马学峰 张 源 屈利娜 全境富

（湛江市规划勘测设计院，广东 湛江524002）

传统地形图测图作业方法，需耗费大量人力物力、工作强度大、效率低、操作工序复杂。近几年，新兴的无人机倾斜摄影测量技术可以短时快速获取影像数据，具有高速灵活、高效可靠、低成本高精度等优势，广泛被越来越多的行业所认可和应用。通过构建三维模型，可以将外业工作搬到内业电脑中，可以有效地提高作业效率和减少外业测量的工作。2019 年11 月，湛江市规划勘测设计院承接了某区域的1:500 地形图测量项目，测区面积2.3 KM2，测区地势起伏较大，有村庄、成林、水塘等。测区位于禁飞区外，无高大建筑，飞行条件良好。

1 倾斜摄影的原理及技术

1.1 倾斜摄影航摄平台

在倾斜摄影中，原始影像获取的重要设备是航摄平台，它在影像获取过程中有着不可替代的作用和地位。航摄平台由航摄飞行器与航摄仪组成，航摄仪的性能参数，对飞行载体提出来明确需求，飞行载体允许到达的高度、速度和效率为航摄仪提供了直观的选择依据。

1.2 倾斜摄影原理

倾斜摄影技术的核心部分包括：飞行器、倾斜相机，POS 系统。飞行器上搭载的倾斜相机，同时获取前、后、左、右、下视的高分辨率影像，搭载在飞行平台上的GPS/IMU 系统获取POS 数据和像控点数据，运用与设备相匹配的软件，对这两种数据进行一系列处理，最终获得实际生产中的三维模型。

1.3 无人机倾斜摄影测量关键技术及特点

1.3.1 关键技术

由于无人机倾斜影像畸变较大，对影像匹配精度有更高的要求，传统的配准方法在匹配精度方面有局限性，近年来，提出了基于多视角倾斜影像的密集匹配技术[1-2]，而且做了很多研究。研究结果表明，基于多视角倾斜影像的密集匹配技术可以获取高精度的同名点，研究结果为实现全自动精细三维建模提供了强有力的技术支持[3]。

1.3.2 特点

无人机倾斜摄影测量主要有以下特点：

a.无人机可以直接在空旷区域进行起降，不要太大的空间，对起降环境要求较低。

b.无人机飞行高度在几十至几百米之间，受天气影响较小，工作效率高。

c.无人机拍摄影像分辨率高，它所搭载的数码相机低空分辨率可达到厘米级，可以清晰的看到顶部和侧面的纹理。

d.建模效率高：无人机倾斜摄影技术可自动实现数据采集、快速三维建模等。

2 基于倾斜摄影生成三维模型测绘地形图的流程

基于无人机倾斜摄影生成三维模型测绘地形图技术主要包括：合理布设像控点及坐标测量、无人机倾斜摄影获取、三维模型建立、地形图制作，具体技术流程。

图1 具体技术流程

3 无人机倾斜摄影测量

3.1 外业数据获取

本项目使用大疆精灵4 RTK 型无人机，选用3D/五向飞行模式，飞行高度为70m，航向重叠率80%，旁向重叠率70%，分别采集前、后、左、右、下视的影像信息。

3.2 数据处理流程

全自动化三维建模，主要是在摄影测量的基础上，对获取的倾斜影像进行初步预处理、多视角影像的匹配、三角网的构建、纹理贴敷等流程，最终得到高分辨率的三维模型[4]。目前自动化建模主流软件为Smart3D 软件。

将野外像控点的坐标数据、影像数据（精灵4RTK 影像含POS 数据）导入软件进行全自动化三维建模。在计算三维模型数据或3D TIN 纹理方面，Smat3D 自动建模系统并不需要人工干预。

3.2.1 空三处理

在Smart3D 软件中，导入影像数据（含POS 数据），经过提取特征点，提取同名点、相对定向、匹配为连接点、区域网平差等步骤的运算处理，得到摄区合格的空中三角测量成果。

3.2.2 密集点云生成

根据输出的空中三角测量成果，通过提取的影像特征点，生成高密度点云数据。

3.2.3 构建TIN 网模型

模型制作的计算任务量较大，为提高数据处理速度，处理过程中将摄区分割成N 个模型小块进行处理。对在每个模型区块内精细构网，可以快速生成TIN 网。

3.2.4 自动纹理映射

对TIN 网模型进行自动纹理映射，生成基于高分辨率影像的真实纹理的三维模型。此模型可以输出为OBJ、OSGB 等格式，可以导入市场上主流应用平台，应用客户浏览。

3.3 三维模型矢量化采集

iData 3D 是一款集测绘数据采编成图、数据入库、产品制作和生产任务管理于一体的地理信息数据处理平台。它可在实景摄影测量环境中进行大比例尺测图作业。

3.3.1 数据采集

将iData 数据工厂利用海量点云和倾斜三维模型数据，直接基于点云或DSM生产DLG 数据，不仅操作简便，同时满足GIS入库要求。

iData 可直接打开Smart3D 生产出来的osgb/s3c 格式的倾斜三维模型，也可根据DEM 和DOM 成果生成osgb 格式的DSM模型，再进行加载显示。本文中采用倾斜三维模型进行数据采集。

基于三维模型的DLG 立体采集基本作业流程如下：

图2 采集作业流程

3.3.2 iData 3D 数据采集模式

a.矢量数据提取

iData 3D 是以iData 数据工厂为基础，作业环境是二三维一体的，我们通过测图软件对房屋矢量面，包括地面的点状地物和线状地物的提取，精度可靠。

图3 线状地物采集

b.直角绘房

该功能一般多适用于墙面较平整的建筑物，用户只需采集第一个墙面上任意两点，再依次采集其他各墙面上任意一点，即可绘制出直角房屋（即房屋内角都为90°）。

若其中一个房屋墙面与上一个墙面不垂直，称这个面为非直角墙面。直角绘房时可选取该非直角墙面的任意一点作为墙面，先完成其他直角墙面的绘制，生成第一个房屋面；然后再二次使用直角绘房命令，精确绘制该非直角墙面，虚构其他墙面形成闭合的第二个房屋面；最终用第二个房屋面裁剪第一个房屋面即可切出该非直角墙面。相比于一次性绘制出的房屋面，该方法降低了人为采集的误差，精度更高。

图4 房屋采集

除上述通过墙面采集建筑物各边，俯视看建筑物时，采集屋顶各边也可以实现直角绘房，同样第一条边线上要采集两点，其他各边各采一点。

c.高程点采集

iData 3D 可直接在三维模型上采集高程点，打点时应选取硬化铺装的地面或者无植被遮挡的裸露地表，根据制图比例尺均匀的采集高程点。

图5 高程点采集

d.赋予编码

iData 自带字典功能，操作简单，无需记住所有cass 编码。

4 基于无人机倾斜摄影的地形图精度分析

结合机场项目测区实际情况，对以上方法获取的地形图的精度进行分析[5-6]，本文中通过外业作业人员使用RTK 获取道路拐角、房角、路灯等可以快速测量的无遮挡的特征点，用于检验通过无人机倾斜摄影建立的三维模型矢量化的地形图精度。采集的地形图如下图所示：

图6 采集过程示意

图7 地形图结果

4.1 地形图平面精度检查

为验证机场项目测区的地形图平面精度，在项目测区外业均匀采集15 个平面检查点，并与内业采集的点位坐标进行对比，平面统计精度见表1。

表1 平面统计精度

由以上统计结果可知，检查点点位中误差为0.143m，按照《城市测量规范》CJJ/T8-2011 中关于图上点位中误差为0.5mm，按照1:500 比例尺，则换算成实际允许的最大点位中误差为0.25m，通过实际检查点的精度比较，可知完全满足1:500 比例尺地形图精度。

4.2 地形图高程精度检查

为验证机场项目测区的地形图高度精度，在项目测区外业均匀采集25 个高程检查点，并与图上高程进行对比，高程统计精度见表2。

由以上统计结果可知，检查点点位中误差为0.107m，按照《城市测量规范》CJJ/T8-2011 中规定，平地高程中误差为1/3*H，H 为等高距，1:500 比例尺平地地形的等高距为0.5m，根据以上公式可以得出允许最大高程中误差为0.167m，通过实际检查点的精度比较，可满足1:500 比例尺地形图高程精度。

表2 高程精度统计

5 结论

基于无人机倾斜摄影测量技术进行三维建模是一个复杂的过程，包括数据采集、处理分析、三维建模及数据管理等工作。项目实践证明，通过三维模型生产地形图的方法，从野外工作量、作业复杂程度、成图周期等方面明显优于传统的地形图采集，从精度方面统计，地表裸露区域能够满足1:500 比例尺平面和高程中误差要求。但是，受限于倾斜摄影作业模式，无法采集被成片植被覆盖的区域的影像信息，因此这部分区域仍采用传统的外业作业方式进行地形的采集。基于无人机倾斜摄影的大比例尺地形图生产模式，在小范围测图，具有一定的实际应用价值和意义。但如何做到影像采集效率更高、三维模型精度更高、矢量采集速度更快，都需要在实践中进一步的探索和研究。