摘要：針對多鏡頭測繪級無人機價格昂貴、技術門檻較高的問題，本文提出利用消費級無人機獲取的傾斜影像製作大比例尺地形圖的方法。該方法運用消費級單鏡頭無人機，在RTK（real-timekinematic）輔助的前提下，採用低空飛行、井字形航線設計、高重疊率的作業方案，配以高精度像控點、立體測圖方法改進，從而實現大比例尺數字測圖。以莆田市農村地籍與房屋調查工程為實踐，對該方法的精度進行了分析，結果表明，該方法精度完全能夠滿足1：500數字地形圖測繪的需要，且作業效率高。
關鍵詞：消費級單鏡頭無人機；傾斜攝影測量；大比例尺測圖；精度分析
隨著數字測圖的人工成本不斷攀升和小型旋翼無人機的快速發展，基於傾斜三維模型的立體測圖方法受到各個測繪單位的歡迎。採用單鏡頭相機進行高精度的無人機傾斜攝影測量，將在小範圍大比例尺地形圖修補測、城市三維建模、超高層建築竣工測量、「多測合一」二、三維校核等領域發揮重要作用。
本文基於莆田市農村地籍與房屋調查工程，探討了使用消費級、單鏡頭、低成本無人機進行傾斜攝影測量製作大比例尺地形圖的相關技術，並通過改進相關作業方法，提高數字測圖工作效率，保證測圖精度，降低無人機傾斜攝影測量的應用門檻。
01
影像數據獲取
研究區位於福建省第三大島南日島，全島面積52km，海岸線總長66.4km。島上全年4級風以上時間達300ｄ以上，為消費級無人機的航攝增加了較大困難；但島內房屋錯落有致，植被稀疏，為傾斜攝影測量提供了有利條件。
大疆精靈4RTK版無人機具有RTK導航定位系統、相機微秒級同步、APP航線規劃等功能，具備cm級導航定位系統和高性能成像系統，配備千尋位置公司集成的千尋知寸網絡RTK模塊，有利於弱化姿態控制單元的重要性，減少荷載，提高定位精度。
在RTK的輔助下，採用井字形航線設計、低空飛行、高重疊率的作業方案獲取影像數據。為了得到與多鏡頭雲臺一樣的航測成果，單相機傾斜攝影需要更多的航帶數和照片數。航線規劃涉及地面解析度、航高、航速、相機傾角、重疊度等。對於單鏡頭無人機，常用的飛行方案為多架次「之」字形方案，即在航向規劃軟體中依架次設置不同的航線角度、相機傾角，來模擬多鏡頭的航飛效果。也可採用「井」字形航線，即固定相機傾角不變，採用「井」字形反覆飛行的多角度飛行方案，既保證同一地物能被3個以上的不同方向航拍到，又保持相機傾角的穩定。
本文採用如圖1所示的「井」字形航線。由於大疆精靈4RTK的單塊電池續航時間低於15min，為提高外業採集效率，一般需配備16塊電池或6塊電池加可攜式充電站。在滿負荷16架次飛行的情況下，單天可完成1km的傾斜航攝。研究區面積為0.37km，實際飛行8個架次，加上起降、換電池的時間損耗，在180min內完成了數據採集工作，共獲取照片2836張。
圖１ 航線設計圖
考慮到現場和設備情況，採用低空飛行（設置默認航高為低空80ｍ），在沒有高壓電塔、風力發電塔或房屋較低矮、密集的區域，將航高降低到70ｍ。顧及地表高低起伏，相對航高一般50多米，局部相對航高只有30多米。航向重疊度80％，旁向重疊度80％，雲臺俯仰角度－60°，地面解析度優於2.19cm。
02
像控點布設
像控點布設是空中三角測量的基礎，其測量精度、布設密度和分布直接影響成果精度。本文按實地間隔100ｍ均勻布設像控點，像控點標誌按「Ｌ」型布設，在Ｌ型標誌的外角處打入水泥釘，並以紅漆繪出點號，便於後期檢測精度，且兼作圖根控制點。
空中三角測量的精度最弱點位於測區邊緣，因此要加強測區邊角的控制，以改善區域四周的精度。以研究區內的東岱村為例，東岱村房屋密集區面積0.37km，三面臨海。測區內共布設了21個像控點，如圖2所示。
圖２ 像控點布置圖
每個像控點獨立觀測3次，在RTK固定解收斂至ｍｍ級後開始觀測，每次觀測曆元數30個，採樣間隔2s。觀測成果平面坐標分量較差均小於3cm，垂直坐標分量較差小於5cm，取中數作為該點測量的最終成果。
03
空中三角測量
空中三角測量利用外業採集的影像、像控點成果、POS信息，通過建模獲得所有影像的外方位元素，再通過多視影像密集匹配，自動獲取高密度三維點雲信息。空中三角測量步驟主要分為多視影像密集匹配及自由網空三、像控點判刺、絕對網空三解算等。多視影像密集匹配及自由網空三步驟基於同名特徵點信息進行自動匹配解算，基本無需人工幹預。
個別情況下，空三結果可能會出現丟片、分層等異常情況，可能是由於氣象條件惡劣導致像片抖動劇烈或過曝光、RTK信號失鎖、POS數據異常、植被和水系區域弱紋理等。
本文空中三角測量採用ContextCapture軟體進行處理。研究區域共判刺21個像控點，密集匹配575965個連接點，連接圖如圖3所示。
圖３ 空三加密網連接點分布圖
為比較不同像控點密度對空三精度的影響，將21個像控點均勻抽稀到8個，得到兩種像控點密度下的空三控制點精度（表1），可以看出像控點減少，空三精度下降。
04
三維建模
三維自動建模基於高密度點雲構建不規則三角網，對不規則三角網進行自動紋理映射，生成基於真實影像紋理的三維實景模型。生成的模型包含了高密度點雲、不規則三角網、真實影像紋理3種信息。生成的傾斜三維模型成果的精度直接決定了最終成圖的精度。因此，需要對模型的內符合精度進行檢驗。如圖4所示，對同一個房角點在不同高度取點對比得到ΔＸ＝0.02ｍ，ΔＹ＝0.01ｍ。類似的，在測區內隨機選擇30棟混房的角點，分別在同一牆體角點的不同高度取兩點，得到如圖5所示的點位誤差分布圖，根據
計算得到內符合精度為±0.034ｍ，其中，Δs表示測量誤差。
a b
圖４ 同一房角點平面坐標差異分析
圖５ 三維模型內符合精度圖
05
立體測圖
基於傾斜三維模型進行的立體測圖也稱「裸眼測圖」。採用人機互動的方式直接從傾斜三維模型上獲取特徵點坐標，更直觀、更快捷。繪圖者不需要長時間的專業培訓，即可快速上手，因此受到了各測繪單位的歡迎。目前，常用的立體測圖的軟體有武漢天際航公司的DPmodeler軟體系統、北京清華山維的EPS軟體系統等。
為進一步節省傾斜攝影測量的成本，降低立體測圖的門檻，提高立體測圖效率，且充分考慮不同區域房屋構造不同的特性，開發了基於AutoCAD的立體測圖插件。該插件利用WindowsAPI函數，捕獲並鎖定「Acute3D窗口選點」和「CASS窗口繪圖」兩個窗口，通過兩個窗口間的信息交互來進行立體測圖。即實時將Acute3D測量窗口中顯示的點位坐標信息同步展繪到CASS中。利用該插件，考慮到房屋自身的直角、對稱、鏡像等特點，可以充分利用AutoCAD的構造線、垂線、延長線等工具進行輔助繪圖。針對模型上房角點變形的問題，分別在房角點以及房角點所在的牆面取點，併兼顧房屋平行於相鄰的房屋、加固坎、圍牆、馬路等特點，繪製構造線進行印證，交會出最理想的房角點位置。開發的插件與CASS原有的各工具按鈕、快捷命令完全不衝突，使用方便。圖6為自主研發的立體測圖。
圖６ 自主研發的立體測圖插件
06
測圖精度分析
為了驗證消費級無人機獲取傾斜影像製作大比例尺地形圖的精度，將試驗區域內全站儀實測檢查點坐標與立體測圖成果同名點平面坐標進行比較，差值見表2。由表2可知點位精度為0.042ｍ。
為了更加系統、全面地檢驗精度，在試驗區選取了8個村的立體測圖成果進行打點檢驗，如表3所示。由表3可知，採用本文方案及改進措施，能達到農村地籍與房屋調查工程的精度要求。
07
結束語
本文分析了基於大疆精靈4RTK版無人機的單鏡頭傾斜攝影測量方法，提出了低空飛行、井字形飛行、較高的重疊度、改進的立體測圖方法等方案。以莆田市南日島8個村為試驗區域，結果證明，該方案可以滿足地籍圖測繪的精度要求。本文方法將測圖的主要工作從原來的全站儀外業打點轉變為室內立體測圖，並且整套裝備價格低、工作效率高、易於上手，大大縮短了測圖人員的培養周期。但該方法超低空飛行受測區房屋高低影響較大，航片數量巨大，像控點密度較高，建模效率不高。
文章轉載於：測繪地理信息
原標題：消費級無人機傾斜攝影測量1:500測圖方法及精度研究
作者：許承權 黃小琴 施政
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