无人机倾斜摄影在 1:500 地形图制作中的应用

摘 要： 随着无人机技术的发展，国内应用无人机进行 1:500 地形图测图的技术应用越来越广泛。但在浙江省省内，由于相关省标对 1:500 比例尺地形图精度的要求较高，基于无人机的 1:500 地形图航测应用还很少。针对以上情况，本文专门研究介绍了无人机倾斜摄影在大比例尺地形图制作中的应用技术，探讨了像控点的布置、影像数据的预处理、三维测图等的关键技术环节，并结合三门县沙柳街道 1:500 比例尺地形图航测成图项目的实践，完整描述了实际应用中的技术工艺，同时对地形图成果的精度进行了分析，验证了 无人机倾斜摄影技术应用于 1:500 地形图测绘中的可靠性。

关键词： 无人机；倾斜摄影；1:500 地形图

随着无人机技术的不断发展，无人机航测技术水平也得到了长足的进步，无人机航测方法以其机动灵活，高效快速，可视化强等方面的优势，越来越受到人们的青睐。但由于浙江省省标《1:500 1:1000 1:2000 数字地形图测绘规范 》（DB33/T 552-2014）对 1:500 地形图精度的高要求，阻碍了该技术在省内的应用。针对无人机在 1:500 地形图制作中的关键技术及其应用，尤其在成图精度方面，一直以来是省内测绘人士关注的核心问题。本文通过对无人机倾斜摄影技术进行研究和实践，证实和提出了该技术在 1:500 地形图制作中的可用性。

影响无人机航测成图成果质量的因素主要包括像控点布设、像片畸变纠正和内业测图三个环节。

像控点布设网形和像控点疏密，对成果精度的影响非常大。选点和控制网形状不合理，将产生无用像控点，最终影响成果精度；布设过于稀疏，将导致成果精度差，过于稠密又将大大提高测图成本。

无人机所使用的相机本身产生的像片畸变需要进行预处理，像片的畸变将会导致地物要素变形，从而使测图成果精度不一致，不均匀，无法达到稳定的精度。

内业测图是大量人工参与的环节，不同的技术方法对人员的要求不同，对成果精度也将产生较大的影响。

聚焦以上三点关键技术，结合相关的规范要求和执行原则进行研究后总结如下：

像控点是无人机摄影测量解析空三加密和测图的基础，用于空中三角测量或直接用于测图定向的像片控制点，其位置的选择、平面坐标和高程的测定直接影响到内业成图的精度。像片控制测量的布点方案分为：全野外布点方案、非全野外布点方案和特殊情况的布点方案 [1] 。像控点布置需要根据航摄资料、后续流程和成图精度等三方面的数据来确定像控点具体如何分布，以及需要布设的数量。

普通相机的畸变主要有以下类型：

（1）径向畸变：沿透镜半径发生的畸变。径向畸变主要有枕型和桶型两种，见图 1。

（2）切向畸变：透镜与相机传感器不平行造成的，见图 2。

除了上述两类变形外，像片畸变还存在对称以及非对称畸变两种类型。针对像片畸变，在无人机航飞前要进行相机标定或直接从相机厂商得到畸变参数。在进行空三加密时，应将相机畸变参数输入到软件，帮助软件对像片进行处理。

传统方法是解析法。解析法通常是采用航带法或独立模型法建立摄影测量网，再将若干条航带连接成一个区域进行区域网平差，从而构成摄影测量网的空中三角测量方法。建立摄影测量网和平差计算等工作都由计算机软件来完成。解析法对操作人员要求较高， 需要专门的 3D 显示器和佩戴专门的 3D 眼镜，不熟悉的操作人员对高程和平面的捕捉将引入错误，而因屋檐改正所引起的精度问题将严重影响成果的精度。本文采用的无人机倾斜摄影技术将提供三维模型，可基于 EPS 测绘软件进行基于实景三维的立体测图，实现所见即所得的地形图测图效果。基于三维模型的立体测图可直接量测建筑物的外墙，无需进行屋檐改正，大大提高了测图精度 [2] 。

坐标系采用台州 2000 坐标系统，测区中央经线设置为东经 121°21′，高程系统为 1985 国家高程基准。地形图成图比例尺为 1:500。

3.2.1 无人机作业平台

正式飞行前，首先要初步掌握测区地形、地物、交通等信息，根据测区内地形高低起伏差值，采用线路分段、分架次的作业模式。受单片电池容量限制，单次飞行作业时长控制在 40 分钟内。根据测区实际情况和作业要求，本次飞行设置无人机飞行相对高度为 110m，航线 320 条，地面分辨率优于 2cm，航向重叠度 80%，旁向重叠度 75%。

采取区域网布点法，选择在线状地物交点或地物拐角点上，应以影像清晰、便于准确刺点为目标，像控点之间的点间距约 200m。像控点的测量利用浙江 CORS 网，共布设 50 个像控点。

预先选定飞行器起降场地，起降场地要相对较平坦，四周开阔，并无大功率信号干扰。综合考虑天气等情况，选择航空摄影的日期与时间段，作业前检查飞机电池、遥控器、 控制平板电脑等设备，保证设备状态良好。无人机起飞后按照规划航线飞行，飞行过程中，操作人员需实时监测无人机飞行参数，参数包括飞行高度、飞行速度、电池电量、飞行拍摄轨迹等，要及时根据各种实时状况做出相应的操控，保证无人机的正常作业。

倾斜摄影建模采用软件为 Smart3D，配置 CPU 型号 R9-10900 服务器 5 组，耗时 9 个小时。输入像片、像控点、畸变参数，设置坐标系和中央经线，像控刺点后，进行空中三角测量，进而生成三维模型 [3] 。空中三角测量的精度在 1 个像素左右。

使用 EPS 软件，导入三维模型。1:500 地形图的测制，对精度要求最高的是一类地物。一类地物往往是沿街建（构）筑物。大部分沿街建（构）筑物具有屋檐，而 1:500 地形图的测制要求去掉屋檐，绘制与地面接触的墙体。地形图测制中，采用 EPS 的五点法进行建筑物的量测。首先在建筑物的第一个墙面上选择两个点，确定一个立面，然后依次在建筑物的其它墙面选择一个点，EPS 将通过对五个点进行空间运算和连接，形成一个闭合的建筑物外轮廓面。五点法的建筑物外轮廓面的采集方法，避免了屋檐改正，提高了精度，也比传统的解析法进行测图的效率提高了很多。其它二类、三类地物，可直接在模型上进行点、线、面的采集即可。

经过统计分析，沙柳街道采用无人机倾斜摄影测制的 1:500 地形图的精度满足浙江省《1:500 1:1000 1:2000 数字地形图测绘规范》（DB33/T552-2014）规范要求。但在个别隐蔽的区域（如植被覆盖严重），出现了少部分粗差（实际中采用常规方法进行了改正）。

本文通过对无人机倾斜摄影进行 1:500 地形图测制关键技术环节的研究和三门县沙柳街道的实例验证，完整描述了该技术的工艺流程和技术路线，证实了无人机倾斜摄影技术应用于 1:500 地形图测绘可满足省标相关规范的要求，该技术已经具备完备的软硬件装备等技术条件。该技术对各关键环节要求较高，必须充分重视，保证各环节技术指标到位。随着无人机、相机性能等的提高，该技术将越来越成熟，在省内的应用也将越来越广泛，对省内 1:500 地形图的生产效率带来极大的提升。