中石油管道局工程有限公司天津设计院 天津市滨海新区 300280
摘要：随着我国倾斜摄影技术发展与进步，逐渐在多个领域广泛使用，受到航空遥感业界的重视，已成为当前各领域研究的重点。本文中以无人机倾斜摄影测量系统为切入点，阐述其在大比例尺地形测绘中的应用，希望通过本文论述，为类似研究提供借鉴与参考。
关键词：无人机倾斜摄影测量；大比例尺地形测绘；应用分析
随着城市的快速发展和城市规划管理水平不断提高，传统的基于二维图纸化管理手段已经难以满足管理和决策的需要。近年来，城市规划管理技术也历经变新，尤其无人机倾斜摄影测量技术在大比例尺地形测绘的应用，为规划管理注入了的新的活力。本文就此展开论述。
1、倾斜摄影测量技术分析
倾斜摄影测量技术主要是通过在飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直和倾斜等不同的角度采集影像数据，拍摄相片时，同时记录一些其他的姿态数据，比如航速、航向、航高、纵向重叠和旁向重叠等信息，然后对倾斜影像进行后处理。
倾斜摄影测量技术并且可以应用到无人机上，无人机倾斜摄影技术通过超低空倾斜摄影，从一个垂直和四个 45 度倾斜的方向获取高清立体影像数据，并多角度采集信息，配合控制点或影像 POS 信息，影像上每个点都会有三维坐标，基于影像数据可对任意点线面进行量测，获取厘米级的测量精度并自动生成三维地理信息模型，快速获取地理信息，对建筑物等地物高度直接量算；影像中包含丰富的真实环境信息，可对影像信息的进行进一步的处理，具有低成本、高效率、数据精度高、操作方便等优点，极大优化测绘内、外业的并行工作，较为圆满的解决了天气或人工等外因造成的作业延误。
2、倾斜摄影测量的过程
倾斜摄影技术不仅在摄影方式上区别于传统的垂直航空摄影，其后期数据处理及成果也大不相同。倾斜摄影技术的主要目的是获取地物多个方位（尤其是侧面）的信息并可供用户实时量测、多维浏览，并且方便获取多方面的信息。
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倾斜摄影系统主要分为三大部分构成：
第一部分为飞行平台，小型飞机（例如中国的运十二、运五）或者无人机（LT-150 型无人机等）；
第二部分为人员，机组成员和专业航飞人员或者地面指挥人员（无人机）；
第三部分为仪器部分，传感器（多头相机、GPS 定位装置获取曝光瞬间的三个线元素 x，y，z）和姿态定位系统（记录相机曝光瞬间的姿态，三个角元素φ、ω、κ）。
在倾斜摄影测量过程中，倾斜摄影的航线是在当地遥感数据或者地图数据的基础上，采用专用航迹规划软件进行飞行路线的模拟。其航高主要根据最终的航拍产品的比例尺和采用的镜头分辨率决定。航线设计一般采取不低于 30%的旁向重叠度，不低于 54%的航向重叠度。航迹规划软件生成一个具体的飞行计划方案，该方案包含飞机的航速和航线坐标及各个相机的曝光点的 GPS 坐标位置。实际飞行中，各个相机根据对应的曝光点坐标自动进行曝光拍摄。
3、无人机倾斜摄影测量系统应用分析
3.1 测区介绍
任务区位于距离兰州东南 50 Km 的榆中县马坡乡张家寺村。测区是长约0.8 Km、宽约0.44 Km、面积约 0.35 K㎡ 的居民点集中区域。属于高寒二阴山区，平均海拔约 2 550 m，高差约 100 m，飞行空域良好。
3.2 航空摄影
航摄设计以地面监控软件 GCS3.00 浏览目标区域时自动下载的谷歌影像数据为基础，确定任务区域范围，根据输入的地面分辨率、相对航高、基线、航线间隔等信息，自动创建飞行计划。检查无误后将飞行计划传输到无人机控制系统内，完成航线设计。
无人机调试结束后即可择机起飞，本测区共飞行 4 架次，获取 0.02 m 分辨率的倾斜摄影影像数据以及 POS 数据。
3.3 地面控制
测区的地面控制为每隔 400 m 选刺了像控点共计 19 个。同时，为了检验三维模型精度，在任务区内选刺明显地物点作为检查点，共计 22 个。控制点、检查点的施测采用基于 GSCORS 站网络的 RTK 定位方法，为了保证控制点质量，每个控制点采用双点法测量，测量时间为 10 s。平面坐标系统采用“2000 国家大地坐标系”，高程基准为“1985 国家高程基准”。
3.4 内业三维建模
内业采用 Smart3Dcapture 自动建模软件建立高清三维模型。Smart3D 是法国 Acute3D 公司研发的一款自动建模软件，它是基于图形运算单元 GPU 的快速建模产品，可以对一组静态建模主体从不同角度拍摄的数码照片作为输入数据源，在无需人工干预情况下进行快速、简单、全自动的输出高分辨率的带有真实纹理的三角网格模型。
在数据处理时，将作业时拍摄的前视、后视、下视、左视和右视 5 组影像，以及 POS 数据整理编辑导入，控制点影像关联后进行空三解算，通过高性能图形工作站全自动构建三维模型，全自动获取纹理形成真实三维场景。
3.5 矢量测图
矢量测图利用北京清华山维公司研发的 EPS 地理信息工作站（以下简称 EPS 软件）进行数字化测图。通过 EPS 软件调用三维模型 osgb 数据，转换成EPS 识别的 DSM 数据，无须佩戴立体眼镜，即可在带有真实地理坐标信息的三维实景模型上进行数字化测图，采集房屋、道路、河流、地貌等地物。
3.6 精度评价
通过 Smart3D 建模软件数据导入、控制点关联影像数据、进行空三加密后，自动建立三维实景模型。为了检验三维模型精度，保证后期地形图测图精度，利用布测的检查点对三维实景模型进行了精度检测。根据国家测绘标准《1：500、1：1 000、1：2 000 地形图航空摄影测量内业规范》（GB/T 7930—2008）规范要求，1：500 平地、丘陵地平面位置中误差应不大于 0.2m，平地高程中误差在0．2 m 以内，丘陵地0．4 m 以内。从表3 可以看出倾斜摄影三维实景模型的平面中误差、高程中误差均优于规范要求的精度，表明可以直接基于三维模型进行大比例尺 DLG 的采集生产。
通过 EPS 软件加载三维实景模型，按照数字化测图方法直接在三维环境下完成道路、水系、建筑物等各类地物要素的采集工作。同时，在任务区通过实测法记录明显地物点 25 个，与内业采集成果进行对比，其中平面最小误差 0.01 m，最大误差0.16 m，中误差 0.08 m；高程最小误差 0.00 m，最大误差 0.12 m，中误差 0.08 m。平面、高程精度均比较理想，远远满足 1：500DLG 规范要求。
3.7 结果分析
本项目依托旋翼无人机搭载超轻型倾斜相机，在任务区获取 2 cm 高分辨率影像数据，利用专业建模软件快速建立实景三维模型，并成功进行了基于三维模型的大比例尺地形图数字化测图。其中在房檐改正环节，根据房屋特性，基于三维模型可以实现在内业快速进行房檐改正，替代传统的滴水线法、垂线法、对边等量压缩法等外业方法获取房檐改正值，省去了大量外业工作。结果表明，在小区域采用无人机倾斜摄影测量技术进行大比例尺地形图测绘的方法是可行的，而且精度能够完全满足规范要求，在一定程度上可以提高工作效率，降低劳动强度。
但在实际项目生产中仍然存在一定的不足，具体表现为：①地面分辨率 2 cm 时，通过内业采集的DLG 中误差为 8 cm，受三维建模精度损失和人工采集误差影响，当影像分辨率低于 2 cm 时将有可能无法保证 1：500DLG 测图精度；②受电池续航影响，目前无人机倾斜摄影技术只适合于小面积、高分辨率数据获取，无法在大面积区域成批量开展工作。随着无人机技术和摄影测量技术的不断进步，相信在不久的将来无人机倾斜摄影测量能够在地籍测量、不动产登记等测绘领域得到更深、更普遍的应用。
结语
总之，斜摄影可以一次性获取几十平方公里的城市建筑物及地形模型，建模速度快，纹理真实性强，具有非常有冲击力的视觉感受。同时，倾斜航空摄影也能在建模之余，获得正射影像和数字高程模型
参考文献：
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论文作者:王青国
论文发表刊物:《基层建设》2018年第7期
论文发表时间:2018/5/24
标签：无人机论文; 测量论文; 模型论文; 误差论文; 建模论文; 数据论文; 比例尺论文; 《基层建设》2018年第7期论文;