王永全 彭勇

新疆兵團勘測設(shè)計院（集團）有限公司，中國·新疆 烏魯木齊 830000

無人機；傾斜攝影技術(shù)；三維模型；三維成圖

1 引言

攝影測量以前局限于飛行平臺的限制，必須在大面積的地形圖測量中才能得以應用。傳統(tǒng)航空攝影測量測繪地形圖，對空域、機場和天氣條件有著嚴格的要求，存在著成本高，作業(yè)周期長的缺點，限制了數(shù)字攝影測量技術(shù)在大比例尺地形測繪中應用[1]。目前隨著無人機的快速發(fā)展，無人機具備靈動、快速、經(jīng)濟、便捷的特征，將無人機當作航空攝影平臺可以快速高效率的獲取高質(zhì)量、高分辨率的影像。傾斜攝影測量技術(shù)，借助無人機快速采集影像數(shù)據(jù)，并利用數(shù)據(jù)處理平臺，快速建立實景三維模型，真實反映建筑物體量、外觀、相對位置。在數(shù)字城市建設(shè)、城市管理和應急救災中得到了廣泛的應用[2-4]。

把三維模型導入測繪軟件，利用測繪軟件可以快速進行大比例尺地形圖的測繪，可以把大量的外業(yè)工作轉(zhuǎn)化為內(nèi)業(yè)，節(jié)約人工成本，并有效縮短項目周期，提高工作效率。本文利用傾斜攝影測量技術(shù)，結(jié)合三維建模軟件，生成地物、地貌的實景三維模型。在三維測圖軟件平臺上進行大比例尺地形圖的測繪，實現(xiàn)利用航測的手段進行1：500 地形圖測圖。

2 傾斜攝影測量關(guān)鍵技術(shù)

2.1 航測外業(yè)

2.1.1 飛行平臺

考慮到作業(yè)環(huán)境的復雜性，航空攝影使用無人機需具有小場地起降的能力以及能夠在航攝過程中保持穩(wěn)定性，優(yōu)先采用兼顧效率與穩(wěn)定的垂直起降的固定翼無人機，配備飛控系統(tǒng)同步記錄拍攝時位置、姿態(tài)等信息。其飛行可靠性高、操作使用簡單、起飛和著陸場地要求低。

2.1.2 傾斜攝影儀器

為建立三維模型，航空攝影傳感器需獲取目標地物在各個方向的實景影像信息，包括頂視方向及四個側(cè)面方向。

2.2 航測內(nèi)業(yè)

2.2.1 加密分區(qū)及分區(qū)接邊

根據(jù)不同計算機硬件性能限制，當測區(qū)太大時，需進行加密區(qū)域的分區(qū)，為保證分區(qū)接邊的精度，要求采取以下措施：

（1）不同分區(qū)必須保證足夠的覆蓋區(qū)域的重疊；

（2）要求同一測區(qū)的不同分區(qū)的瓦片切割方式最好統(tǒng)一：包括瓦片大小，瓦片的原點坐標；

（3）模型坐標系統(tǒng)一：包括坐標系定義及坐標系原點設(shè)置。

2.2.2 空中三角測量

本次針對無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)的特殊性，采用多視角影像聯(lián)合平差的技術(shù)方法進行空三加密。目前傾斜影像區(qū)域網(wǎng)平差主要分為：無約束區(qū)域網(wǎng)平差、附加約束的區(qū)域網(wǎng)平差和傾斜影像的直接定向[5]。目前，常用的密集匹配算法有共線條件約束的多片最小二乘影像匹配算法、多基元多影像匹配算法、基于物方的多視立體匹配算法[6]。技術(shù)流程如下：

2.2.3 空中三角測量成果精度指標

（1）直觀點云檢測

檢查點云有無漏洞、異常漂浮、扭曲變形，若存在需調(diào)整參數(shù)及刪除個別異常照片重新計算；

（2）內(nèi)符合精度指標1：自由網(wǎng)平差后連接點質(zhì)量指標：

所采用的建模軟件的空三質(zhì)量報告。

（3）內(nèi)符合精度指標2：約束平差后控制點精度指標：

約束平差后像控點的水平、垂直中誤差。

2.2.4 三維建模

對空三合格的分區(qū)根據(jù)三維TIN 的空間位置信息，自動尋找最佳視角影像，并完成模型紋理的構(gòu)建，最終形成完整且真實的三維模型體。

圖1 3D 模型與傾斜影像效果示意圖（自動建模流程）

（1）初始化建模區(qū)域

根據(jù)作業(yè)區(qū)實際范圍，劃定建模區(qū)域。由于建模需要在標準直角三維空間坐標系內(nèi)進行，因此軟件會將項目切塊坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為笛卡爾三維坐標系。建模區(qū)域會劃分根據(jù)用戶需要，以長寬相等的正方形瓦片為劃分的最基本單位，每個瓦片（Tile）是三維建模的最小單元。

（2）建立三維像對

基于空三平差輸出的外方位元素成果和相機安置位置關(guān)系，軟件可以自動尋找合適的兩張影像組成三維像對。

（3）生成像對點云

對Tile 內(nèi)包含的所有三維像對分別進行點云匹配計算，并將這些像對點云進行匯總合并與過濾。

（4）構(gòu)建三維TIN 網(wǎng)

將前面環(huán)節(jié)得到的點云進行三角網(wǎng)化處理，在這個過程中，一些異常的點由于無法構(gòu)建正常的三角形而被作為粗差點進行舍棄處理。

（5）TIN 網(wǎng)優(yōu)化

對不合理的三角網(wǎng)表面進行自動優(yōu)化，對平坦表面的三角密度實現(xiàn)自動簡化稀疏化處理，同時對復雜表面的三角網(wǎng)密度予以保留。

（6）紋理匹配

根據(jù)TIN 網(wǎng)中每個三角形的空間位置，自動映射最佳視角的影像作為模型紋理。

（7）實景模型成果要求

A、模型經(jīng)過目測檢測，無空洞、無異常破面，超出像控以外的部分盡可能都裁剪掉，保證整齊美觀；

B、模型精度指標：符合精度

滿足空中三角測量技術(shù)要求而生成的三維模型，其地面地物要素的平面和高程精度需要用外業(yè)散點數(shù)據(jù)進行檢測，內(nèi)業(yè)進行精度統(tǒng)計，精度指標見下表：

表1 精度指標

平面和高程中誤差不大于上表規(guī)定，則視為此三維模型滿足數(shù)字化地形圖的精度要求，方可進行數(shù)據(jù)采集；如超出上表規(guī)定，則檢查航攝數(shù)據(jù)是否合格、檢查內(nèi)業(yè)空中三角測量的方法是否正確。

（8）TDOM 生產(chǎn)

實景模型生產(chǎn)完成后，利用建模軟件生成TDOM 真正射影像，和實景模型一起作為地物采集的底圖。

（9）點云生產(chǎn)

實景模型生產(chǎn)完成后，利用建模軟件生成點云。

2.3 地形圖數(shù)據(jù)采集

2.3.1 采集環(huán)境

基于三維實景模型及真正射影像相結(jié)合的方式進行數(shù)據(jù)采集，無需立體顯示設(shè)備和三維采集設(shè)備，僅需臺式計算機即可。

2.3.2 采集方法及軟件

利用三維模型及正射影像相結(jié)合的方式進行數(shù)據(jù)采集。一般三維模型中主要采集房屋、房屋附屬設(shè)施、屬性標注；除此之外的其他地物可在正射影像上采集。利用這兩種采集方法，可以依據(jù)具體的地物情況，靈活轉(zhuǎn)換。

利用三維成圖軟件進行圖庫一體采編工作；

在TDOM 上采集地物，針對電桿、路燈等桿狀地物采集較有優(yōu)勢，由于三維模型中，桿狀地物建模效果不理想，通常無法判斷其準確位置，利用正射影像可以彌補這一不足。如在正射影像中地物由于樹木或其他地物遮擋無法判斷其位置，也可以轉(zhuǎn)換至三維模型自由視圖中量測,確保地物的全要素采集。利用三維模型與正射影像采集相結(jié)合的方法具體實施情況，需要內(nèi)業(yè)進行數(shù)據(jù)實驗和總結(jié)，在數(shù)據(jù)采集之前針對經(jīng)驗性問題進行整體培訓，以確保地物不漏繪、錯繪。

2.3.3 數(shù)據(jù)采集一般規(guī)定

測圖之前須引入像控點、基礎(chǔ)控制點和外業(yè)檢查點，檢查三維模型、正射影像精度是否滿足規(guī)范要求。

由于測區(qū)攝影資料較新，現(xiàn)勢性強，易于判讀，所以采用先內(nèi)業(yè)判讀測圖定位，后外業(yè)調(diào)繪定性的成圖方法。面狀地物的測定要求圖斑邊緣線連續(xù)且封閉，線狀地物要求線段連續(xù)，一條直線段上應減少多余的點。

2.3.4 等高線生成

采用點云處理軟件對生成的點云進行分類處理，留下地面點，通過套合實景模型檢核處理精度，若分類不好通過調(diào)整處理參數(shù)的方式重新分類，以至達到最終要求。

2.3.5 地形圖精度檢測

為了保證內(nèi)業(yè)成圖成果的可靠性及評定內(nèi)業(yè)成圖的精度，在測區(qū)均勻測量部分碎部點。

（1）散點分布建議在遠離地標點、加密分區(qū)中心的最弱區(qū)。

（2）散點位置需在位置明顯、唯一、不被遮擋易判讀的地方。

（3）外業(yè)散點點位說明要準確無誤。

（4）外業(yè)散點要根據(jù)實地情況采集平面檢查點及高程檢查點。

3 應用實例

3.1 測區(qū)概況

我單位承擔兵團九個城市大比例尺地形圖測繪任務，城市都為平原荒漠地帶，氣候干燥，飛行條件良好。

3.2 無人機航飛實施情況

采用的無人機的性能指標：最大任務載荷：6 公斤；最大起飛重量：25 公斤；巡航速度：100—110 公里/小時；最大平飛速度：120 公里/小時；最小失速速度：70 公里/小時；發(fā)動機：70CC 雙缸水平對置；最大升限：5000 米；飛行方式包含自主飛行和手控飛行；能夠在－10℃～+40℃的環(huán)境下使用；抗風等級應為地面5 級或以上；續(xù)航時間3 小時。同時為保證無人機的飛行安全，配置射彈降落傘模塊。

由于各個城市分布于各處，需根據(jù)飛行當時的實際情況進行航線設(shè)計及分區(qū)。航向重疊度為80%，旁向重疊度為80%，影像分辨率為3-5cm。

3.3 內(nèi)業(yè)處理

采用最新建模軟件Context Capture Center Edition，進行空三測量及后續(xù)模型、TDOM 的生產(chǎn)。

本次項目采用的是清華山維公司的EPS 三維測圖平臺，利用三維模型及正射影像相結(jié)合的方式進行數(shù)據(jù)采集。

3.4 地形圖精度

通過一定的項目驗證，利用傾斜攝影測量的方法：地形圖的平面與高程的精度均小于10cm，下面是近兩年我院在1：500 地形圖測繪項目中進行碎布點檢查的精度統(tǒng)計：

序號 項目名稱 平面精度 高程精度 備注1 兵團城市1：500 地形圖測量（北屯市）0.056 0.067 2 兵團城市1：500地形圖測量（石河子市）0.048 0.043 3 兵團城市1：500 地形圖測量（圖木舒克市） 0.051 0.078 4 兵團城市1：500 地形圖測量（雙河市）0.037 0.034 5 兵團城市1：500地形圖測量（鐵門關(guān)市）0.041 0.036 6 兵團城市1：500地形圖測量（阿拉爾市）0.038 0.031 7 兵團城市1：500地形圖測量（五家渠市）0.055 0.038 8 兵團城市1：500 地形圖測量（可克達拉市） 0.043 0.029

4 結(jié)語

本文通過無人機傾斜攝影技術(shù)獲得測區(qū)的影像資料，通過Context Capture Center Edition 軟件進行了空中三角測量，生成了實景三維模型，再通過EPS 軟件利用生成的三維模型及其衍生產(chǎn)品進行了1：500 地形圖采集。將外業(yè)檢測散點坐標和生成地形圖中的檢查點的進行平面和高程的對比，證明了傾斜攝影測量技術(shù)生成的大比例尺地形圖在平面和高程上可以滿足大比例尺地形圖的精度要求，為實際生產(chǎn)地形圖提供了一種全新的生產(chǎn)方法。