梁荣东

【摘  要】随着科技的进步，无人机、激光雷达等新设备和新技术不断涌现，为数字化大比例尺地形图测绘提供补充和优化方案。论文以大比例尺地形图测绘作为研究方向，分析无人机倾斜摄影测量技术、激光雷达点云和农村房地一体不动产数据在成图过程中的应用，以无人机倾斜摄影测量技术为重点进行分析，以供参考。

【Abstract】With the progress of science and technology， UAV， lidar and other new equipment and new technologies continue to emerge， providing a supplement and optimization scheme for digital large scale topographic map surveying and mapping. This paper takes large scale topographic map surveying and mapping as the research direction， analyzes the application of UAV tilt photogrammetry technology， lidar point cloud and real estate data of rural real estate integration in the mapping process， and focuses on the analysis of UAV tilt photogrammetry technology， for reference.

【關键词】倾斜摄影测量;大比例尺;地形图

【Keywords】tilt photogrammetry; large scale; topographic map

【中图分类号】P217;P231                                             【文献标志码】A                                                 【文章编号】1673-1069（2021）07-0154-03

1 引言

近年来，我国以无人机为飞行平台，搭载不同任务载荷获取服务于地形图测绘所需的相关数据。无人机搭载五拼相机进行倾斜摄影测量，构建三维模型可以准确、快速地获取房屋、大型水闸等构筑物的三维立体模型，通过边线采集，可以获取高精度矢量数据。无人机搭载机载激光雷达，获取相关地区高密度雷达点云，通过点云连线即可获取有效矢量数据，机载激光雷达技术发射的激光脉冲信号对植被具有一定的穿透能力，可以减少植被枝叶遮挡造成的信息失真，获取林区的真实地形数据。而对于树木遮挡严重的农村区域，我们可以通过各地已经完成的农村房地一体不动产登记测量数据进行补充。近期安徽省第四测绘院综合运用以上相关技术完成了安徽省全椒县的数字化大比例尺地形图测绘，本文以此为例，展开研究。

2 数字航空摄影测量地形图

航空摄影测量获取航空影像是本项目的主要作业方式和数据来源，经典技术流程如图1所示。

3 无人机倾斜摄影测量概述

随着无人机技术的发展和进步，特别是后处理软件的逐渐成熟，倾斜摄影测量技术已广泛应用于房屋调查登记、文物保护、水利等领域，以无人机为依托，搭载五拼相机，合理设置拍照模式、分辨率、重叠度等相关参数，在保证安全的前提下，软件自主控制飞行。飞机返航后，通过下载数据，人们可以获取到1个下视和4个斜视的五视角照片，将获取到的照片导入专业软件进行处理，通过计算机对相关图像信息进行分析、处理结合外业控制点测量工作，得到高精度三维立体模型，最终完成高精度三维建模，生成空间三维模型。这也是一种地形反映方式，能够精准获取地形、地物信息。

3.1 意义

倾斜摄影测量技术具有灵活、高效、低成本高精度等优势，将其应用于大比例尺地形图测绘，可以弥补传统航测技术的一些不足。该项目前期航摄到内业初步成图历经数月，部分地区地形地貌发生较大变化，部分造型奇特的别墅区已建成，测区内还分布有寺庙等古建筑，传统摄影测量技术很难准确获取此类建筑物的准确空间信息，采用无人机倾斜摄影测量，制作建筑物三维模型、生成地形等高线、点，通过采集，可以起到补测作用，提高质量和效率。

3.2 优点

3.2.1 精度高

基于倾斜摄影技术构建三维模型，通过采集特征线获取构筑物的长宽及坐标信息，精度为厘米级，完全符合国家大比例地形图规范要求。

3.2.2 效率高

倾斜摄影测量技术使用商用无人机搭载相机可以快速采集影像数据，实现全自动化的三维建模，节省测量时间，具有高效性。

4 倾斜摄影测量技术的应用

倾斜摄影测量技术应用流程为：飞前准备→参数设置、航线设计→影像获取→构建三维模型→数据采集处理。针对大比例尺地形图测绘技术要求，为有效提高该技术应用合理性，操控人员需合理设置相机参数、航线重叠度以及飞行高度等主要参数，做到既不浪费又满足精度要求。

4.1 飞前准备

①收集测区现有资料，包括已有地形资料、气象数据、地磁环境信息等，并对资料仔细分析，最大化利用。②确认测区是否位于军事限制区或者是否存在敏感禁飞区，保证国家信息安全和航飞安全。③严格按照国家相关法律法规要求进行空域申报和飞行报备。④为提高精度，可以在飞前制作像控点标记并测取像控点准确坐标。像控点是倾斜摄影测量控制加密和测图的基础，因此，像控点位置选择及指示点位的准确程度直接影响测量成果的精度[1]。像控测量的目的是保证空三精度、确定地物目标在空间中的绝对位置，外业像控点测量要严格按照《航外规范》的要求，进行人工野外测量。人工制作的像控标志要设置于开阔无干扰地带，标志点要规范清晰、不易挪动和遮挡，外业使用网络RTK技术获取平面坐标和高程坐标。

4.2 参数设置、航线设计

正确设定飞行器传感器参数，根据要求设置地面分辨率、航高、重叠度、拍摄间隔等各项对质量有重要影响的参数，使各项操作能够始终保持较高的精准度，在无人机起飞前，要做好调试，确保各单元运行正常。此外，借助三维模型处理软件，测量人员应做好比例尺调试，确保整个数据处理工作体现出较高的时效性。

4.3 影像获取

无人机自主飞行，各传感器都是由软件控制，搭载的相机自动等距拍摄，在确定曝光点后，各个镜头以相应的坐标位置，在多视角基础上，曝光拍摄获取影像资料。飞行完成后，要及时下载照片数据、POS数据等有用数据并进行初步处理。

4.4 三维模型构建

与传统航空摄影测量相比，倾斜摄影获取的影像数据量更大、重叠度更高，因此，其处理算法、流程也不同。目前，在倾斜摄影的处理过程中引入计算机视觉中的多视几何原理，完成空中三角测量、模型重建等过程。鉴于倾斜摄影数据量巨大，全范围一次进行空三处理，十分耗时且硬件设备难以支撑，故而在空三建模时将测区划分多个子区，以子区为单元使用多台电脑集群运算进行空三处理和模型构建，而后以控制点为纽带进行拼接，以此提高效率。

4.4.1 空三加密和优化

空中三角测量即空三加密，是倾斜摄影三维建模的核心，可有效实现倾斜影像处理恢复影像外方位元素。空中三角测量的关键点是倾斜影像与正摄影像间的混合平差，采用光束法区域网整体平差方法进行，即以一张像片组成的一束光线作为一个平差单元，以中心投影的共线方程作为平差单元的数学模型，通过各光线束在空间的旋转和平移，使模型之间的公共光线实现最佳交会，使整体区域最佳地嵌入控制点坐标系中，从而恢复地物间的空间位置关系。需要注意的是，倾斜影像在空三加密过程中，要输入像控信息并准确刺点，确保倾斜影像的同名连接点能够有效实现自动匹配。安徽省第四测绘院配有Smart3DCapture建模软件，空三计算自动完成，如果在结算过程中出现错误，软件会进行相机参数和POS数据的同步检查。经过空三加密处理后，根据测量分析结果完成输出工作。

4.4.2 构建三维模型

将影像导入Smart3DCapture，经过同名点选取、多视匹配、三角网（TIN）构建、自动赋予纹理等步骤，最终得到三维模型，即通过明确多视影像技术要点，经过密集点云匹配、点云融合与构网、无缝自动纹理映射等步骤，实现三维模型自动构建。通过使用Smart3DCapture软件以及倾斜摄影测量技术，在模型构建方面，体现出较为明显的有效性，在完成构建后，模型具有较高的分辨率。总体而言，三维模型构建包括数据导入、影像数据处理、平差处理等流程。环节众多并且相对复杂，因此，工作人员应以倾斜摄影数据作为基础，确定相应的控制点数据，配合使用Smart3DCapture软件，自动构建模型。在模型重建完成之后，会发现有部分模型存在漏洞、破损的情况，通常存在于匾额、水域等位置。这些问题虽然不能对模型精度产生较大的影响，但是由于这些问题的存在会严重影响模型的视觉效果，因此，需要加以人工处理之后才能恢复原貌[2]。

4.5 数据采集处理

以构建好的三维模型作为基础，使用EPS软件通过不断进行视角切换，实现地物观测，并且能够进一步采集到相应的地貌要素。地物要素主要采集方式为人工完成，借助直线、垂线等相关工具，采集相关地物要素。以建筑物为例，建立在多视角基础上，自动识别建筑的所有边缘部分，并进一步构建出初步轮廓，通过提取，可以获取建筑物的准确空间信息和线划数据。地貌要素主要采集手段为三维信息处理，借助有效自动化手段，提取出相关信息，包括等高线、高程点等。通过合理使用软件，能够自动完成对相关地貌要素信息的收集。在准确提取出相应的等高线、高程线及边线信息后，需要对数据进行人工综合取舍。

另外，在整个采集工作过程中，部分房屋会存在严重遮挡情况，要及时予以相应的处理。本项目采用套合使用农村房地一体不动产登记数据予以弥补。在这些区域农村房地一体不动产登记数据采用全站仪实测，数据精度更高。针对部分山地林区，本项目应用激光雷达技术，可有效保障地形、地貌采集效果。机载激光雷达技术是一种主动式测绘地表空间信息的技术手段。通过主动发射激光脉冲，获取探测目标反射回来的信号并处理得到地表目标的空间信息。机载激光雷達技术有不受天气、光照等条件制约的优势。机载激光雷达发射的激光脉冲信号能够部分穿透植物枝叶直达地表，能有效降低覆盖影响导致的地表地形信息失真。LiDAR获取高密度点云，保证了连线数据的较高精度，完全符合大比例尺地形图测绘精度要求，因此，将机载LiDAR合理应用在大比例尺地形图中，完成对信息的补充获取，可更好地满足测绘实际需求。

此外，由于大比例尺地形图相对于倾斜摄影测量数据、LiDAR高密度点云连线数据和不动产数据精度要求要低，而且大比例尺地形图有国标规范，因此，要对倾斜摄影测量数据对照规范和技术设计书进行必要处理，本项目规定：房屋和围墙外围轮廓的凸凹部分小于图上0.3mm（含）、简单房屋外围轮廓的凸凹部分小于图上0.4mm（含）时，可用直线连接;底层未落地的阳台不表示，落地阳台按房屋表示，凹进墙体的内阳台按房屋表示;过街天桥按桥面轮廓投影表示，桥的墩柱不表示;半地下室（由于地势高低原因，房屋一侧是地下室，另一侧是外露的）不计入房屋总层数。

5 结论

倾斜摄影技术在各领域工作中发挥出了巨大的作用。我们以项目讨论技术，最终用技术推动了项目，充分利用新技术和现有数据为项目的顺利完成打下基础，多源数据的应用保证了本项目的顺利完成。空间信息是我们接触最多应用最广的信息，未来的测绘技术是空间大数据信息的高效获取和多源数据的充分融合利用。

【参考文献】

【1】CH/Z 3004—2010低空数字航空摄影测量外业规范[S].

【2】谭仁春，李鹏鹏，文琳.无人机倾斜摄影的城市三维建模方法优化[J].测绘通报，2016（S2）：193-196.