基于無人機實景三維技術(shù)進行地形圖測繪的應(yīng)用與研究

孫英杰

摘要：無人機傾斜攝影技術(shù)作為一個新興的技術(shù)方法被廣泛應(yīng)用于三維建模和工程測量中，通過在高速飛行的載體上搭載GPS、IMU、傾斜相機等多種先進的傳感器與設(shè)備，能夠快速、精確、全面、實時的獲取具有時空信息的傾斜影像。通過相應(yīng)的傾斜影像數(shù)據(jù)處理軟件，對采集到的傾斜影像進行預(yù)處理，形成符合應(yīng)用需求的三維實景地圖數(shù)據(jù)。本文結(jié)合實踐應(yīng)用，研究了如何利用這一技術(shù)進行實景三維建模，并基于VRMap三維信息軟件進行1：1000地形圖生產(chǎn)的過程。

關(guān)鍵詞：無人機傾斜攝影測量技術(shù)；實景三維建模；定位定姿系統(tǒng)；像控測量；城市空間數(shù)據(jù)框架；智慧園區(qū)

引言

實景三維建模是智慧園區(qū)的重要組成部分，實景三維地圖生產(chǎn)技術(shù)從更高層次上拓展了人工建模所欠缺的準確性和真實性，建模范圍包括地表、地物、建筑、植被等?；诜浅＞哂谐两械拇髨鼍皩嵕暗貓D的逼真仿真瀏覽，真實再現(xiàn)了地表各類建筑物、構(gòu)筑物、地形地貌的原始形態(tài)和量化指標查詢，為智慧園區(qū)信息系統(tǒng)提供了有力的數(shù)據(jù)支持。實景三維地圖模型數(shù)據(jù)真正實現(xiàn)了一圖多用，可以基于三維地圖實現(xiàn)線劃地形圖（DLG）、正射影像圖（DOM）、數(shù)字表面模型（DSM）的生產(chǎn)，實現(xiàn)對建筑物（所在位置、層數(shù)、結(jié)構(gòu)屬性、占地面積、建筑面積等）、內(nèi)部道路、綠地、儲備用地、管井位置等的詳細測繪。

1技術(shù)原理

傾斜攝影測量技術(shù)集成了全球衛(wèi)星定位、慣性導(dǎo)航、圖像處理、攝影測量、地理信息及集成控制等技術(shù)，通過在高速飛行的載體上搭載GPS、IMU、傾斜相機等多種先進的傳感器與設(shè)備，快速、精確、全面、實時的獲取具有時空信息的傾斜影像?；趦A斜影像，制作園區(qū)三維實景模型，以高精真的數(shù)據(jù)為智慧園區(qū)提供有效的基礎(chǔ)地理空間框架。傾斜攝影測量系統(tǒng)運用飛行的載體搭載高精度定位定姿（PPOI）系統(tǒng)、前后左右及正下方五個方向鏡頭的傾斜攝影相機，對測區(qū)進行全方位無控制測量，獲取垂直影像及前后左右四個側(cè)面可量測傾斜影像。所獲取的傾斜影像具有全紋理、真環(huán)境、可視化、可瀏覽、可測量的特點。通過傾斜影像數(shù)據(jù)處理軟件，對采集到的傾斜影像進行預(yù)處理，包括調(diào)色、糾偏、校正、鑲嵌、融合等等系列處理，形成符合應(yīng)用需求的三維實景地圖數(shù)據(jù)。

2技術(shù)特色

高精度、可量測：數(shù)據(jù)模型可以達到坐標精度1：1000比例尺地形圖的精度。數(shù)據(jù)成果可通過配套軟件的應(yīng)用，直接基于成果模型進行包括高度、長度、面積、角度、坡度等的量測；

多視角、真環(huán)境：具有五個不同方向的影像，從而得到地形地物更為詳盡的側(cè)面信息；影像中包含真實的環(huán)境信息，信息量豐富，可進行影像信息的數(shù)據(jù)挖掘；

可瀏覽、高效性：三維實景地圖模型提供真實、實時、快速、全面的三維場景瀏覽?；趦A斜影像生產(chǎn)的三維模型相對于傳統(tǒng)的手工建模，具有數(shù)據(jù)精確全面、效率高、成本低、場景真實等特點。

3數(shù)據(jù)的采集處理

3.1作業(yè)工序

作業(yè)工序分為像控點測量、無人機傾斜攝影測量、三維實景模型建模、1：1000地形圖內(nèi)業(yè)成圖。根據(jù)測圖和像控需要加密圖根控制點；全數(shù)字航測成圖包括無人機航空攝影、外業(yè)像片控制測量、內(nèi)業(yè)空三加密和傾斜模型測圖、DLG圖形數(shù)據(jù)編輯等。

3.2技術(shù)準備

技術(shù)準備階段主要完成測區(qū)已有地形數(shù)據(jù)、控制點數(shù)據(jù)、測繪成果資料的收集，調(diào)查范圍實地踏勘、了解測區(qū)情況，航飛技術(shù)實地驗證，技術(shù)方案編寫和技術(shù)力量與設(shè)備配置等。應(yīng)對調(diào)查區(qū)域進行實地全面踏勘，了解建筑基本分布狀況、建筑物高度、航飛難易程度、隱蔽分布狀況、交通狀況、當?shù)仫L(fēng)俗等可能對項目開展有影響的因素，同時根據(jù)測區(qū)情況選擇無人機的起降場地。

3.3無人機航飛

（1）傾斜攝影基本參數(shù)設(shè)計

傾斜攝影平臺和航空飛行器是傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取的主要設(shè)備，根據(jù)選定的航攝平臺及飛行載體，完成傾斜攝影基本參數(shù)設(shè)計。

（2）確定航高：傾斜攝影航高取決于測區(qū)地面分辨率（GSD），以及使用傳感器像元大?。淮送?，無人機飛行時航高還應(yīng)該大于飛行區(qū)域建筑物的高度，以免飛機撞上建筑物，根據(jù)經(jīng)驗，飛行高度一般應(yīng)該高于建筑物50米以上才能建出相對較好的傾斜模型。

（3）航攝分區(qū)

根據(jù)《地形圖航空攝影規(guī)范》要求，視測區(qū)地形高差情況劃分航攝分區(qū)。需要劃設(shè)多個航攝分區(qū)時，單個航攝分區(qū)的航向方向超出航攝分區(qū)邊界線不少于1像幅，旁向方向則需超出每個航攝分區(qū)邊界不少三條基線，向以確保側(cè)視相機能夠有效獲取到分個航攝分區(qū)邊界影像。攝區(qū)以丘陵、山地居多時，或山地、丘陵、平原交錯的攝區(qū)注意航攝分區(qū)的劃分。

（4）航線方向和航線敷設(shè)

航線方向一般為東-西向，少數(shù)情況下根據(jù)地形走向和專業(yè)測繪的特點要求（如線路、河流、境界等）亦可為南-北向或任意方向。航線敷設(shè)時同時需要考慮地形環(huán)境因素的影響，保證航線及延長方向的地形高度不影響飛行安全高度。

（5）無人機航飛技術(shù)驗證：在傾斜攝影三維建模工作開展之前，必須對無人機航飛方法在實地選定有代表性區(qū)域進行測試，以驗證無人機技術(shù)、方法及設(shè)備的可靠性，為后續(xù)工作打下基礎(chǔ)。

（6）無人機航飛

航空攝影飛行作業(yè)是一項十分繁重和細致的任務(wù)，要求每一個細節(jié)，每一個步聚都應(yīng)務(wù)必追求完美，確保航飛作業(yè)安全、順利是項目開展的提前。傾斜攝影航飛作業(yè)，由其是使用無人機作業(yè)時，應(yīng)該嚴格按照法律法規(guī)申報審批，做到合法安全飛行。

3.4像控測量

傾斜攝影設(shè)備使用IMU/DGPS輔助測量時，可大大降低地面像控點的布設(shè)密度。像控點敷設(shè)時，攝區(qū)邊界必須布設(shè)像控點，且要求每公里不少于3個，有航攝分區(qū)時，按照此要求進行布設(shè)。以上滿足精度要求的點位均應(yīng)提供項目要求的高程和坐標系數(shù)據(jù)，同時每個測區(qū)至少有10%的觀測控制點，作為檢校點。

1 像控布設(shè)

（1）像片控制點是航測內(nèi)業(yè)加密和圖的依據(jù)。本項目像片控制點采用基于JSCORS 網(wǎng)絡(luò) RTK 技術(shù)施測，一般情況下布設(shè)均為平高點。

（2）像片控制點按區(qū)域網(wǎng)布設(shè)，由于傾斜攝影重疊度高、有多視角影像，計算機密集點云數(shù)據(jù)匹配功能強等，外業(yè)布設(shè)像控點位基線跨度可適當放寬，但在加密過程中檢查點精度需滿足精度指標。

（3）鑒于目前使用的軟件在空三加密區(qū)域網(wǎng)平差計算上已具備先進完善的功能，區(qū)域網(wǎng)大小根據(jù)航攝飛行情況、地形情況、計算機運算能力等進行綜合劃分，區(qū)域網(wǎng)之間的像片控制點應(yīng)盡量選擇在上、下航線重疊的中間，相鄰區(qū)域網(wǎng)盡量公用像控點。

2像控點判刺

需要在200-300米的距離呈井字型均勻分布，用油漆在地面布設(shè)L型像控點標志，外角清晰且為直角，并標記清楚點號方便刺點。

3像控點聯(lián)測

（1）像控點聯(lián)測采用采用基于 JSCORS 的網(wǎng)絡(luò) RTK 作業(yè)方式聯(lián)測。利用似大地水準面數(shù)據(jù)直接求定像控點高程。

（2）利用 GNSS 網(wǎng)絡(luò) RTK 作業(yè)模式進行像控測量時，應(yīng)聯(lián)測測區(qū)內(nèi)高等級控制點，以提高成果的可靠性。

（3）GNSS 網(wǎng)絡(luò) RTK 作業(yè)時應(yīng)遵循以下要求：

衛(wèi)星截止高度角 15°；觀測可用衛(wèi)星個數(shù)≥5；PDOP 值≤6；RTK 觀測前應(yīng)設(shè)置平面收斂閾值不應(yīng)超過 2cm，垂直收斂閾值不應(yīng)超過3cm；觀測次數(shù)≥2，每次觀測應(yīng)重新初始化；采用三角支架對中整平，每次觀測歷元數(shù)應(yīng)不少于 10 個；各次測量的平面坐標分量較差不應(yīng)大于 2cm，高程較差不應(yīng)大于 3cm，各次結(jié)果取中數(shù)作為最后成果。

4：像控點聯(lián)測結(jié)束后的坐標應(yīng)及時展點檢查，防止出現(xiàn)粗差，確保下工序的空三加密能得以順利進行。

3.5全自動空三建模及模型修飾

由于傾斜航空攝影測量由于攝影傾角大，影像變形嚴重；分辨率變化大，尺度無法統(tǒng)一；重疊數(shù)多，需要多視處理等特點，使其空中三角測量有異于常規(guī)數(shù)碼航空攝影測量中的空中三角測量方式。常規(guī)的空三加密軟件一般都不能實施，需要多視角航空攝影測量空中三角測量專業(yè)軟件進行數(shù)據(jù)處理。全自動三維建模采用多機多節(jié)點并行運算的 ContextCapture Center 軟件進行，將空三后的成果數(shù)據(jù)直接提交生成三維 TIN 格網(wǎng)構(gòu)建、白體三維模型創(chuàng)建、自助紋理映射和三維場景構(gòu)建。

ContextCapture Center空三建模流程如下：

空中三角測量采用 ContextCapture Center 軟件，將相機參數(shù)、影像數(shù)據(jù)、POS 數(shù)據(jù)進行多視角影像特征點密集匹配，并以此進行區(qū)域網(wǎng)的自由網(wǎng)多視影像聯(lián)合約束平差解算，建立在空間尺度可以適度自由變形的立體模型，完成相對定向；將外業(yè)測定的像片控制點成果，在內(nèi)業(yè)環(huán)境中進行轉(zhuǎn)刺，利用這些點已有區(qū)域網(wǎng)模型進行約束平差解算，將區(qū)域網(wǎng)納入到精確的大地坐標系統(tǒng)中，完成絕對定向。

利用空中三角測量得到的每張影像拍攝時刻的位置及姿態(tài)，對同名點進行多像前方交會，進行空三加密測量，獲得大量地物點密集點云數(shù)據(jù)。

利用密集點云獲得的大量有向點集根據(jù)隱式函數(shù)框架來構(gòu)建表面模型，結(jié)合外部有效邊界線及內(nèi)部約束地性線，應(yīng)用平面曲率和坡形組合法依照不規(guī)則三角網(wǎng)模型構(gòu)建原理，建立表面TIN模型。

表面模型通過攝影測量獲得的密集點云構(gòu)建得到，同時對于模型上的每個最小平面均能在對應(yīng)原始影像集上找到匹配的紋理映射區(qū)域集，通過對映射區(qū)域集的處理，獲得模型每個平面紋理映射的最優(yōu)解。

當目標覆蓋屏幕較小區(qū)域時，可以使用該目標較粗的模型對該目標進行描述，以便對復(fù)雜大場景進行快速的繪制。該模塊對已生成的精細模型進行LOD分級，通過剔除、多邊形簡化等方式建立靜態(tài)LOD模型庫以實現(xiàn)大場景三維模型的快速瀏覽。

生產(chǎn)的模型應(yīng)滿足以下要求：

三維模型是根據(jù)傾斜影像匹配確定體塊構(gòu)模而成，地形、建筑物等模型一體化表示，模型的紋理以獲取的航空影像表現(xiàn)。建筑物三維體塊模型應(yīng)完整，位置準確、具有現(xiàn)實性，應(yīng)于獲取的航空影像表現(xiàn)一致。

建筑物三維模型應(yīng)精準反映房屋屋頂及外輪廓的基本特征。在 200m 視點高度下瀏覽模型，模型沒有明顯的拉伸變形。當所在區(qū)域建筑物較為密集，或建筑物較高，存在相互遮擋時，則無法獲取遮擋部分建筑物的側(cè)視紋理，相應(yīng)的模型無法表現(xiàn)其全部的細節(jié)，允許出現(xiàn)些許的拉伸變形。

建筑物模型的高度與平面尺寸應(yīng)于實際保持一致的比例，建筑物模型高度誤差不超過 10%，并且完成的三維圖像能夠清晰的分辨重點裝置情況。

4基于VRMap三維信息軟件的1：1000地形圖生產(chǎn)

1）空三計算：用光束法加密軟件對區(qū)域網(wǎng)進行平差，將加密和定向成果存入計算機，供測圖時直接調(diào)用。

2）內(nèi)業(yè)測圖：在VRMap實景三維地理信息平臺上進行內(nèi)業(yè)地形要素數(shù)據(jù)采集。采編所有地物外輪廓，測定房屋各房角點。對立體判測有疑問或影像模糊不易測定的地物，要加以說明或做出記號供外業(yè)補調(diào)，盡量為下工序提供準確、可靠、完整的數(shù)據(jù)。點狀地物中心位置要求準確，線狀地物要求線段連續(xù)，面狀地物的測定要求圖形連續(xù)且封閉，內(nèi)業(yè)能定性的地形要素可直接標注圖式符號。

3）外業(yè)地形圖調(diào)繪：在外業(yè)現(xiàn)場進行100%的調(diào)繪和修補測，對個別簡單易補測的新增地物可利用相關(guān)地物（需先檢驗其正確性）直接補測上圖，并標注相關(guān)距離尺寸；對于毗連或成片新增地物可先圈出其大概位置，用全站儀全野外采集數(shù)據(jù)，外業(yè)畫草圖，內(nèi)業(yè)編輯后再巡視檢查直至最終成圖。在用全站儀全野外補測新增地物時，測站點點位誤差和精度要求不低于10cm。

4）房屋屬性調(diào)查：所有房屋均調(diào)查確認房屋建筑結(jié)構(gòu)[分為鋼、砼、混、磚、簡單房等五種結(jié)構(gòu)；五種結(jié)構(gòu)均要據(jù)實表示，一般規(guī)定為砼（7層以上）、混（4-7層）、磚（1-3層）]和層數(shù)，大樓有專有名稱的注專有名稱，無專有名稱注單位名稱、掛牌單位較多者選擇主要的一個單位名稱加注，農(nóng)村地區(qū)的村委會所在地、企事業(yè)單位等需注名稱。

5）將外業(yè)調(diào)繪修補測好的數(shù)字線劃地形圖在計算機上編輯成滿足建庫要求的1∶1000比例尺數(shù)字線劃地形圖（以下簡稱DLG）。

5對比分析

將基于無人機實景三維技術(shù)制作的DLG與采用全野外解析法實測的地形圖進行比對，其坐標差值在允許范圍內(nèi)，能夠滿足1∶1000比例尺數(shù)字線劃地形圖精度要求。

6結(jié)束語

目前國內(nèi)外已廣泛開展傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用，實景三維建模數(shù)據(jù)逐漸成為城市空間數(shù)據(jù)框架的重要內(nèi)容。無人機傾斜攝影測量能在低空平穩(wěn)飛行并獲取獲得高分辨率航空影像，具有機動靈活、高效快速、精細準確、作業(yè)成本低、適用范圍廣、生產(chǎn)周期短等特點，其三維建模成果直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性，為真實效果和測繪級精度提供保證，是傳統(tǒng)測量手段的有力補充。

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（作者單位：江蘇煤炭地質(zhì)物測隊）