聶雄林

（新干縣自然資源局，江西 吉安 331300）

密集建成區(qū)的1 ∶500 大比例尺地形圖測繪因施測難度大和工作量大，傳統(tǒng)測繪方法外業(yè)需要派出大量的外業(yè)測繪員，測繪成本高而且效率低[1]。傳統(tǒng)航空航天攝影測量具有效率高、成本高、現(xiàn)勢性差以及精度低的特點，一般用于大范圍小比例尺測繪任務(wù)[2]。隨著無人機航測技術(shù)水平的發(fā)展，無人機航測大比例高精度地形圖成為現(xiàn)實。目前無人機航測普遍搭載的是五鏡頭相機，在航拍時會產(chǎn)生很多不必要的冗余照片，照片量大且數(shù)據(jù)量大，創(chuàng)建三維模型時需要多臺電腦集群處理，硬件成本投入較高[3]。

在房屋密集的村莊等復(fù)雜地形情況下，房屋間的間距都很小，巷距經(jīng)常是幾十公分，房前屋后樹木綠化較多[4]。由于遮蔽嚴(yán)重，當(dāng)無人機搭載五鏡頭相機進(jìn)行航測時，受遮擋部分的模型結(jié)構(gòu)存在黏連、紋理失真、扭曲變形的情況，后期無法刺點繪制線畫地形圖，精度也大受影響。筆者結(jié)合項目實例探索使用高像素單鏡頭相機進(jìn)行傾斜攝影測量，觀察其創(chuàng)建的三維模型紋理清晰度等情況，并對最終線畫圖成果進(jìn)行精度檢查分析。

1 測區(qū)概況

該項目測區(qū)位于新干縣河西某個村莊，面積約80000m2。屬于丘陵地形，海拔高度為33 m～38 m，地勢起伏不大，周邊無較大山體，該測區(qū)及周邊區(qū)域不屬于禁飛區(qū)域。村莊內(nèi)部巷道地面基本都用水泥硬化，便于像控點噴涂，由于房屋密集，巷子狹窄，樹木較多，給像控點的選擇帶來不便，選擇位置時須謹(jǐn)慎，盡量選擇較空曠的村內(nèi)小廣場或無遮擋的村內(nèi)硬化地面，滿足像控點刺點時有效照片的數(shù)量。測區(qū)內(nèi)及周邊300 米范圍無超過50 米高度的建筑物和構(gòu)筑物，飛行高度選擇空間較大。航拍當(dāng)日天氣晴朗，風(fēng)力為1 級～3級，溫度28 ℃，能見度為1 km 以上，氣象條件較好。

2 項目實施

2.1 作業(yè)流程

項目傾斜攝影測量流程分航前準(zhǔn)備及檢查、航空攝影數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)建模成圖和測繪成果檢查4 個階段。航前準(zhǔn)備及檢查包括規(guī)劃航線、測設(shè)像控點、無人機平臺以及掛載傳感器硬件檢查等；數(shù)據(jù)采集階段即是無人機搭載傳感器設(shè)備，根據(jù)規(guī)劃的航線飛行，對地面地物影像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，包括一個垂直視角影像和4 個傾斜視角影像；建模成圖階段空三解算、模型重建時軟件都會生成質(zhì)量報告，如質(zhì)量報告顯示結(jié)果不符合規(guī)范要求時，須查找原因，必要時要返工重新航測；成果檢查階段外業(yè)施測量檢查點時要選擇一些固定的棱角分明的特征點，例如房角點、門墩角點等，如圖1 所示。

圖1 航空傾斜攝影測量流程圖

2.1 選擇起降點

在選擇起降點時，盡量選擇測區(qū)中間航線兩側(cè)的地方作為起降點，以便將數(shù)傳電臺傳輸距離最大化，且須選擇空曠人流較少的地方，禁止在人流車流交通量大的馬路、鄉(xiāng)間道路上、樹木下方、電線通信線路下方、房屋周圍起降無人機，以免發(fā)生碰撞事故，周圍10 m 內(nèi)應(yīng)無人員活動。測區(qū)呈東西向分布，有村內(nèi)巷道環(huán)繞通行，但時常有人員車輛通行，且東西兩端距離約500 米，測區(qū)內(nèi)沒有高大的建筑物遮擋，能保證數(shù)傳電臺的有效傳輸距離，考慮到安全因素，因此將起降點設(shè)置在測區(qū)東北角的村委會院內(nèi)空曠地上，起降點位置如圖2 所示。

圖2 起降點及像控點位置示意圖

2.2 航線規(guī)劃

根據(jù)傾斜攝影三維模型重建的要求，需要從垂直和傾斜多個角度對地面目標(biāo)的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。五鏡頭相機一般是由一個垂直鏡頭、4 個45°傾斜鏡頭來采集地面影像。我們規(guī)劃了一條垂直攝影航線和四條傾斜攝影航線。為了盡可能地創(chuàng)建更清晰和精度更高的三維模型，選定飛行高度為84m，起飛速度為14m/s，航線速度為8.5m/s，傾斜航線速度為15m/s。地面分辨率1.05cm/像素，傾斜分辨率1.49cm/像素。旁向重疊率75%，航向重疊率80%，傾斜旁向重疊率78%，傾斜航向重疊率82。當(dāng)日風(fēng)向為由南向北吹，所以設(shè)置主航線角度0°，盡量避免飛機橫向側(cè)風(fēng)。航線布設(shè)如圖3 和圖4 所示（只附了1 條垂直攝影和1 條傾斜攝影航線）。

圖3 垂直攝影航線1

圖4 傾斜攝影航線2

2.3 布設(shè)像控點

一般來說，像控布設(shè)要遵循標(biāo)注清晰、視野開闊、均勻分布、覆蓋測區(qū)、像控位置固定、像控布設(shè)在無高差平面上的原則；同時還要以外業(yè)無人機能清晰明顯拍攝，內(nèi)業(yè)能夠容易準(zhǔn)確找到為標(biāo)準(zhǔn)。由于無人機傾斜攝影測量空三的精度最弱點位于測區(qū)的邊緣，而不在測區(qū)的中間地帶，測區(qū)中間精度較高而且比較均勻，精度最差點在測區(qū)的邊緣。適當(dāng)增加像控點數(shù)量和密度，能在一定程度上提高空三解算的精度，但并不是像控點越多越密越好，過多過密的布設(shè)像控點，對空三解算的精度提高并沒有起到明顯的作用，反而會大大增加外業(yè)布設(shè)像控點和內(nèi)業(yè)刺點的工作量，性價比較低，得不償失。在條件允許的情況下，像控點應(yīng)該均勻布設(shè)在測區(qū)可攝范圍內(nèi)，且要加強測區(qū)邊緣地帶的網(wǎng)控制力度，像控點上方無遮擋，截止高度角45°，即天頂角45°內(nèi)無物體遮擋。這種滿足測區(qū)四圍控制，適當(dāng)增加測區(qū)內(nèi)部像控點布設(shè)的方式可以在滿足精度要求條件下減少控制點的數(shù)量，還可以有效改善區(qū)域四周的精度。因項目測區(qū)范圍面積不大，充分考慮現(xiàn)場適合布設(shè)像控點的位置條件，為提高工作效率，布設(shè)6 個像控點，其中K5 作為檢查點。像控點布設(shè)位置如圖2 所示。像控點用紅油漆涂成“L”型，使用RTK 測量坐標(biāo)，用GNSS 架站方式以控制點的標(biāo)準(zhǔn)量測。坐標(biāo)參考系統(tǒng)為國家2000 坐標(biāo)系、85 黃海高程基準(zhǔn)，擬和高程；采用千尋網(wǎng)絡(luò)RTK 固定解，設(shè)定兩測回，每測回10 次平滑方式記錄數(shù)據(jù)。

2.4 無人機航空傾斜攝影采集地面數(shù)據(jù)

在開始飛行作業(yè)前，要進(jìn)行航前檢查，飛機腳架和掛載的相機是否按規(guī)定牢固安裝到位。為保障任務(wù)安全，起飛前結(jié)合飛行控制軟件進(jìn)行自動檢測，確保飛機的GPS、通信鏈路等信號狀態(tài)良好，避免在航拍中危險情況的發(fā)生。無人機起飛后，要通過遙控器實時觀測飛機的飛行參數(shù)，如電量、飛行時間以及飛行高度等。在城市和建筑密集區(qū)，航攝區(qū)域備選起降點較少時，就會出現(xiàn)當(dāng)前架次航攝區(qū)域與起降點距離很遠(yuǎn)的情況。因此，在起飛前設(shè)置合適的電臺斷開時間。并根據(jù)飛行時長在航攝區(qū)內(nèi)選擇合適的地點提前去等待飛機，保證電臺能及時連上飛機，避免電臺斷開時間過長，出現(xiàn)飛機在航線未飛完時便自動返航的情況。飛機在轉(zhuǎn)彎過程中容易出現(xiàn)信號斷開情況，因此等待點要選擇在交通便利、地勢開闊的地方，盡量選擇航程中段的航帶中部位置。測區(qū)內(nèi)沒有能擋住電臺信號的高大建筑，所以在航線執(zhí)行過程中只需要時刻關(guān)注遙控器飛控軟件顯示的通信鏈路信號情況。飛行任務(wù)持續(xù)了53 min，五條航線飛行總長度25 114 m，共采集了2 567 張地面照片。

2.5 重建三維模型

將航測外業(yè)采集到的地面照片導(dǎo)入建模軟件，設(shè)置好坐標(biāo)系就可以進(jìn)行空三解算，圖5 中地面點為不同照片的同名像點，空中點為每張照片的空中采集點?？杖馑愕馁|(zhì)量結(jié)果見表1 和表2，平面坐標(biāo)X中誤差為1 cm，Y中誤差0.6 cm，高程中誤差1.9 cm。精度符合規(guī)范要求，進(jìn)行下一步重建三維模型。將坐標(biāo)系等參數(shù)設(shè)置好后進(jìn)行模型重建，模型重建的質(zhì)量報告內(nèi)的質(zhì)量情況與空三時一致，說明外業(yè)航測數(shù)據(jù)的精度質(zhì)量比較好。

圖5 同名像點、攝影航點與像控點位置關(guān)系圖

表1 地面控制點精度結(jié)果

表2 控制點均方根誤差表

圖6 為模型全貌，圖7 和圖8 為模型局部，通過觀察模型，模型的重建效果非常好，清晰、真實地反應(yīng)狹窄巷道內(nèi)臺階、陽臺下的房角墻面、大樹村蔭下的房屋墻壁和瀝青路面等地形地物，可以利用重建的模型直接開始刺點繪制線畫地形圖。

圖6 三維模型全貌

圖7 三維模型局部

圖8 三維模型局部

2.6 利用模型繪制地形圖

要繪制的是1 ∶500 地形圖。如圖9 所示，在繪圖軟件中打開三維模型，左圖是三維模型，右圖是線畫圖。畫房屋時可以直接刺房角點畫圖，對四面型房子也可以采用5 點法畫圖，具體方法是先在房屋的一面墻上點選2 個點，軟件會自動將墻面生成一個面，然后依次在下一個墻面上點選一個點，每個墻面都會生成面，采取面面相交的方式將房角點相交出來，到最后一個墻面生成時閉合圖型，注記房屋結(jié)構(gòu)層數(shù)，一棟房子就畫好了。

圖9 利用三維模型繪制1 ∶500 地形圖（左圖為三維模型，右圖為1 ∶500 平面地形圖）

地形地物的畫法也一樣，直接在模型上依次捕捉特征點，根椐《國家基本比例尺地圖圖式第一部分1 ∶500 1 ∶1000 1 ∶2000 地形圖圖式》（GBT 20257.1－2017）要求分別將居民地、交通設(shè)施、管線、地貌、植被等地形地物逐一繪制出來。高程可以在模型地面上直接逐個點擊生成，也可利用軟件根據(jù)一定的間距統(tǒng)一生成數(shù)據(jù)文件導(dǎo)出，再進(jìn)行展高程點的操作。線畫地形圖全部繪制完成如圖10 所示。

圖10 1 ∶500 地形圖

3 精度分析

3.1 檢查點測量

最終線畫地形圖成果需要通過現(xiàn)場測點與模型刺點采集的坐標(biāo)進(jìn)行精度的檢核和分析。以測像控點的方式利用RTK 布設(shè)圖根控制點，利用全站儀設(shè)站的方式免棱鏡隨機測量房角點坐標(biāo)共計50 個。利用RTK 測量硬化地面點高程50 個。

實測點與模型精度對比：以全站儀現(xiàn)場實測檢查點為基準(zhǔn)，在三維模型上刺點量測相對全站儀實測點的平面位置中誤差、高程中誤差分別按下面公式（1）計算。

式中：m1為檢查點中誤差，m；Δ 為檢查點全站儀現(xiàn)場實測值與模型刺點坐標(biāo)值的誤差，m；n為參與評定精度的檢查點數(shù)。

3.2 平面坐標(biāo)精度分析

利用全站儀實地采點共計50 個，經(jīng)過以上中誤差計算公式統(tǒng)計精度情況：全站儀實測坐標(biāo)與三維模型剌點坐標(biāo)點位中誤差為0.043m，最大點位誤差為0.075m。

3.3 高程精度分析

利用RTK 實測地面硬化路面高程點50個，經(jīng)過以上中誤差計算公式統(tǒng)計精度情況：RTK 實測地面高程與三維模型剌點高程中誤差為0.061m，最大高程誤差為0.119m。

4 結(jié)論

本次航空傾斜攝影測量項目的實踐，通過無人機掛載高相素單鏡頭相機從1 個垂直和4 個傾斜角度對密集建成區(qū)目標(biāo)進(jìn)行傾斜航空攝影測量，能最大限度地減少因樹木、房屋等遮蔽對傾斜攝影測量三維建模的影響，三維模型清晰度高，缺陷是飛行航線較掛載五鏡頭相機的航測方式要更長，要配備更多的續(xù)航電池。根據(jù)精度分析得出，利用該方法繪制的1 ∶500 地形圖，精度符合規(guī)劃要求，能滿足不動產(chǎn)登記房產(chǎn)測繪的精度要求。