无人机倾斜摄影快速地形图测绘方法研究

[摘 要]  近年来倾斜摄影测量技术由于其具有较好的灵活性，且生产效率高，周期短，成本低等特点，在测绘领域广泛使用。传统的地形图测绘对于外业的要求较高，需要大量的人力、物力和财力的支持，不仅浪费了大量资源而且内业出图效率较低。将无人机倾斜摄影测量获得的三维模型运用到室内，针对三维模型进行内业地形图绘制，有着巨大的优势和很好的应用前景。本文以山东科技大学校园为例，运用倾斜摄影测量技术建模，并针对三维模型运用EPS软件进行地形图测绘，具有一定的实际意义。

[关键词]  倾斜摄影；建模；地形图

倾斜摄影测量技术是目前发展较为迅速的一种新兴技术，它不仅能够真实地反映地物情况，而且使目前高昂的三维城市建模成本大幅降低，大大提高三维城市建模的速度。倾斜摄影技术对于发展智慧城市有很大的推动力，其提供的一系列的地物信息，可以构建三维城市模型，为智能化的管理提供了便利条件。传统的地形图测绘常采用全站仪和RTK 外业采集数据，程序复杂且工作量大，许多学者针对正射影像图进行地物和地貌编辑属性，然而由于正射影像图是二维平面进行内业绘图时人工识别边界线难度较大，且精度较低，如果能利用正射影像图与三维模型进行一体化操作将大大提高地形图测绘效率且解决了精度问题。本文以山东科技大学某典型区域为例，进行摄影测量建模，针对模型内业进行地形图测绘，并对建模和地形图成果进行精度验证，可满足1∶500地形图测绘精度要求。

山东科技大学位于山东省青岛市黄岛区，学校占地面积约三千多亩，测区内环境复杂，树木林立，建筑物较多，校园内人工湖、丘陵众多，高差较大，最大达到200多米，此外校园内人流、车流量较大，因此给传统测图带来诸多不便。

我国目前大部分的地形测量都是使用传统的全站仪及GPS外业测量，不仅耗时耗力，效率较低，且成本较高。本文使用ContextCapture建模成果联合EPS软件进行地形图的勾绘，对其方法及其特点进行研究。

2.1 倾斜摄影测量外业数据采集

本次主要任务是完成校园的建模工作，外业数据采集拟计划两天时间完成，内业拟计划三天时间，技术设计参照现行国家标准按照《摄影测量国家规范》(GB/T50353-2005)执行。

像控点的测量使用GPS技术，由GPS-RTK采集像控点的三维坐标[5]。无人机倾斜影像采集使用DJI无人机，主要设备有：大疆M600pro无人机一架、IPAD一个、遥控器一个、电池两组(12块)、双鱼4.0倾斜相机一个(自带GPS和PPK模块)、减震云台一个、GNSS一台、基座一个、脚架一个、卷尺一把。双鱼倾斜相机以前中后摆为一个周期，来进行六个方向的数据采集，以达到六台相机同时拍照的效果，如图1所示。

图1 DJI M600pro无人机搭载双鱼4.0

外业数据采集流程如下：

(1) 准备工作：准备工作包括DJ无人机螺旋桨和电池安装和DJ　GS　Pro软件连接，参数设置，以及在已知点架设基站采集静态数据并量取天线高;

(2) 起飞：准备工作结束无误后，开启相机，点击软件起飞触屏无人机接收到指令开始盘旋爬升，爬升至指定航高后飞向航线，飞行高度可以根据项目情况合理选择，本次飞行高度设置为70m;

(3) 航线飞行：无人机在爬升至指定航高后，会根据地面站的设置沿航线飞行，飞行过程中无人机按飞行计划可以选择一定时间差拍摄照片;当无人机中途电量不够时选择一键返航，换上新电池后选择断点飞行，本次航向重叠率设置为80%和旁向重叠率设置为70%;

(4) 降落：无人机在飞行完成所有航线后，按照规定设置到达返航高度，按照飞行计划在分行点缓慢降落，降落至区域规定位置;航拍任务完成后将航拍影像数据全部导出检查，主要是检查航拍任务执行情况是否与设置一致，检查POS数据和RTK数据是否正常以及照片质量是否有曝光过度、模糊不清、抖动等情况出现，若出现上述情况则重新补拍或者重新设置航线飞行，若无质量问题，则可继续飞第二架次。外业采集到的影像如图2所示。

2.2 三维模型构建

三维建模流程如图3所示。打开Context-Capture软件，点击工程，新建工程，编辑工程名称(工程名称不能为中文)，选择工程文件位置。点击菜单栏区块，选择导入区块，在计算机中找到区块文件，导入即可，影像数据自动导入进去了。可在概要中看到影像数据信息及区块信息，区块3D视图效果。

图3 Smart 3D三维建模流程图

选择控制点，编辑控制点信息，点击右上角提交空中三角测量，进行参数设置。定位模式选择自动垂直，使区块垂直方向根据输入的影像方向进行调整，区块尺度和朝向保持任意。点击提交，等待计算机进行空三计算。由于数据量较大，故继续按时间较长，耐心等待。

空三计算完毕后，点击右下角新建重建项目，点击空间框架，对区块进行切块，由于整个区块空间过大，计算机无法满足要求，所以需要切块进行重建，并且对区块进行收缩，将周边多余的数据去掉，减少模型重建的时间。模型的生产结果可以是很多种格式，根据不同的需要选择不同的生产格式，本次建模的需要导入EPS和在Acute3DViewer内实现可视化，因此，本次需要重建两种格式的成果，分别为.osgb格式和.3mx格式。所以在格式选项里选择对应的格式进行重建。

模型建立过后，在Acute3D Viewer内可查看.3mx格式数据效果，在文件指定位置打开即可(图4)。

2.3 基于EPS1∶500地形图测绘

打开EPS软件，新建一个工程，将Context-Capture输出的建模成果导入EPS中需要建立一个索引文件。菜单启动三维测图子菜单下面的osgb数据转换，通过倾斜摄影的data文件目录(瓦片数据)与metadata.xml文件生成DSM实景表面模型。转换后，会在data文件内生成一个DSM 文件，然后加载本地倾斜模型，选择.data文件里的DSM 文件并打开。

模型加载后，在三维界面内对地物进行编辑。首先勾画房屋，在工具栏居民地选择建成房屋，由于不是普通房屋，所以使用墙面提取画法(图5)。

具体操作方法如下：

(1)在墙面采集一点，将鼠标放至同一墙面的房檐上按Shift+A键，将第一点高程升至房檐;

(2)在同一墙面上选择第二点;

(3)在其他每一个面上按住Ctrl用鼠标左键点一点直至回到第一面;

(4)按X键退回最后一点到房屋角点，Z键回到第一点，X键将第一点退回至房屋角点，按C键闭合。

(5)在弹出窗口录入房屋结构和层数。

房屋勾画完之后勾画道路，在快捷工具栏内选择交通，根据不同的道路选择要勾画的道路属性。因为此处道路为校园内部道路，因此选择内部道路边线进行勾画。倾斜模型中的植被或高层建筑经常会影响测图，这个时候可以对模型进行切割显示。植被切除后，道路的绘制就清晰了。

切割后便可勾画道路。画道路首先使用快捷方式画一条道路边线，再使用平行线画法画另一条道路边线(图6)。

图6 道路边界线编辑

然后勾画植被，植被的勾画利用其他地物的边线作为边界，如果没有其他地物，则使用地类界围起来，并使其闭合。边界画完后，使用快捷方式“G”进行填充，填充前选择植被编码类型。其他地物按照以上画图方法进行勾画即可。

3 精度分析

利用三维测图来进行1∶500地形图测量要看是否满足其精度，因此需要进行精度验证。利用RTK技术布设像控点时，以同样方式在测区均匀布设几个检查点，便于内业后期检查。在建模过程中，空三计算完毕后，选择输入像控点坐标，将事先在现场测好的像控点坐标输入进去，再次进行空三计算。

然后建模，这样建立出来的模型和国家坐标系统一，在画图时，可以随时查看模型每一点的坐标。

然后用EPS将模型导入，选择4个检查点，在三维模型界面找到对应的检查点，查看模型上的坐标，与实际坐标进行对比，计算两者误差大小。

模型坐标与实地坐标对比如下：

数据显示，三维测图精度大约在5cm左右，由于模型分辨率的影响，导致误差偏大，但如果模型分辨率好，精度便可提高。正常分辨率在3-5cm左右，所以三维测图的精度是可以满足1∶500地形图精度要求的。

传统的野外地形图测绘对于外业人员来说无疑是一件十分头疼的事情，但采用倾斜摄影与EPS结合的三维测图可一定程度解决这一问题，能大大减少外业的人力物力，节约时间，提高工作效率，同时还能提高测图质量和精度，因此不久的将来倾斜摄影技术用于地形测绘将成为新趋势。