向。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)本身具有地物幾何變形低、分辨率變化小的優(yōu)越性，因此其相比傳統(tǒng)的基于灰度和特征的匹配方法可以更好地完成數(shù)據(jù)的匹配工作。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)能夠通過傾斜影像的密集匹配來得到高精度和高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此可以將其視為實(shí)現(xiàn)精細(xì)三維建模的關(guān)鍵所在。

2 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用前提

2.1 三維模型生產(chǎn)

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用前需要相應(yīng)的三維模型生產(chǎn)。工作人員在三維模型生產(chǎn)的過程中應(yīng)當(dāng)在將影像經(jīng)過預(yù)處理后就無縫的進(jìn)行三維模型的生產(chǎn)。在這一過程中基于傾斜攝影所得影像數(shù)據(jù)的利用方式能夠?qū)⑺玫降娜S模型分為兩種方式：第一種是通過單獨(dú)利用傾斜像片作為紋理來生產(chǎn)三維模型并且通過利用相關(guān)軟件獲得的三維模型；第二種則是通過基于傾斜攝影生成三維模型測繪地形圖的流程基于無人機(jī)傾斜攝影生成三維模型測繪地形圖。其主要表現(xiàn)模式為主任務(wù)下達(dá)與申請空域、外業(yè)航飛數(shù)據(jù)采集、像控點(diǎn)布設(shè)與量測、內(nèi)業(yè)空中三角測量等方面的工作。

2.2 獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用前還需要獲取必要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。工作人員在獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的過程中首先應(yīng)當(dāng)對于包括無人機(jī)飛行平臺和地面監(jiān)控站以及五鏡頭傾斜相機(jī)和遙控設(shè)備的使用方法和系統(tǒng)構(gòu)成都有著清晰的了解；其次，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還應(yīng)當(dāng)做好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取的具體規(guī)劃，在這一過程中應(yīng)當(dāng)努力的避免航高設(shè)計(jì)問題，然后才能夠在此基礎(chǔ)上進(jìn)行之后的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。與此同時(shí)，因?yàn)闊o人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理和空中三角測量，因此這導(dǎo)致了其只使用坐標(biāo)值卻不使用姿態(tài)角數(shù)據(jù)，因此在獲取數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)當(dāng)有所注意。

2.3 數(shù)據(jù)預(yù)先處理

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用前應(yīng)當(dāng)做好數(shù)據(jù)的預(yù)先處理。工作人員在數(shù)據(jù)預(yù)先處理的過程中首先應(yīng)當(dāng)在得到航飛數(shù)據(jù)后細(xì)致的檢查影像和是否一一對應(yīng)，然后以此為基礎(chǔ)來檢查影像的質(zhì)量是否存在問題或者是是否清晰以及有無大范圍模圖；其次，工作人員在數(shù)據(jù)預(yù)先處理的過程中還應(yīng)當(dāng)通過模型編輯的方式來檢查生產(chǎn)地形圖的合格以及存在精度檢查模糊遮擋的現(xiàn)象。與此同時(shí)，工作人員在數(shù)據(jù)預(yù)先處理的過程中還應(yīng)當(dāng)避免因?yàn)楣饩€反差和強(qiáng)度差異來影響到三維建模的精度和效果。

2.4 空中測量調(diào)整

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用離不開控制的測量調(diào)整。工作人員在空中測量調(diào)整的過程中首先應(yīng)當(dāng)對一個(gè)垂直鏡頭和四個(gè)傾斜鏡頭所得到的影像進(jìn)行連接，然后進(jìn)行自動匹配，在匹配成功后對于獲取的特征點(diǎn)采用多像密集匹配技術(shù)來進(jìn)行檢測；其次，工作人員在空中測量調(diào)整的過程中還應(yīng)當(dāng)根據(jù)平差結(jié)果進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，調(diào)整的內(nèi)容包括有參數(shù)設(shè)置和像控點(diǎn)刺點(diǎn)位置調(diào)整等內(nèi)容。與此同時(shí)，工作人員在空中測量調(diào)整的過程中還應(yīng)當(dāng)針對無人機(jī)采集的數(shù)據(jù)不精確的情況，在建模中一般只采用數(shù)據(jù)作為初始值，就可以期待良好的調(diào)整效果。

3 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在大比例尺地形圖測繪中的應(yīng)用

3.1 具體案例

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在大比例尺地形圖測繪中應(yīng)用的第一步是分析具體的案例。南寧市武鳴區(qū)花花大世界園區(qū)，位于南寧市北部，東與國道G210毗鄰，南臨縣道X016及敢庚村，西至都南高速G75伊嶺巖出口至舊敢桑水庫段，北與東敢桑村及伏稟村相接，全測區(qū)面積約8.8平方公里。內(nèi)部園區(qū)行車道路密布，測區(qū)交通狀況較好。園區(qū)村莊散落，石頭山較多，水域面積較大，林木茂盛，灌木叢生，通視情況較差。困難類別劃分為Ⅲ級。

3.2 項(xiàng)目內(nèi)容

表1 空三精度統(tǒng)計(jì)

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在大比例尺地形圖測繪中應(yīng)用還需要考慮好項(xiàng)目的各項(xiàng)內(nèi)容。項(xiàng)目工作計(jì)劃安排按照技術(shù)設(shè)計(jì)書執(zhí)行，具體工作內(nèi)容及工作量如下：豎直航空攝影航飛2個(gè)架次，獲取1044張像片，涵蓋面積約17.891平方公里；傾斜航空攝影航飛45°方向5個(gè)架次，獲取4244張像片，涵蓋面積9.668平方公里，空三分為2個(gè)測區(qū)，利用smart 3D Capture進(jìn)行空三加密解算和三維模型生產(chǎn)。外業(yè)控制點(diǎn)及檢核點(diǎn)測量，本項(xiàng)目全部采用平高點(diǎn)，總共完成128處共322個(gè)像控點(diǎn)測量，390個(gè)高程檢核點(diǎn)測量。傾斜航空攝影空三加密解算使用Smart 3D Capture軟件，平差結(jié)果良好，各項(xiàng)指標(biāo)均未超限，空三成果質(zhì)量良好。間表1。

3.3 應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

此次項(xiàng)目為1∶500大比例尺地形圖測繪，測區(qū)為丘陵地形，對于精度和全要素表達(dá)的要求較高。由于項(xiàng)目工期較短，時(shí)間緊迫，如采用全野外方法實(shí)測精度高，但進(jìn)度慢，工期無法保證，且成本較高；即使采用傳統(tǒng)立體采集和外業(yè)修補(bǔ)測的生產(chǎn)方式也無法滿足項(xiàng)目工期和精度要求，故采用傾斜攝影方法的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行生產(chǎn)，使地形圖精度和工期得到保障。房屋采用三維采集精度高，可以內(nèi)業(yè)識別樓層層數(shù)以及房屋材質(zhì)，可減少外業(yè)工作量，大大提高工作效率；植被覆蓋密集的地方，三維采集難度大、精度差，可以使用立體采集和野外補(bǔ)測；對于施工區(qū)，地面裸露區(qū)域和水田、旱地等區(qū)域采用三維采集精度高，速度快，成圖效率高。經(jīng)過大量數(shù)據(jù)外業(yè)測量，內(nèi)業(yè)采集同點(diǎn)位置的精度檢核，各個(gè)生產(chǎn)技術(shù)環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制得到檢驗(yàn)，精度達(dá)到項(xiàng)目需要使用要求。同時(shí)也存在不足，如：三維模型本身存在對于紋理不足的地方會進(jìn)行空洞填補(bǔ)，因此會造成拉花現(xiàn)象，Smart3D Capture軟件生產(chǎn)的三維模型對電桿等較小的地物難以建模，影響數(shù)據(jù)采集。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)也得出了解決辦法：（1）航拍時(shí)應(yīng)綜合考慮，對于房屋密集區(qū)域應(yīng)加密航拍；（2）對模型進(jìn)行采集時(shí)應(yīng)做基本的邏輯判斷，對于無法采集的內(nèi)容應(yīng)提交外業(yè)進(jìn)行實(shí)地調(diào)繪補(bǔ)測；（3）對于電桿等無法建模的地物用傳統(tǒng)航空攝影進(jìn)行立體采集；（4）植被覆蓋區(qū)高程點(diǎn)無法用三維模型采集的，使用傳統(tǒng)立體模型進(jìn)行采集，立體模型也無法采集的，采用野外實(shí)測高程點(diǎn)。

4 結(jié)語

本文基于無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)獲得影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)來生成了真實(shí)三維模型，然后通過利用其制作了地形圖來將實(shí)地量測檢查點(diǎn)坐標(biāo)和基于三維模型生成地形圖中檢查點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程坐標(biāo)進(jìn)行對比，對于證明該方法生成地形圖在平面應(yīng)用上的價(jià)值，故實(shí)際上為生產(chǎn)地形圖提供了全新的方法。

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[5]李少龍，蔣國輝．天寶X100無人機(jī)攝影測量試驗(yàn)[J]．測繪通報(bào)，2013，5（8）.

（責(zé)任編輯：周 瓊）

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1009-2374（2017）12-0279-02

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.12.142

李能國（1977-），男，廣西合浦人，南寧市勘察測繪地理信息院測繪工程師，研究方向：航測遙感。

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