无人机倾斜摄影测量在带状地形图测绘的应用分析

李传锋 丁志广 梁新权

江门市勘测院有限公司 广东 江门 529000

引言

传统的大比例带状地形图测绘的主要方法有全站仪测量、GPS RTK测量以及传统的航空摄影测量等。全站仪及GPS RTK数字测图需要投入较多人力、物力，在地形复杂、植被茂密、建筑密集地区难以施测，且测量周期长，进而导致工程效率低、成本高。传统航空摄影测量虽然技术成熟、应用广泛，但对天气和机场条件的依赖性大、成本较高、摄影周期较长。[1]随着城市的更新发展速度的加快，采用传统的全野外和航测法进行大比例尺地形图更新与修测需要投入大量的人力、物力，成本高，作业周期长，更新效率低，已很难适应城市快速变化对基础地理信息数据更新的需求。

无人机倾斜摄影测量技术是测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术，通过在同一无人飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、倾斜等不同角度采集地面影像，获取地面物体更完整准确的正片和斜片信息。无人机倾斜摄影获取的倾斜影像经过影像加工处理，通过专用测绘软件进行几何校正、连接点匹配、构建自由网和区域网平差等空中三角测量处理流程，可生成超高密度点云，通过高密度点云生成三角网，构建白模，自动映射纹理，得到倾斜摄影三维模型。[2]

本文通过在带状地形图测绘项目中引入无人机倾斜摄影技术，实现了快速高效制图，提高了作业的效率同时保证了成果的质量。

1 项目概况及基础数据获取平台

本工程项目位于江门大道北鹤山连接线处，全长约3.8公里，沿途地形主要为快速路、高架桥以及山地、农田以及部分的居民地(见图1)。由于测区范围内的城市快速路已建成通车，如采用传统的全站仪联合GPS RTK进行全野外数字化测图，外业的施测难度大，同时也十分危险，不利于安全生产。本项目采用无人机进行大部分外业数据的采集，将无人机倾斜摄影测量技术与传统的数字测图技术相融合，构建地空协同观测的地形图测绘作业模式，提高生产的效率同时保证作业的安全[5]。

图1 测区范围

2 无人机倾斜摄影测量与传统数字测图技术融合的作业流程

2.1 航线的设计

根据无人机的作业能力和路线走向进行航线设计，根据划定测区，本次作业共设计飞行3个架次，每个架次根据测区宽度设计6条航线。在每个架次飞完后及时检查影像拍摄质量。本项目航线设计如图3所示:

图2 无人机数据获取平台

图3 无人机航线示意图

2.2 像控点布设及测量

本项目像控点位置主要选在影像清晰的水泥、沥青路面或桥面上，沿测区走向垂直方向成对均匀布设了6个像控点，编号为:XK001～XK006。同时选取了部分地物的特征点作为像控点的检查点，利用GPS RTK分别进行像控点及地物特征点的坐标数据采集。

2.3 无人机外业数据采集

根据本项目作业区域的范围、航摄分辨率要求、相机参数确定飞行比例尺、飞行高度、飞行重叠率、摄影基线等参数。本项目使用国产无人机平台搭载稳定性较好的5镜头倾斜摄影系统进行倾斜航空摄影，航摄具体参数如表1所示。

表1 无人机航摄系统及航摄参数

2.4 利用全站仪及GPS RTK进行外业数据的补测

由于本项目工程有多处高架桥墩以及快速路下的涵洞，同时测区沿线有多处的山地植被及树木比较茂密，对于无人机数据采集的精度有一定的影响。故对于测区范围内，无人机倾斜摄影无法准确采集的数据，利用传统的数字测图方法进行外业的数据的补充采集。

2.5 倾斜摄影测量内业数据处理

本项目首先采用无人机管家对原始影像进行畸变矫正和POS数据高精度融合解算，然后采用专业的内业处理软件Context Capture Center对获取倾斜影像进行三维建模处理，通过GPS定位系统和姿态定位系统获取的位置信息进行影像的坐标定位，添加像控点来提高数据的精度。处理流程包含数据预处理、空中三角测量、点云建模3大步骤。最终生成三维模型文件(格式为:*.osgb)，同时生成数字正射影像图(DOM)，再利用CASS3D软件加载实景三维模型和正射影像数据，实现二三维联动一体化地形测绘。

2.6 带状地形图二、三维联动一体化地形测绘数据处理流程

2.6.1 带状地形图平面数据的采集 南方CASS软件作为一款内外业一体化测图系统，其主要包括数据处理、地形地物编辑、地籍处理、土地利用、工程测量及质检模块等功能。CASS3D测图系统是在原有CASS测图软件基础上，以插件扩展的形式，重点增加了三维裸眼测图、高清影像、三维模型加载以及二三维同步功能。[3]

通过CASS3D加载测区的三维模型，点击“同步矢量”即可将数字线划图(DLG)与三维模型同步显示，同时通过CASS3D中“插入影像”的功能可将测区的正射影像与地形图数据叠加，即可进行地形图平面数据的采集，对于局部不清晰的地方，可通过旋转三维模型查看地物的相关情况，通过三维模型窗口绘制的地形要素，可以同步保存显示在二维窗口的数字线划图中，真正实现二三维联动制图。

全站仪及GPS RTK的外业采集数据可同步展绘到地形图上，同时结合正射影像及三维模型，可实现数字线划图(DLG)的快速制图。

图4 二三维联动制图

2.6.2 带状地形图高程数据的采集 经过数据处理后生成的三维模型具有高程数据，对于无遮挡的地物可以直接在三维模型上点选位置，即可生成对应的高程点。同时对于山地，可以通过三维模型加密高程点，用于构建三角网，生成等高线。

2.6.3 地形图的整饰及成图编辑 将获取的地形地貌要素进行综合、整饰等处理，如对道路路名、道路材质的注记、居民地名称注记、测区山地等高线的修剪与高程注记、删除重复实体等，最终得到满足要求的地形图成果。

3 基于南方CASS3D成图的带状地形图精度分析

地形图的成果精度参照《1:500 1:1000 1:2000外业数字测图规程》(GBT 14912－2017)和《基础地理信息数字成果1:500 1:1000 1:2000数字线划图》(CH/T 9008.1－2010)的要求，1:500平面位置精度为0.3m(城镇、工业建筑区、平地、丘陵地，坡度＜6。)，高程注记点高程中误差为0.4m(丘陵地，2°≤坡度＜6°)。

为了验证CASS3D成图方案的精度，通过三维模型提取了30个地形特征点和有代表性的高程点，并通过传统的数字测图方法进行外业数据采集进行对比计算得到检核点的平面中误差为0.074m(详见表1)，高程中误差为0.11m(详见表2)，完全满足限差要求。

表2 平面精度对比分析

表3 高程注记精度对比分析

通过对比分析可以发现，基于CASS3D成图的无人机倾斜摄影测量数据模型，在成像清晰的快速路及无遮挡的平地平面和高程精度相对较高，在植被及树木比较茂密的山地(采集无遮挡处)，高程精度相较差，高程点检核数据发现一个高程注记的粗差，原因是该出植被较为茂密，无人机倾斜摄影测量数据得高程数据为植被上的数据，并不是实地真实的高程值。总体来说，本次通过无人机倾斜摄影测量获取的带状地形图数据符合规范的要求，成果质量是真实可靠的。

4 结束语

本文通过具体的实践项目分析表明，将无人机倾斜摄影测量与传统的数字测图技术有机融合，大大提高了带状地形图的作业效率，地空协同的作业方法构建了一种新型地形图更新模式，有效改善了传统地形图测绘人工投入大、作业周期长、更新效率低等弊端。无人机倾斜摄影测量通过建立实景三维模型和正射影像数据将地形图的数据采集通过数据处理软件来完成。项目采用CASS3D软件成功完成了带状地形图的数据采集及地形图成图，同时该成果的精度符合生产的要求，表明这种地空一体化的地形图更新模式是有效的。往后数据采集技术将进一步发展以及数据处理软件将更成熟完善，降低人工处理数据的工作量，城市基础地形图数据的更新必走向更加高效、智能化的道路。