基于无人机倾斜摄影技术的大比例尺地形图测绘方法

城市大比例尺地形图测绘主要采用全野外数字化测量方法，效率低、劳动强度大。随着无人机倾斜摄影测量技术的飞速发展，采用该技术开展大比例尺地形图测绘成为探索和试验的热点课题。利用无人机倾斜摄影成果—数字正射影像和实景三维模型数据，采用二三维联动一体化测量软件，实现地理要素的测绘和更新。以济南市商河县老城区30km 1 ∶500 比例尺地形图更新为例，总结该技术应用于大比例尺地形图测绘的技术流程和技术优势。

1 引言

作为一项基础性测绘工作，大比例尺地形图测绘在城市规划建设、地籍与房产测量、工程施工测量等领域均发挥重要作用[1,2]。目前主流的大比例尺地形图测绘方式有全野外数字化测图方法、航空摄影测量方法。全野外数字化测图方法[3]外业工作量大，内业数据处理复杂，从而导致数据作业周期长、更新速度慢等弊端。传统航空摄影测量方法[4]主要用于1∶2000比例尺地形图的测绘，对于1∶500比例尺地形图，成果精度难以控制，特别是地形高程信息，一般需要采用全野外测绘的方式进行补测。

近几年，无人机航摄系统以其操作便捷、成本低、机动性强等特点，迅速得到推广应用。利用无人机航摄系统进行大比例尺地形图测绘，继承了无人机航摄技术特点，大幅提高大比例尺地形图的更新效率，成为目前研究的热门课题[5,6]。目前利用无人机航摄系统进行大比例尺地形图测绘主要以无人机航飞正射影像图为底图，内业编辑成图后辅以外业补绘调绘完成。受二维影像数据自身局限性限制，内业数据采集过程中存在大量不可确定的信息，如建筑物层数、房檐改正距离等，需要通过外业补绘调绘完成[7,8]。无人机倾斜摄影技术的发展，使得成果数据从二维空间升级至三维空间，可全方位、立体化还原地物特征，进一步减少外业工作量，加快数据采集速度。

本文以无人机倾斜摄影测量成果为基础，采用二三维联动一体化测图模式，进行大比例尺地形图测绘，实践证明该技术方法可靠性强，具有应用推广价值。

2 无人机倾斜摄影技术

无人机技术[9]具有机动性强、准入门槛低和便捷性高等特点，无人机技术与倾斜摄影技术的结合，带动了倾斜摄影技术的发展，大大降低了实景三维数据的获取难度，从而提高了数据的适用范围。无人机倾斜摄影技术使用无人机携带航摄仪获取多个角度的像片，利用计算机视觉理论识别同名像点，结合POS 数据或地面控制点数据，恢复立体模型，可同步获取同一区域的实景三维模型数据、数字正射影像数据、点云数据等多种类型的成果数据[10]。基于以下两方面的特点，无人机倾斜摄影技术满足大比例尺地形图测绘的高精度要求。一方面，航飞数据采集时航高较低且像片重叠度高，重建过程中多余观测量多，重建数据的内符合精度高;另一方面，建模过程中加入了POS 数据和高精度地面控制点数据辅助，使得数据输出时具有高精度的位置信息。

3 基于无人机倾斜摄影技术的大比例尺地形图测图技术流程

基于无人机倾斜摄影技术的大比例尺地形图测图技术流程主要包括资料收集与分析、像控点布设、无人机航空摄影、实景三维建模、基于实景三维建模成果的内业数据采集以及外业补绘与调绘工作，如图1 所示。

图1 基于无人机倾斜摄影技术的大比例尺地形图测图技术流程

3. 1 资料收集与分析

收集测区相关数据资源，包括数字线划图数据、影像图数据、数字高程模型数据、测区自然人文地理情况等。基于上述信息，完成以下两项工作:①根据测区的地物分布情况，主要依据道路网的分布，大致确定无人机的起降场地范围和行车路线;②根据成果要求精度水平和相机主距、像元大小等参数，计算航飞高度。此外，需要重点关注测区范围内是否分布有高层建筑或较高信号塔等可能增加航飞难度的因素以及拟定航高是否符合安全作业要求。

3. 2 像控点布设

像控点的布设策略取决于建模精度需求、是否有POS 数据辅助、像幅大小等因素。对于无人机倾斜摄影技术，目前多采用区域网布点的像控点布设法，即测区四周布设平高点，内部布设一定数量的平高点或高程点。根据经验估计，对于一般地形区域，采用间隔10 000个像素布设一个平高点的方法进行加密。

根据拟定的像控点布设方法，并结合已有资料，在影像图上大致确定像控点的预设范围。关于像控点的位置选取，在预设范围内尽量选择平整地面明显标志点，如斑马线角点、检修井中心点等地面点点位。当预设范围内不易寻找标志明显的特征点时，可使用油漆在地面绘制人工标记或使用像控纸作为像控点。图2为典型像控点选点示意图。

图2 像控点选点示意图

3. 3 无人机航空摄影

根据外业现场的实际情况确定无人机航空摄影分区，分区时保证像控点分布均匀，一般优先选择路网作为分界线。根据内业初步拟定的无人机起降场地，结合现场实际情况，选择视野开阔、周围遮挡小、无明显信号干扰、远离人群和建筑物的地方作为无人机起降场地，着重避开高层建筑及信号塔。对于进行实景三维建模，一般采集5 个视角的影像，分别包含1 个正射角度和4 个倾斜角度。

无人机航空摄影时，按照设定的航飞高度进行数据采集，其中航向重叠度一般设定为70% ～ 80%。旁向重叠度设定为60%～70%。

3. 4 实景三维建模

实景三维建模过程包括数据准备、空三加密、建模输出三个环节。数据准备主要是整理航飞影像数据、相机文件、POS 数据以及像控点数据，使其满足软件平台的要求。将整理后的数据载入实景三维建模软件，常用的三维建模软件有Context Capture Master、Photomesh、PhotoScan、Altizure、Pix4DMapper 等。

空三加密是实景三维建模的核心环节之一，为提高成果的位置精度水平，需要将外业采集像控点数据刺点至对应的像片，要求各个视角均选刺一定数量的像片。刺点完成后，运行空三加密，软件自动进行多视角影像密集匹配、区域网平差，确定像片之间的位置对应关系。空三完成后，可在软件平台查看空三点的密度图，如图3 所示。

图3 空三点的密度示意图

基于原始影像数据和空三成果，经三维TIN 构建、自动纹理映射等流程，生产制作实景三维模型及其派生数据，包括正射影像、数字表面模型、点云等数据。其中实景三维模型和其对应的正射影像将作为大比例尺地形图测绘的数据源。

3. 5 内业数据采集

内业数据采用二三维联动一体化测图模式进行采集，即利用分屏方式分别加载正射影像数据和实景三维模型数据，并使其同步，可实现二维或三维状态下的地形图测量。数据采集界面如图4 所示。在三维或者二维环境下采集各种地物类型的特征点或特征线，并借助地物本身和地物之间的几何关系，绘制完成地物。对于地貌信息的采集，由于实景三维模型具有高程信息，可通过直接在模型表面拾取高程点完成。常用的二三维一体化测图软件有EPS 地理信息工作站、航天远景三维智能测图系统、Dp-Modeler 等。

图4 数据采集界面示意图

3. 6 外业补绘与调绘

内业数据采集完成后，需通过外业补绘与调绘工作检核内业数据成果，对于内业无法测量、识别的地物通过外业现场进行实地确认，主要关注以下几个方面:

(1)对内业预判的地形图要素进行核查、纠错、定性;

(2)对内业漏测和难以准确判绘的图形信息(如遮盖区域)，特别是由于地物遮挡造成的实景三维模型的局部变形、模糊，导致少量地物要素难以准确采集的情况。部分线状悬空的地物，如电力线等，实景三维建模难度大，难以从模型中准确辨别其走向和连接关系的情况。

(3)对内业难以获取的属性信息(如地理名称等)进行调绘，如检修井的属性信息、路名、企事业单位等注记信息。

4 实践与分析

以商河县老城区30 km2 1∶500比例尺地形图测绘为例，论述项目实施过程以及成果的精度评定。测区地处山东省济南市商河县，属华北冲积平原，境内无高山和丘陵，地势平坦。测区位于商河县主城区，经济较发达，交通便利，建筑物分布密集，平均困难类别属于建筑与工业区Ⅲ类。

4. 1 项目实施

项目采用区域网布点策略，像控点均匀散布整个测区，各像控点间距控制在400 m以内，据统计，测区范围共计布设像控点460 个。

项目采用DJI Phantom 4 Professional 四旋翼无人机多角度影像数据采集方案，分别包含1 个正射角度与4 个倾斜角度，相对航高控制在100 m左右，航向重叠度为70%，旁向重叠度为65%，航摄时间均控制在上午9:00～ 16:00 之间。结合测区实际情况，选择以硬化路面为分界线，将测区划分为29 个航飞子测区实施航摄任务。为保证接边精度，各航飞子区之间保持一定的重叠区域，原始航飞影像数据与有效建模面积之间的数量关系基本维持在4 000 张/km2。

实景三维建模使用Context Capture 软件，将航飞数据、像控点数据载入软件平台，经空中三角测量、实景三维建模等环节，共制作完成30 km2 实景三维建模成果，输出正射影像数据和实景三维模型数据。

基于上述两类成果，在EPS 软件平台三维测图模块进行大比例尺地形图数据采集，随后经调绘与补绘，完成最终的1 ∶ 500比例尺地形图成果。由于项目航飞数据采集时间为冬季，植被遮挡情况较少，一定程度上减少了外业补绘与调绘的工作量。

4. 2 精度评定

为评价基于无人机倾斜摄影技术的大比例地形图测绘方法的精度水平，对采用本方法完成的商河县老城区1∶500比例尺地形图采用野外散点法分别进行平面和高程精度检测。

平面精度检测共检测明显地物点1273 个，剔除32 处粗差，粗差率为2. 5%，最大误差0.290 m，最小误差0.003 m，中误差为±0.081 m，小于《城市测量规范》(CJJ /T8-2011)规定的地物点相对于邻近平面控制点的点位中误差(±0.25 m)，检测数据如表1 所示。

高程精度检测共检测高程点2322 个，剔除22 处粗差，粗差率为0. 9%，最大误差0.260 m，最小误差0.001 m，中误差为±0.052 m，小于《城市测量规范》(CJJ /T8-2011)规定的高程注记点相对于邻近图根点的高程中误差(±0.15 m)，检测数据如表2 所示。

经检验，该项目的精度达到规范“优级品”的要求。

5 结论

经过大量的实践证明，利用无人机倾斜摄影技术进行大比例尺地形图测绘，能够满足规范精度要求，是地形图测绘技术的重大尝试和成功应用，其技术优势主要体现为以下几点:

(1)作业效率高，劳动强度小。无人机倾斜摄影测量技术响应迅速，数据获取快捷，作业效率提升。与传统的大比例尺地形图测绘方法相比，应用无人机倾斜摄影测量技术可以大幅降低外业工作量和工作强度。

(2)数据采集直观、全面。通过正射影像数据和实景三维模型数据分别从二维和三维世界在线地物的分布特征，直观、形象，作业员可直接在二三维作业环境下进行数据的采集和编辑。

(3)数据精度高，干扰性因素少。地形图测量时经常遇到现场不配合或者地形地貌过于复杂的现象，从而难以确保地形图的准确性。利用无人机倾斜摄影技术进行大比例尺地形图测绘，通过非接触模式二三维环境作业，可准确定位地物特征点位，确保数据精度和全面性。

该作业模式也存在一定的局限性，若航飞数据的获取时间为植被较为茂盛的季节时，由于植被遮挡造成的实景三维模型难以表达的地物，仍需要通过补绘和调绘的形式进行补充。