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制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－time kine ma tic ） 輔助的前提下，采用低空飛行、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，基于傾斜三維模型的立體測圖方法受到各個測繪單位的歡迎。采用單鏡頭相機進行高精度的無人機傾斜攝影測量，將在小范圍大比例尺地形圖修補測、城市三維建模 、超高層建筑竣工測量、“多測合一”二、三維校核等領域發揮重要作用。大比例尺測圖方面，黎其添提出了一種利用傾斜攝影測量技術快速測繪大比例尺地形圖的方法，平面點位中誤差為 0.15ｍ；吳獻文等利用精靈 4 Pro 無人機獲取的傾斜影像制作實景三維模型測繪大比例尺地形圖，相對航高 100ｍ，地面分辨率 2.99cm，最終檢查結果的平面中誤差為 ±0.0654ｍ，達到了 1 : 500 數字地形圖精度，但無法滿足地籍測量精度；段宗恩等采用多旋翼無人機搭載單鏡頭相機，對小范圍、低成本的實景三維建模進行研究，構建貴陽市花溪區某試驗區實景三維模型，通過單點精度檢驗，符合大比例尺航空攝影測量內業規范要求。本文基于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制作大比例尺地形圖的相關技術，并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。

Part.01

影像數據獲取

研究區位于福建省第三大島南日島，全島面積 52km2 ，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4 RTK 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，具備厘米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，有利于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，采用井字形航線設計、低空飛行、高重疊率的作業方案獲取影像數據。為了得到與多鏡頭云臺一樣的航測成果，單相機傾斜攝影需要更多的航帶數和照片數。航線規劃涉及地面分辨率、航高、航速、相機傾角、重疊度等。對于單鏡頭無人機，常用的飛行方案為多架次“之”字形方案，即在航向規劃軟件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。也可采用“井”字形航線，即固定相機傾角不變，采用“井”字形反復。

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。

本文采用如圖1所示的“井”字形航線。由于大疆精靈4 RTK 的單塊電池續航時間低于 15 min，為提高外業采集效率，一般需配備 16 塊電池或 6 塊電池加便攜式充電站。在滿負荷 16 架次飛行的情況下，單天可完成 1km2  的傾斜航攝。 研究區面積為 0.37km2，實際飛行 8 個架次，加上起降、換電池的時間損耗，在 180min 內完成了數據采集工作，共獲取照片 2836 張。

圖１航線設計圖

考慮到現場和設備情況，采用低空飛行（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 50％，云臺俯仰角度 -60°，地面分辨率優于 2.19cm。相對航高低于文獻[5]，而地面分辨率優于文獻[5]。

Part.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，像控點標志按 “L” 型布設，在 L 型標志的外角處打入水泥釘，并以紅漆繪出點號，便于后期檢測精度，且兼作圖根控制點。

空中三角測量的精度最弱點位于測區邊緣，因此要加強測區邊角的控制，以改善區域四周的精度[8]。以研究區內的東岱村為例，東岱村房屋密集 區面積 0.37km2，三面臨海。 測區內共布設了 21 個像控點，如圖2所示。 每個像控點獨立觀測 3 次，在 RTK 固定解收斂至毫米級后開始觀測，每次觀測歷元數 30 個，采樣間隔 2s。 觀測成果平面坐標分量較差均小于 3cm，垂直坐標分量較差小于 5cm，取中數作為該點測量的最終成果。

圖２像控點布置圖

Part.03

空中三角測量

空中三角測量利用外業采集的影像、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云信息[8]。 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于同名特征點信息進行自動匹配解算，基本無需人工干預。 個別情況下，空三結果可能會出現丟片、分層等異常情況，可能是由于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[9]。

本文空中三角測量采用 ContextCapture 軟件進行處理。研究區域共判刺 21 個像控點，密集匹配 575965 個連接點，連接點如圖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。

Part.04

三維建模

三維自動建模基于高密度點云構建不規則三角網，對不規則三角網進行自動紋理映射，生成基于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云、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[9]。 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 = 0.02 m，ΔY = 0.01 m。類似的，在測區內隨機選擇 30 棟混房的角點，分別在同一墻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 （ΔS × ΔS）/（n-1 槡）計算得到內符合精度為 ±0.034ｍ，其中，ΔS 表示測量誤差。

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

Part.05

立體測圖

基于傾斜三維模型進行的立體測圖也稱“裸眼測圖”。采用人機交互的方式直接從傾斜三維模型上獲取特征點坐標，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件有武漢天際航公司的 DP-Modeler 軟件系統、北京清華山維的EPS軟件系統等。

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，開發了基于 AutoCAD 的立體測圖插件[10] 。該插件利用 Windows API 函數，捕獲并鎖定 “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墻面取點，并兼顧房屋平行于相鄰的房屋、加固坎、圍墻、馬路等特點，繪制構造線進行印證，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、快捷命令完全不沖突，使用方便。圖6為自主研發的立體測圖插件的界面。

圖６自主研發的立體測圖插件

Part.06

測圖精度分析

為了驗證消費級無人機獲取傾斜影像制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，采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[11]。

Part.07

結束語

本文分析了基于大疆精靈 4 RTK 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，并且整套裝備價格低、工作效率高、易于上手，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。下一步將研究如何提高建模效率、減少像控點數量以及全自動的三維重建工作等問題。

來源：圖匠空間